這是一個陀螺。

這也是一個陀螺，只不過，它跟上面的陀螺有那麼億點點不一樣。

是的，你沒猜錯，其實這就是我們人類共同的家園——地球。然而，這個原本舒適溫暖的家，在最近幾十年裡，似乎開啟了“地獄模式”。在聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）最新的第六次評估報告《氣候變化2021：自然科學基礎》中，聯合國秘書長安東尼奧·古特雷斯（António Guterres）提出了“對人類的紅色警告”。氣候變暖速度大大加快、極端天氣現象頻發，都在向地球上的生命發起了一次又一次挑戰。那麼，究竟是什麼原因在驅動著氣候系統的變化呢？

《氣候變化2021：自然科學基礎》

對於近百年的氣候變化來說，大家的主要關注點在人類活動因素。但是如果涉及萬年到百萬年時間尺度的地質時期的氣候變化，就可以用米蘭科維奇理論來解釋。這一理論涉及地球軌道偏心率、歲差和傾角這三大天文因子的變化。

1. 米蘭科維奇迴圈

二十世紀初，塞爾維亞的土木工程師兼數學家米蘭科維奇（Milutin Milanković）準確計算了過去數百萬年地球的偏心率、軌道傾角、歲差及65°N的夏季太陽輻射的變化，並認為地球軌道三要素變化引起了地球獲得的輻射能變化，導致了地球大氣圈頂部和太陽輻射緯度配製和季節配製的週期性變化，從而引起全球氣候的變化。

米蘭科維奇提出65°N的夏季太陽輻射變化是驅動第四紀冰期旋迴的主因，即單一敏感區的觸發驅動機制：北半球高緯氣候變化訊號會被放大、傳輸進而影響全球氣候變化。其中，65°N的夏季太陽輻射變化主要受到地球軌道的三個引數影響：偏心率、地軸傾角以及歲差。那麼，這三個引數會發生什麼變化，它們又是如何引起全球氣候的變化呢？

圖 地球軌道引數示意（Pisias and Imbrie，1986）

2. 地球軌道引數會引起日地距離和位置的改變

偏心率

地球的公轉軌道的形狀並非正圓，而是橢圓狀，數學上透過“偏心率”量化橢圓“扁”的程度。橢圓軌道短軸為近日軸，長軸則為遠日軸。遠日軸常常較穩定，而由圓至橢圓或由橢圓至圓形的軌道變化總是由近日軸即短軸來完成的，地球軌道的平均偏心率為0。028（目前為0。017），變化週期有40萬年和10萬年兩種，分別稱為偏心率的長週期和短週期。當短半軸隨著離心率的增加縮短時，季節的變化會加劇。但是偏心率直接導致的氣候效應很小，因為地球離太陽太遠。地球與太陽的距離的近日點和遠日點的差距所導致的輻射量變化不大，偏心率主要是透過調控氣候歲差的變幅來影響地球的氣候系統。

圖 地球軌道偏心率變化的示意圖及其週期變化（Williams et al。， 1998等）

歲差

歲差又稱進動，是指某一天體的自轉軸指向在其他天體的引力的作用下，相對於空間中的慣性座標系所發生的緩慢且連續的變化。從太空中看，地球就像是一個陀螺，而這個陀螺的指向正在逐漸發生變化。這種陀螺的運動是由太陽和月球對固體的地球，所施加的潮汐力引起的。例如，地球自轉軸的方向逐漸漂移，追蹤它搖擺的頂部，以大約25800年的週期掃掠出一個圓錐。

歲差的運動方向（順時針）以及歲差（P）、章動（N）與地球自轉（R）的示意圖

歲差的具體表現是地球赤道面和黃道面的變化，這兩種變化又分別被稱為赤道歲差和黃道歲差。赤道歲差的影響主要表現為春分點以每年約51″的速率連續向西運動。這種影響能夠透過迴歸年與恆星年之間的差異，以及北天極和北極星相對位置的變化被直接觀察到。比如，12000年之後，織女星會成為新的北極星。黃道歲差的影響則表現為春分點以每年約0。1″的速率向東移動，以及黃赤交角的緩慢變化。赤道歲差與黃道歲差又被統稱為總歲差。

歲差本身不能改變半球接收的年入射輻射量，只改變接收的時間。當某半球的夏季處於近日點時，這個半球就經歷了一個短而熱的夏季和一個長而冷的遠日點冬季，即季節性增強。而相反的半球有長而涼夏季和短而暖的冬季，季節性不強。當然，這裡的熱與冷、暖與涼都是相對的。

歲差是唯一在世紀時間尺度上應該注意的軌道引數，一個世紀內季節可向前推進1。4天。近幾個世紀，它已經導致了北半球的冷春、長的夏季和冬季開始時間的延遲。歲差的週期氣候旋迴幅度受偏心率控制，對中低緯度氣候影響大，對極區影響小。

傾角

第三個是地球自轉軸心的傾斜角度。傾角是地球的轉軸相對於軌道平面的角度，在太陽系，地球的軌道平面就是黃道，所以地球的地軸傾角又稱為黃赤交角，並以ε表示。月球和大質量行星的引力干擾使地軸傾角略有擺動，角度變化的範圍是2。4°，在大約41，000年的週期內從22。1°緩慢的變化至24。5°並且再復原。

圖 地軸傾角的範圍

目前，地球的轉軸傾角大約是23。44°（23°26‘）。雖然在一整年之中，地軸傾角都朝著相同的方向，但是由於地球繞著太陽執行，原先朝向太陽的半球會逐漸改變成背離太陽的半球，反之亦然。這種作用是造成季節變化的主要原因。朝向太陽的那個半球每天的日照時間相對較長，並且陽光在正午時間直射地面的角度越接近於垂直的方向，該地區在單位面積內得到的能量也越多。

當傾角變大，半球高緯度地區夏季晝更長，冬季夜更長，這就導致夏季接收到的輻射增加，而冬季接收到的輻射減少，半球高緯度地區接收太陽輻射量的年變化變大，另外，陸地更集中的北半球在冬季更容易寒冷。

讓我們來設想一個場景，北半球夏季接近近日點，夏季比較短，而冬季又比較長。同時地軸傾角偏小，北半球高緯度地區夏季接受的輻射比較少，冬暖夏涼。這就會導致冬季累計的降雪不能在較短的夏季融化，在這種情況下，地球溫度就會降低，反過來溫度便會上升。也就是說，這個角度變化不會改變由太陽抵達地球的總能量，但會影響日照在不同緯度的分佈。因此，偏心率和傾角的共同作用可以使一個半球比另一個半球顯著寒冷。這便是米蘭科維奇關注到北半球高緯度地區夏季太陽輻射變化的重要原因。

看來，地球輕微地“擺動”，就會造成地球軌道引數發生變化，進而影響地球接收的太陽輻射的分佈，最終影響全球氣候變化。

然而，由於缺少連續的記錄，難以找到全球性氣候指標，驗證米蘭科維奇假說顯得十分困難。直到巖芯鑽探技術以及冰芯同位素測定技術的發展，學者們利用穩定氧同位素解讀第四紀氣候變化，米蘭科維奇理論才得以證實。

圖 Vostok時間序列和太陽輻照量以及CO₂、大氣同位素溫度、CH₄、大氣δ18O和65°N六月中旬的太陽輻照量隨時間的變化

不過，米蘭科維奇在世的時候這些技術還沒有得到發展，因此他的理論很難得到驗證。支撐米蘭科維奇做下去的是他對科學的信念，米蘭科維奇身入戰俘營時在日記中寫道：

“那個孤獨的房間，遠離塵世喧囂，簡直就是為科學研究量身定做……在我的手提箱裡，有我關於宇宙問題的筆記，也有紙和筆，我便開始寫作和計算。我停筆時已經深夜，環顧房間，突然很好奇我在哪裡。監獄似乎只是我在漫遊宇宙的時候暫在途中小住的旅店。”

地球這個陀螺也許永遠不會停下，因為在茫茫宇宙中，始終有人在用生命守護著它的轉動。

參考資料

［1］ Pisias N G， Imbrie J。 Orbital Geometry， CO2， and Pleistocene climate ［J］。 Oceanus， 1986， 29（4）： 43-49。

［2］ 吳懷春， 張世紅， 馮慶來， 等。 旋迴地層學理論基礎、研究進展和展望 ［J］。 地球科學-中國地質大學學報， 2011， 036（003）： 409-428。

［3］ Imbrie J。 Astronomical theory of the Pleistocene ice ages： A brief historical review ［J］。 Icarus， 1982， 50（2-3）： 408-422。

［4］ Hays J D， Imbrie J， Shackleton N J。 Variations in the Earth’s Orbit： Pacemaker of the Ice Ages ［J］。 Science， 1977， 194（4270）： 1121-1132。

［5］ Petit J R， Jouzel J， Raynaud D， et al。 Climate and atmospheric history of the past 420，000 years from the Vostok ice core， Antarctica ［J］。 Nature， 1999， 399（6735）： 429-436。

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