地球軌道變化或是氣候突變幕后推手

        古有先秦屈原的天問:天何所沓、十二焉分?日月安屬、列星安陳?自明及晦、所行幾里?明明暗暗、惟時何為?近有歐洲的地心說與日心說之爭。自古以來,地球與太陽的關系,始終撲朔迷離,令人神往。風雨冷暖、滄海桑田、四季輪回、文明繁衍,無不與日地關系密切相連。
  在浩瀚無垠的宇宙中,地球是一個相對獨立但又受其他星體引力制約的渺小星體(圖1)。眾所周知,地球繞太陽運動的軌道并不是西方繪畫之父喬托筆下的完美圓形,而更像是一個隨著時間音符不斷律動的橢圓。他的運動方式有數十種之多,最廣為人知的是地球的公轉和自轉。
   
  圖1 太陽系的行星和衛星示意圖
 
  地球軌道變化如何影響氣候?
  萬物生長靠太陽,地球氣候變化亦是如此。當地球繞太陽運動的軌道發生變化時,地球表面所接受到的太陽輻射能量也隨之改變,造成地球上氣候發生相應的冷暖波動和風雨變遷。但是,如何去證明這種影響的存在?這種影響又暗含哪些規律?都是蕓蕓眾生苦苦求索的問題。要找到這些問題的答案,首先需要知道地球軌道三要素(圖2)。
  
  圖2 地球軌道的偏心率、斜率和歲差
 
  偏心率(Eccentricity):地球繞太陽旋轉的橢圓形軌道并非一成不變,其變動范圍是0-0.07,變化周期為40萬年和10萬年;偏心率變化對地球表面接受的太陽能量影響很小,主要通過調制歲差振幅進而影響地球表面太陽輻射量。
  地軸傾斜度(Obliquity):地球自轉軸(赤道面)與公轉軸(黃道面)的夾角,又稱地軸傾角,在21.5-24.5°之間緩慢變化,周期約4萬年;傾角變化影響著地球緯度之間太陽輻射入射量差異,較小的地軸傾斜度意味著高緯地區接受更多太陽輻射。
  歲差(Precession):地球運轉時近日點和遠日點在公轉軌道上做旋進運動,造成春(秋)分點在黃道面上位置變化稱為歲差,其進動周期約2.6和 1.9萬年;歲差是氣候季節性變化的主要誘因,造成南北半球四季正好相反。
  20世紀初,南斯拉夫學者米蘭柯維奇用地球軌道變化引起的太陽輻射解釋地球上冰蓋的消長(Milankovitch, 1941)。到20世紀70年代,隨著深海鉆探技術的發展,科學家們獲取了深海沉積物中有孔蟲的氧同位素記錄(圖3),揭示更新世氣候變化具有10萬、4萬和2萬年的周期,確認了地球軌道參數變化是冰期旋回的起搏器(Hays et al., 1976)。

 

  圖3 最近80萬年地球軌道參數與氣候變化
 
  
  什么是氣候突變?
  地球氣候除了經歷萬年尺度冷暖干濕波動外,還發生了一系列更短尺度的突變事件。突變事件速度快、幅度大、影響廣,導致人類和自然難以適應。比如,尼羅河、印度河等流域的古文明和新大陸瑪雅文明的衰落,都與氣候突變相關(圖4);在《后天》電影中,描繪了氣候突變可能給人類帶來的巨大考驗。

 

  圖4 神秘瑪雅文明隕落(左)和電影《后天》中寒凍場景(右)
 
  在漫漫歷史長河中,如何尋找千年或更短時間尺度氣候突變存在的證據呢?一些特殊的地質生物載體(如冰芯、樹輪、硨磲,石筍、湖沼、黃土和深海沉積等) (圖5),留下了氣候突變的蛛絲馬跡,通過分析其元素含量、同位素比值等,可以揭開過去氣候突變的神秘面紗。

 

  圖5 氣候突變的地質生物載體
 
  北大西洋深海沉積和格陵蘭冰芯氧同位素記錄,重現了末次千年尺度氣候突變(Heinrich, 1988; Dansgaard et al., 1993; Bond et al., 1993)。隨后,來自中低緯地區的石筍、黃土、湖泊和海洋沉積及南極冰芯研究表明,氣候突變事件在全球范圍內具有廣泛性和一致性特征(圖6)。

 

  圖6 末次冰期氣候突變事件的全球對比
 
  這些突變事件究竟是如何被觸發的?
  盡管在神奇的大自然中可找到多種氣候突變的印記,但他們的時空表現不盡相同,導致了對氣候突變觸發機制的諸多爭議(Clement and Peterson, 2008)。洋流變化被認為是氣候突變的主要誘因,但軌道參數變化、冰川動力學、大氣CO2濃度波動,也可能會觸發氣候突變(圖7)。

 

  圖7 洋流和冰川變化觸發氣候突變
 
  
  氣候突變與地球軌道有何關聯?
  北大西洋沉積物中浮冰碎屑含量變化表明,氣候突變幅度在冰期時段被放大(McManus et al., 1999);中國石筍研究則表明,氣候突變幅度受到了歲差的調制(Cheng et al., 2016)。最近,利用中等復雜氣候模型對最近80萬年間冰期瞬變模擬結果顯示(Yin et al., 2021),由軌道參數控制的北半球夏季太陽輻射降低到一個臨界值時,大西洋經向翻轉環流短時間內劇烈減弱,在北半球引起廣泛快速降溫事件(圖8)。欲解開氣候突變與地球軌道參數關聯的謎團,需要高分辨率的海陸記錄和數值模擬結果對比。
  
  圖8 太陽輻射臨界值驅動的大西洋經向環流和溫度突變
 
  近日,一篇發表在Nature Geoscience上題為“Persisitent orbital influence on millennial climate variability through the Pleistocene”文章,試圖揭開這一問題的神秘面紗(Sun et al., 2021)。研究者整合了陸地和海洋四個高沉積速率、長時間跨度、百年分辨率的代用指標數據集,分析了敏感元素比值的千年變率特征,發現氣候突變在更新世持續存在,其變化幅度持續受到地軸傾斜度和歲差變化的調制(圖9)。
  
  圖9 更新世高分辨率海陸記錄對比
 
  Nature Geoscience同期發表了題為“Direct astronomical influence on abrupt climate variability”數值模擬工作,證實了地球軌道參數變化可直接觸發冰期旋回中的氣候突變(Zhang et al., 2021)。研究者利用復雜氣候模型,發現在中等程度冰期背景下,歲差影響北半球低緯夏季太陽輻射,調節從大西洋向太平洋的水汽輸送強度,進而調控北大西洋海表鹽度,引起大西洋徑向反轉流的突變;同時,斜率可影響北半球高緯地區年均太陽輻射變化,調節海表溫度,進而調控海冰-大氣-海洋間的相互作用引起氣候突變(圖10)。
  
  圖10 歲差(左)和地軸傾斜度(右)觸發大洋環流突變
 
  
  啟示
  太陽輻射作為地球氣候系統最重要的外部驅動力,雖然由軌道變動引起的地表接收的太陽輻射變化非常緩慢,但對氣候突變的影響不容忽視。已有研究表明,至少在更新世時段內千年尺度氣候突變會持續受到軌道參數變化的調制影響。
        常言道“以史為鑒,可以知興替”,這個“史”不僅是短暫的人類文明演化史,更是漫長的地球氣候變化史。探索氣候突變的特征和規律,對于人類預測和應對未來氣候變化至關重要,也有助于深化對“宜居地球”的科學認知。
 
參考文獻:

1.      Milankovitch, M., Canon of insolation and the ice–age problem. R. Serb. Acad. Spec. Publ. (1941)

2.      Hays, J.D., Imbrie, J., Shackleton, N.J.. Variations in the Earth’s orbit, pacemaker of the ice ages. Science 194, 1121–1132 (1976).

3.      Bond, G., et al. Correlations between climate records from North Atlantic sediments and Greenland ice. Nature 365, 143–147 (1993).

4.      Cheng, H. et al. Te Asian monsoon over the past 640,000 years and ice age terminations. Nature 534, 640–646 (2016).

5.      Clement, A.C.,  Peterson, L.C. Mechanisms of abrupt climate change of the last glacial period. Rev. Geophys. 46, RG4002 (2008).

6.      Dansgaard, W., et al. Evidence for general instability of past climate from a 250 kyr ice-core record. Nature 364 218–220 (1993).

7.      McManus, J.F., Oppo, D.E., Cullen, J.L. A 0.5-million-year record of millennial-scale climate variability in the North Atlantic. Science 283, 971–974 (1999).

8.      Heinrich, H. Origin and consequences of cyclic ice rafting in the northeast Atlantic Ocean during the past 130,000 years. Quat. Res. 29, 142–152 (1988).

9.      Sun, Y.B., et al. Persisitent orbital influence on millennial climate variability through the Pleistocene. Nat. Geosci. (2021). https://www.nature.com/articles/s41561-021-00794-1.

10.    Yin, Q.Z.,Wu, Z.P., Berger, A, Goosse, H, Hodell, D. Insolation triggered abrupt weakening of Atlantic circulation at the end of interglacials. Science 373, 1035–1040 (2021).

11.    Zhang, X., et al. Direct astronomical infuence on abrupt climate variability. Nat. Geosci. (2021). https://www.nature.com/articles/s41561-021-00846-6.


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