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古气候天文驱动理论的简明史:(1)序言

已有 3052 次阅读 2022-3-19 17:52 |系统分类:科研笔记

写在前面的话:


最近一直在关注天文驱动的气候变化,然后翻到了Berger的这篇长综述。这篇文章里系统介绍了冰期的发展历史、天文驱动理论的演变历史,从18世纪缓缓追溯到20世纪——几百年的古气候理论发展历程。


天文驱动理论中绕不过的一个人就是米兰科维奇,著名的塞尔维亚科学家,很多学者也愿意把Astronomical Theories of Paleoclimates直接称呼为米兰科维奇理论。但这些岁差、偏心率驱动的太阳辐射变化并非米兰科维奇独创,是他对几代人智慧结晶的重融。所以这篇文章的很大篇幅是米兰科维奇的学术史回顾,厘清这些科学结论的来龙去脉,以及他真正的卓越贡献有哪些。


现在都叫地球系统科学,但学科细分又重组仿佛只是最近一百年来的事,早期的自然科学研究从未细分过。在古气候/第四纪/天文理论的早期发展史中,一些名人总会时不时的出现。比如达尔文和天文理论的关系、傅里叶也做过温室效应的工作、柯本是魏格纳的教父、米兰科维奇和普朗克交往甚迷,等等。不仅这种开放式的交互让人着迷,早期科学研究中的数理基础也令人汗颜,大多数科学家都身居多个身份:数学家、物理学家、化学家...最后才是地质学家。


这几天摸鱼把这篇文章瞎翻译了一下,我是英语菜鸡,古气候和天文理论也没咋学明白,就充当个搬运工贴在这吧。很多句子都是硬翻,也没时间去仔细修订,大概意思就意思意思吧。


全文以及翻译好了,会简单再过一遍,这几天会陆续上传,大家轻喷。



古气候天文驱动理论的简明史

A Brief History of the Astronomical Theories of Paleoclimates

Andre Berger, 2012

摘要:

古气候重建帮助我们发现自然气候系统从数年到数十万年的气候变化。这些重建工作是气候研究的基础,尤其是现在,因为他们提供了大量的气候数据,可以满足来对150年来不同气候模型进行验证。上个世纪已经做了很多详细的气候变化重建工作,但是种类单一。在不同的气候变化模型中,由于冰期-间冰期旋回的极端气候波动是由天文驱动的,因此存在进一步研究其驱动机制的优势。


引言:

古气候的天文理论尝试为十数年-数十万年的准周期气候变化提供解释。这样的气候变化记录在深海沉积、冰盖、陆相沉积中。天文因素驱动下,地球接收到的太阳热量纬度、季节发生变化。米卢廷·米兰科维奇(Milutin Milankovitch)在1912-1950年之间将天文驱动理论集成、延伸并发表,但是天文参数、日照量和气候之间的关系从19世纪就开始逐步讨论。这里简要回顾这些思想的早期演变历史,但是这篇综述并不是一份详细的历史调查,不是试图说清对过去200年里谁对天文驱动理论的哪一部分有哪些贡献。这篇文章更侧重说明,一定历史背景下形成了哪些基本原理。为了书写简洁,文章中提供了对米兰科维奇理论做出贡献的参考文献,也尝试对一些成果的实际归属进行重新纠正。


天文驱动理论试图解决冰期-间冰期旋回,最早是谁发现并从事工作的,仅在一些综述中有所提及(egHann, 1903; Bard, 2004; Kruger, 2008)。而天文驱动理论的逐步阐述和完善,是1980s之后的事情。最近20-30年涌现了大量的研究者。他们试图使用天文驱动理论,对地球接收太阳辐射的长期变化对气候系统的影响,背后的物理机制进行解释。这部分参考文献可以阅读Berger(1988,1995),以及他最新应用的会议论文集(eg Berger et al., 1984, 2005b; Schellnhuber et al., 2004; Sirocko et al., 2007)。


本章不能掩盖的现实是:19世纪早期的科学家生活在一个与米兰科维奇截然不同的智识环境中,更不要说与今天相比了。他们得出结论的证据库和他们研究冰期旋回的动机,在许多方面各不相同。当时这些想法并不是统一古气候学理论的一部分,而早期的博物学家们之间的相互沟通也很困难。然而当我们读他们的论文时,会很惊讶地发现他们对彼此的观点如此了解,他们通过信件、科技评论和论文持续交换着各自的观点和质疑(例如,廷德尔、莱伊尔、赫歇尔之间的沟通,见Fleming,1998)。


天文驱动理论的简介:

地球不同季节、纬度接收太阳辐射的长期变化,同地球绕日运转轨道、自转轴斜率相关。这包含了三个被广泛接收的天文参数:偏心率e(描述地球椭圆轨道形状)、斜率t(描述地球赤道与黄道交角,即黄赤交角)、气候岁差esinw,用来描述夏至日的日地距离(w,是近日点的经度,是近日点-太阳-春分点的夹角)。今天的偏心率e为0.016。尽管目前的地球轨道接近圆形,年内日地距离和日照量的变化分别高大3.2%和6.4%。斜率定义了赤道和极圈的纬度,目前是23.5°。近日点的经度w为102°,意味着北半球冬天更接近太阳。偏心率、斜率、岁差的平均周期分别为95.8ka(多种偏心率综合结果,尤其是400ka)、41ka(很稳定)、21.74ka(围绕该值波动)(Berger,1976)。

原文是没有图的,这里找一个图有助于大家理解吧(Berger, 2010, QSR)

这个图也不错(Hinnov, 2018)


简单说,行星之间的引力会改变地球轨道参数,使得地球绕太阳运行过程发生周期性变化,这种相对太阳的距离、角度变化势必会造成地球接收到太阳辐射量的变化,而日照量是地球气候、生命的源泉,由此轨道参数会影响地球气候的变化,这也就是天文驱动气候理论的基本逻辑(所以学了科学之后更迷信了,什么星座星象都是有理可依的hhh)

其中,偏心率(就是高中数学的那个椭圆偏心率)是描述地球轨道形状的,近圆或近椭圆,影响了近日点和远日点的差异;斜率是指地轴倾角,就是黄赤交角,影响地球的倾斜程度,极端的斜率就是两极正对太阳,这影响了太阳辐射的纬度分布过程;岁差是地轴的进动,就是把地球想象成陀螺摇摆着前进,每摆动一周就是一个岁差周期,表现为气候岁差,即春分点(秋分点、夏至点、冬至点)在椭圆轨道上的位置,比如今天的夏至点在(接近)远日点,1万年前的夏至点就在近日点上。




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