气候突变的幕后推手，可能是地球轨道变化？

本文来自微信公众号：中科院之声（ID：zkyzswx），作者：芮晨悦、张旭、孙有斌（中国科学院地球环境研究所），头图来自：《后天》

在浩瀚无垠的宇宙中，地球是一个相对独立但又受其他星体引力制约的渺小星体（图1）。众所周知，地球绕太阳运动的轨道并不是西方绘画之父乔托笔下的完美圆形，而更像是一个随着时间音符不断律动的椭圆。他的运动方式有数十种之多，最广为人知的是地球的公转和自转。

图1 太阳系的行星和卫星示意图

地球轨道变化如何影响气候？

万物生长靠太阳，地球气候变化亦是如此。当地球绕太阳运动的轨道发生变化时，地球表面所接受到的太阳辐射能量也随之改变，造成地球上气候发生相应的冷暖波动和风雨变迁。但是，如何去证明这种影响的存在？这种影响又暗含哪些规律？都是芸芸众生苦苦求索的问题。要找到这些问题的答案，首先需要知道地球轨道三要素（图2）。

图2 地球轨道的偏心率、地轴倾斜度和岁差

偏心率（Eccentricity）：地球绕太阳公转的椭圆形轨道并非一成不变，其变动范围是0-0.07，变化周期为40万年和10万年；偏心率变化对地球表面接受的太阳能量影响很小，主要通过调制岁差振幅进而影响地球表面接受的太阳辐射量。

地轴倾斜度（Obliquity）：地球自转轴（赤道面）与公转轴（黄道面）的夹角，在21.5-24.5°之间缓慢变化，周期约4万年；倾角变化影响着地球不同纬度之间接受太阳辐射量差异，较大的地轴倾斜度意味着高纬地区接受更多的太阳辐射。

岁差（Precession）：受太阳和月亮引力影响，地球自转轴长期进动造成春分点沿黄道面西移称为岁差，其进动周期约2.6万年；岁差变化引起地球表面接受太阳辐射量的季节差异，对南北半球气候的影响正好相反。

20世纪初，南斯拉夫学者米兰柯维奇用地球轨道变化引起的太阳辐射解释地球上冰盖的消长。到20世纪70年代，随着深海钻探技术的发展，科学家们获取了深海沉积物中有孔虫的氧同位素记录（图3），揭示更新世气候变化具有10万、4万和2万年的周期，确认了地球轨道参数变化是冰期旋回的起搏器。

图3 最近80万年地球轨道参数与气候变化

什么是气候突变？

地球气候除了经历万年尺度冷暖干湿波动外，还发生了一系列更短尺度的突变事件。突变事件速度快、幅度大、影响广，导致人类和自然难以适应。比如，尼罗河、印度河等流域的古文明和新大陆玛雅文明的衰落，都与气候突变相关（图4）；在《后天》电影中，描绘了气候突变可能给人类带来的巨大考验。

图4 神秘玛雅文明陨落（左）和电影《后天》中寒冻场景（右）

在漫漫历史长河中，如何寻找千年或更短时间尺度气候突变存在的证据呢？一些特殊的地质生物载体，如冰芯、树轮、砗磲，石笋、湖沼、黄土和深海沉积等（图5），会留下气候突变的蛛丝马迹，通过分析其元素含量、同位素比值等，可以揭开过去气候突变的神秘面纱。

图5 气候突变的地质生物载体

上世纪末，北大西洋深海沉积和格陵兰冰芯氧同位素记录，重现了末次千年尺度气候突变。随后，来自中低纬地区的石笋、黄土、湖泊和海洋沉积及南极冰芯研究表明，气候突变事件在全球范围内具有广泛性和一致性特征（图6）。

图6 末次冰期气候突变事件的全球对比

这些突变事件究竟是如何被触发的？尽管在神奇的大自然中可找到多种气候突变的印记，但他们的时空表现不尽相同，导致了对气候突变触发机制的诸多争议。洋流变化被认为是气候突变的主要诱因，但轨道参数变化、冰川动力学、大气CO₂浓度波动，也可能会触发气候突变（图7）。

图7 洋流和冰川变化触发气候突变

气候突变与地球轨道参数有何关联？

北大西洋沉积物中浮冰碎屑含量变化表明，气候突变幅度在冰期时段被放大；中国石笋研究则表明，气候突变幅度受到了岁差的调制。近期，科研人员利用中等复杂气候模型对最近80万年间冰期瞬变模拟结果显示，由轨道参数控制的北半球夏季太阳辐射降低到一个临界值时，大西洋经向翻转环流短时间内剧烈减弱，在北半球引起广泛快速降温事件（图8）。欲解开气候突变与地球轨道参数关联的谜团，需要高分辨率的海陆记录和数值模拟结果对比。

图8 太阳辐射临界值驱动的大西洋经向环流和温度突变

近日，一篇发表在Nature Geoscience上题为 Persistent orbital influence on millennial climate variability through the Pleistocene 文章，试图揭开这一问题的神秘面纱。研究者整合了陆地和海洋四个长时间跨度、百年分辨率的代用指标数据集，分析了敏感元素比值的千年变率特征，发现气候突变在更新世持续存在，其变化幅度持续受到地轴倾斜度和岁差变化的调制（图9）。

图9 更新世高分辨率海陆记录对比

Nature Geoscience同期发表了题为 Direct astronomical influence on abrupt climate variability 数值模拟工作，证实了地球轨道参数变化可直接触发冰期旋回中的气候突变。研究者利用复杂气候模型，发现在中等程度冰期背景下，岁差影响北半球低纬夏季太阳辐射，调节从大西洋向太平洋的水汽输送强度，进而调控北大西洋海表盐度，引起大西洋经向环流突变；同时，地轴倾斜度影响北半球高纬地区年均太阳辐射变化，调节海表温度，进而调控海冰-大气-海洋间相互作用引起气候突变（图10）。

图10 岁差（左）和地轴倾斜度（右）触发大洋环流突变

启示：

太阳辐射作为地球气候系统最重要的外部驱动力，虽然由轨道变动引起的地表接收太阳辐射变化非常缓慢，但对气候突变的影响不容忽视。已有研究表明，至少在更新世千年尺度气候突变会持续受到地球轨道参数变化的影响。

常言道“以史为鉴，可以知兴替”，这个“史”不仅是短暂的人类文明演化史，更是漫长的地球气候变化史。探索气候突变的特征和规律，对于人类预测和应对未来气候变化至关重要，也有助于深化对“宜居地球”的科学认知。

相关文献：

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11. Zhang, X., et al. Direct astronomical infuence on abrupt climate variability. Nat. Geosci. (2021).

本文来自微信公众号：中科院之声（ID：zkyzswx），作者：芮晨悦、张旭、孙有斌