第第2讲 古气候变化原因（轨道尺度）讲 古气候变化原因（轨道尺度）一、地球轨道变化与冰期旋回 二、古气候变化的数值模拟一、地球轨道变化与冰期旋回 二、古气候变化的数值模拟不同尺度气候变化有不同的原因不同尺度气候变化有不同的原因古气候变化三个时间尺度古气候变化三个时间尺度1、亚轨道尺度（、亚轨道尺度（sub-orbital time scales, 101－－103年年)－太阳活动－太阳活动(solar activity) 等因素驱动等因素驱动 2、轨道尺度、轨道尺度(orbital-scale)－日照－日照(insolation) 季节、纬度配置变化驱动季节、纬度配置变化驱动 3、构造尺度、构造尺度(tectonical-scale)－岩石圈构造 变化驱动－岩石圈构造 变化驱动前二者表现为波动性，后者表现为不 可逆性前二者表现为波动性，后者表现为不 可逆性太阳系中的各行星太阳系中的各行星1、太阳系中各星体各有其 运动轨迹和运动速度，从 而使地球处在不断变化的 重力场中，并导致其轨道 三要素沿时间不断变化太阳系中各星体各有其 运动轨迹和运动速度，从 而使地球处在不断变化的 重力场中，并导致其轨道 三要素沿时间不断变化。
地球大气层顶部所接受 的太阳辐射强度是地球大气层顶部所接受 的太阳辐射强度是太阳 常数和地球轨道三要素太阳 常数和地球轨道三要素 的函数的函数地球轨道三要素地球轨道三要素2、地球轨道三要素、地球轨道三要素（（1）、偏心率（）、偏心率（eccentricity) 表示运动轨道的形状（现为表示运动轨道的形状（现为0.016) （（2）、地轴倾斜度（）、地轴倾斜度（obliquity or axial tilt) 表示转动轴的倾斜程度（黄赤夹角）表示转动轴的倾斜程度（黄赤夹角）(23o27’) （（3）、分点进动（岁差））、分点进动（岁差）(precession of equinoxes) 表示某季地球－太阳的距离表示某季地球－太阳的距离(现冬季近日点）现冬季近日点）3、轨道三要素变化、轨道三要素变化偏心率：偏心率：0.0--0.0607, 10万年周期、万年周期、41.3万年周期地轴：万年周期地轴：22o--24o30’, 4.1万年周期岁差：万年周期岁差：1.9万年与万年与2.3万年两个变化周期万年两个变化周期椭圆的偏心率椭圆的偏心率偏心率与地球到太阳的距离偏心率与地球到太阳的距离地轴倾斜度（黄－赤交角）地轴倾斜度（黄－赤交角）地球像陀螺一样，存在三种运动地球像陀螺一样，存在三种运动地球的轴进动(Wobble)黄道面进动黄道面进动运行轨道面缓 慢旋转，带到 长、短轴移动运行轨道面缓 慢旋转，带到 长、短轴移动近（远）日点的季节进动－－岁差变化以上两种运动 合在一起，近（远）日点的季节进动－－岁差变化以上两种运动 合在一起，引 起分点、至点 在黄道面上的 位置变化引 起分点、至点 在黄道面上的 位置变化4、对地球大气层、对地球大气层顶部顶部接受 太阳辐射的影响接受 太阳辐射的影响地轴倾斜度的影响地轴倾斜度的影响北半球冬季日照北半球冬季日照地轴倾斜度对辐射的影响地轴倾斜度对辐射的影响地轴变化对太阳辐射的影响地轴变化对太阳辐射的影响1、决定极圈、回归线纬 度，极昼、极夜天数、决定极圈、回归线纬 度，极昼、极夜天数 2、角度越大，高纬夏季 辐射越多，冬季越少、角度越大，高纬夏季 辐射越多，冬季越少 3、两半球影响一致 （从季节角度论）、两半球影响一致 （从季节角度论） 4、其影响高纬大，低纬 小、其影响高纬大，低纬 小地轴倾斜度的影响－－ 两半球地轴倾斜度的影响－－ 两半球“季节影响一致性季节影响一致性”地轴倾斜度变化及周期地轴倾斜度变化及周期数值越大， 高纬夏季接受 辐射越多。
数值越大， 高纬夏季接受 辐射越多岁差的影响岁差的影响近（远）日点的季节进动－－岁差变化以上两种运动 合在一起，近（远）日点的季节进动－－岁差变化以上两种运动 合在一起，引 起分点、至点 在黄道面上的 位置变化引 起分点、至点 在黄道面上的 位置变化地球相对于太阳 的两条运动线完成一周运动地球相对于太阳 的两条运动线完成一周运动近日点轴与春分点的夹角近日点轴与春分点的夹角假定轨道为圆时，变化在假定轨道为圆时，变化在1与与-1间间-1代表夏至近日点，＋代表夏至近日点，＋1夏至远日点夏至远日点 （轨道为椭圆，由偏心率调节幅度）（轨道为椭圆，由偏心率调节幅度）岁差变化的辐射效应岁差变化的辐射效应1、决定近日点、决定近日点何季何季出现出现 2、其影响两半球、其影响两半球相反相反 3、低纬影响大于高纬、低纬影响大于高纬 4、受偏心率调控、受偏心率调控 (偏心率越大，其调控 作用越大）偏心率越大，其调控 作用越大）岁差变化对太阳辐射的影响－－ 何时离太阳最近、最远岁差变化对太阳辐射的影响－－ 何时离太阳最近、最远岁差变化的辐射效应岁差变化的辐射效应1、决定近日点何季出现、决定近日点何季出现 2、其影响两半球、其影响两半球相反相反 3、低纬影响大于高纬、低纬影响大于高纬 4、受偏心率调控、受偏心率调控 (偏心率越大，其调控 作用越大）偏心率越大，其调控 作用越大）岁差变化对两半球的影响岁差变化对两半球的影响岁差变化的辐射效应岁差变化的辐射效应1、决定近日点何季出现、决定近日点何季出现 2、其影响两半球相反、其影响两半球相反 3、低纬影响大于高纬、低纬影响大于高纬 4、受偏心率调控、受偏心率调控 (偏心率越大，其调控 作用越大）偏心率越大，其调控 作用越大）岁差变化对两半球的影响岁差变化对两半球的影响岁差变化的辐射效应岁差变化的辐射效应1、决定近日点何季出现、决定近日点何季出现 2、其影响两半球相反、其影响两半球相反 3、低纬影响大于高纬、低纬影响大于高纬 4、受偏心率调控、受偏心率调控 (偏心率越大，其调控 作用越大）偏心率越大，其调控 作用越大）偏心率与地球到太阳的距离偏心率与地球到太阳的距离偏心率的影响偏心率的影响偏心率对太阳辐射的影响偏心率对太阳辐射的影响1、调节季节差别大小、调节季节差别大小 2、两半球效应相反（北半球 夏季大时，南半球夏季小、两半球效应相反（北半球 夏季大时，南半球夏季小 3、两季最大差别可达、两季最大差别可达30％％ 4、可对辐射总量微调 （、可对辐射总量微调 （0.2%)其实偏心率通过调节 岁差起作用！其实偏心率通过调节 岁差起作用！5、三要素作用下太阳辐射沿 纬度和季节作周期性变化、三要素作用下太阳辐射沿 纬度和季节作周期性变化6月不同纬度太阳辐射变化曲线月不同纬度太阳辐射变化曲线 （夏半球（夏半球P主要，冬半球高纬主要，冬半球高纬T主要）主要）12月太阳辐射沿不同纬度变化曲线月太阳辐射沿不同纬度变化曲线 （夏半球（夏半球P主要，冬半球高纬主要，冬半球高纬T主要）主要）01002003004005004004404805203040506040044048052020022024026028036038040042044036038040042044020022024026028044046048050052036404448524004204404604805000100200300400500红线：红线：7月兰线：月兰线：1月月60N30N030S60S同季全球一致，冬夏反相位同季全球一致，冬夏反相位Time （Ka）（（7月）（月）（1月）月）赤道区冬、夏呈反相位（幅度一致）赤道区冬、夏呈反相位（幅度一致）所谓周期，实为准周期所谓周期，实为准周期总结：总结：在太阳常数不变的前提下，地球 大气圈顶部每年接收的辐射总量 基本不变，轨道要素只引起辐射 量沿纬度配置和季节配置的变化在太阳常数不变的前提下，地球 大气圈顶部每年接收的辐射总量 基本不变，轨道要素只引起辐射 量沿纬度配置和季节配置的变化问题：何季、何纬度最重要？何季、何纬度最重要？6、米兰科维奇冰期旋回驱动理论、米兰科维奇冰期旋回驱动理论Erratic boulders:glacier-deposited or great flooding depositsNoah’s Time?冰期的认识冰期的认识1787, B. F. Kuhn, a Swiss minister: erratic boulders 1795, James Hutton, a Scottish geologist: ancient glaciation 1815, J.-P. Perraudin, a Swiss mountainer: valley glacier 1816, Venetz, a engineer: Moraines left by early glaciers 1832, Bernhardi: Ice cap reach as far south as C. Germany 1833, Charles Lyell: icebergs in flooding1837, Louis Agassiz: glaciationin 1860’s, universal acceptanceJames Croll in 1875Climate and TimeLeft school at 13 Mechanic in a Scotland mill Carpenter Tea shop Hotelkeeper Life insurance salesman Janitor in Glascow Scotland GS Fellow of the Royal Society of London Retired at 59 (part pension)Milutin Milankovitch 1878-1958SerbianCanon of Insolation and the Ice Age Problem，19411、早年的工程师、早年的工程师 2、诗人的激励、诗人的激励 3、基本问题与无穷、基本问题与无穷 4、地理学家的困惑、地理学家的困惑 5、战俘的生涯、战俘的生涯 6、工作的乐趣、工作的乐趣米兰科维奇的贡献米兰科维奇的贡献1、计算了轨道三要素的变化（、计算了轨道三要素的变化（Pilgrim的结果）的结果） 2、计算了现代辐射的季节与纬度配置（火地金）、计算了现代辐射的季节与纬度配置（火地金） 3、计算了辐射的季节与纬度配置的、计算了辐射的季节与纬度配置的0.65-Ma变化变化 4、给出夏季辐射与雪线高度的关系式、给出夏季辐射与雪线高度的关系式北纬北纬65度附近夏季度附近夏季太阳辐射变化 是驱动冰期旋回的主因太阳辐射变化 是驱动冰期旋回的主因提出冰期旋回理论提出冰期旋回理论从历史的角度分析，这个理论 的基础是什么？从历史的角度分析，这个理论 的基础是什么？地球轨道变化导致的到达大气圈 顶层的太阳辐射变化，其总量是 基本不变的，变化的只是太阳辐地球轨道变化导致的到达大气圈 顶层的太阳辐射变化，其总量是 基本不变的，变化的只是太阳辐 射的射的纬度配置与季节配置纬度配置与季节配置。
1、北半球冰盖变幅远大于南半球 2、冰盖发育从中心向四周 3、夏季温度是控制冰盖发展的主因DSDP, ODP Program伟大的科学发现伟大的科学发现确认红色条带为古土壤确认红色条带为古土壤1958: 粘粒胶膜粘粒胶膜 ——古土壤的证据古土壤的证据 红色条带为古土壤红色条带为古土壤 —暖湿气候 黄色条带为黄土暖湿气候 黄色条带为黄土 —干冷气候干冷气候红色条带为古土壤红色条带为古土壤 —暖湿气候暖湿气候 黄色条带为黄土黄色条带为黄土 —干冷气候干冷气候00.5Chiloparts6005004003002001000Age (ka)6543ODP 677 18O 00.5Chiloparts13001200110010009008007006543ODP 677 18O 00.5Chiloparts19001800170016001500140013006543ODP 677 18O 00。