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1、免费查阅精品论文El nino 起因的太阳系天文影响因素的定性解释杨正瓴 天津大学电气与自动化工程学院, 天津（300072） E-mail：摘要：由于 El Nio 长期存在和具有相对稳定的变化模式，这意味着其成因应该包含天文 因素。认为地球动能变化同时影响全球，El Nio/La Nia 事件是全球变化中的代表性事件。 这样影响地球公转的太阳系天文因素，即行星和月球的运动，就成了 El Nio 的诱因。关键词：El Nio，地球动能，全球变化，地球公转，近日点1.引 言研究 N 个质点相互之间在万有引力作用下的运动规律，称为 N 个问题。N 等于 2 时， 称为二体问题。这时两个天体的轨道
2、都是圆锥曲线（椭圆、抛物线、双曲线），这个问题已 经完全解决。N 大于或等于 3 时称为多体问题，求多体问题严格的解析解至今仍然是一个难 题，尚未得到解决。三体问题是多体问题中最著名的特殊问题，近三百年来，经过很多第一 流的数学家、力学家和天文学家们的艰苦努力，虽然在这方面取得了很多成果，但问题仍未 解决。因而它成为天体力学中有名的难题。其中主要困难是运动方程解不出来。为了应用于 具体天体的运动，除了继续研究一般解外，还需要研究一些特殊的三体问题。例如针对太阳 系内的小天体，提出了限制性三体问题。把其中小天体的质量当作无穷小，即它对另外两个 天体的引力可以忽略，这种简化的三体问题虽然也未完全解
3、决，但得到的特解和运动区域（平 面圆型限制性三体问题）是很有用的，并且已经推广到一般三体问题。另外，用定性方法可 以严格证明，在一定条件下，三体问题的解可以用时间的幂级数来表示。1p67可见，研究太阳系各行星的运动是多么困难。El Nio/La Nia 事件是全球变化研究中的重要课题2，参看下图 1。对珊瑚虫化石（fossil corals）的研究表明 El Nio/La Nia 事件存在已经长达 130000 年了3，并且变化的模式和现 在的相差不大。参看下图 2（文献3，第 1513 页）。图 1 1997 年 12 月 El Nio 期间海水表面温度距平（SST Anomaly）。取自：
4、http:/www.osdpd.noaa.gov/PSB/EPS/SST/climo_archive/data/anomnight.12.30.1997.gif- 1 -图 2 Nio/La Nia 事件存在已经长达 130000 年了3， 并且变化的模式和现在的相差不大。本图选自文献3，第 1513 页原文图注：Fig. 4. Paleo-ENSO variability from fossil corals. (A) (Left) Seasonal resolution (thin lines) and2.25-year binomial-filtered (thick lines) sk
5、eletal 18O records from all fossil corals used in this study, with therecord from modern coral DT91-7 shown for comparison. (Right) 2.5- to 7-year (ENSO) bandpass-filtered coral18O time series. (B) Standard deviation of the 2.5- to 7-year (ENSO) bandpass-filtered time series of all modern and fossil
6、 corals discussed in this study. Asterisk indicates that the time series is 30 years long. The horizontaldashed lines indicate maximum and minimum values of standard deviation for sliding 30-year increments in the modern coral records. Black bars, modern corals; gray bars, fossil corals.目前对 El Nio/L
7、a Nia 事件的成因研究还没有最终的定论。最常用的是海洋-大气耦合 模型（coupled ocean - atmosphere model）4-16。除了 coupled ocean - atmosphere model 的直接 作用外，近年也开始探讨其它影响因素，如太阳辐射5、赤道火山活动5、地球自转7 - 10等 的影响，关于受大行星影响的观点也已经出现13, 14。人类破坏大自然的行为也是受到重视 的。El Nio/La Nia 事件的长期存在性和变化模式的稳定性3，提示我们天文因素可能是其 重要的诱因。目前常用 NINO3 序列（或 NINO34 序列）作为 El Nio 事件的代表
8、。它是东部赤道太 平洋 NINO3 区域（90W-150W, 5S-5N）的海水表面温度距平（SST Anomaly），即 the sea surface temperature (SST) anomaly in the NINO3 region (90W-150W, 5S-5N) of the eastern equatorialPacific。22.El Nio 现象的天文诱因从中国传统文化“天人观”的角度看，地球上发生的一切都和人、太阳、月球、太阳系、 银河系、宇宙等的所有因素相关。关键是如何确定那些因素的影响是显著的。1930 年代 Milutin Milankovich 提出气候变化
9、的天文学说，就是这样一个成功的例子15, 16。地球以每秒 30 公里的速度，围绕着 1.5 亿公里以外的太阳奔跑，周期一年；而太阳系 又以每秒 250300 公里的速度围绕着银河系的中心（银心）奔跑，周期约两亿年。当然还 有更大尺度的运动，但由于对地球的作用微乎其微，所以暂时不考虑。所有这些太阳系与银 河系的运动都可能对地球的气候施加周期性的影响。从日-地系统的角度来看，控制地球气 候变化的首要因素是太阳的直接入射能量（日照率），其次是地球在太阳系中运行轨道的变 化，然后是太阳系在银河系中运行轨道的周期。据目前的研究资料，与太阳日照率关系最大 的周期性运动有：10 万年的地球轨道偏心率变化的
10、米兰科维奇旋回，与地球百万年来冰期 涨落的主周期呈现模糊的对应关系，轨道偏心率变化对日照率的全球总影响大约 0.1；4.1 万年的旋转轴倾斜变化周期（摆动旋回），只对地球中、高纬度的气候有影响；及 1.92.2 万年的岁差周期（进动旋回），仅在热带地区勉强找到些相应的气候变化迹象。地球系统并不是一个理想的线性体系。在线性体系中，任何初始条件的变化都可以经过 准确的传导与转换过程而产生准确的必然结果。而地球系统是一个开放的非线性系统。地球 系统的非线性特征是由于构成它的基本组元（大气圈、水圈、岩石圈、生物圈）本身都是非 线性的。它的开放性则是由于它无法逃避太阳、地核、人类活动等外部系统的物质、能
11、量及 信息的输入与影响。而地球的气候系统又是个非周期系统，即一种不断重复但却从不真正重 复的没有定态的系统。对于任何与气候有关的外源扰动，地球系统的内部动力机制都可能有 两种反应：一是放大扰动，使系统趋于失稳而发生气候突变，叫做正反馈；一是逐渐减弱外 界影响来维持原有平衡，叫做负反馈。而和全球宏观气候变化关系最密切的内部动力机制就 是地球的大气对流、大洋环流和生物活动。在太阳作用下，有 3 个影响气候变化的最关键机 制：日-地热辐射平衡、大气对流和大洋环流。16因此，从更大的范围研究 Nio/La Nia 事件的诱因，是必要的。3.地球动能变化与 El Nio 现象3.1 地球动能变化影响全球
12、从能量的角度看，El Nio 的能量成因与太阳辐射、地球动能变化、地球内部能量活动（常用火山活动来表示）、宇宙的其它作用以及人的作用（破坏大自然、森林、植被，温室 气体排放，大气污染，等）有关。对太阳常数的长期测量经过证实它的变化小于 1%。空间探测也表明太阳常数变化是微 小的。按照一般推测，全球气温变化 1需要太阳常数变化 1%，因此，全球性的气候变化似 乎不能用太阳常数的变化来解释1, 17。Mann 等人的研究结果5，与这一观点也有类似性。地球内部能量活动的研究十分困难，目前常用火山活动作为代表。火山活动释放的能量、 火山灰对大气层的影响（地表接受的太阳辐射、温室效应），对气温的影响是存
13、在的。但似 乎与 El Nio 的关系，并不十分密切5。于是，地球动能的变化，成为 El Nio 的能量重要来源。地球动能的变化主要由地球绕太阳的公转速度变化、地球自转变化等引起。其中，地球公转速度的变化，是目前笔者尚未 发现其他研究人员提到的。我们认为，地球公转速度的变化，是 El Nio 的主要起因之一。地球动能变化影响全球变化，包括地震、各种极端天气事件等，是本文的主要观点。3.2 影响地球动能变化的太阳系天文因素从太阳的角度看，即在以太阳作为原点的坐标系看，影响地球公转的主要因素是月球运 动、行星。（1）地球公转的椭圆轨道。近日点的势能比远日点的势能少了大约 3.4%。这造成近日 点附
14、近是地球公转速度、公转速度变化最大的位置。（2）月球：主要是拱线运动。月球围绕地球的椭圆轨道，在它自己的平面上也不是固 定的，其椭圆的拱线（近地点和远地点的连线）沿月球公转方向向前移动，每 8.85 年移动 一周。（3）行星，主要是木星、金星、土星运动的影响。从对地球的万有引力、对太阳的角 动量等角度看，这 3 颗行星是对地球影响最大的行星。这些天文因素，主要影响了地球在公转轨道的位置、速度的变化。是影响地球动能变化 的首要因素。此外，地球自转速度有一定的微小变化，是影响地球动能变化的次要因素。3.3 具体的影响方式（1）地球公转椭圆轨道。近日点的动能比远日点的动能大了大约 6.8%。地球轨道
15、近日 点（现在在每年 1 月 3、4 日左右），是地球公转动能最大（公转速度最快）、速度变化最 大的时候，也是 El Nio 最强（成熟期）的时候。月球地球轨道近日点 地球（每年 1 月初）太阳图 3 El Nio 事件成熟期元旦前后是地球动能及其变化最大的时刻。 解释了 El Nio 事件出现日期的长期稳定性另外，El Nio 在赤道上不是对称的，往往偏向南部。除了由于地球自转转轴与黄道夹角引起的太阳辐射偏向地球赤道南部外，从地球局部看，赤道偏南部的动能变化最大：自转 作用正好落在地球赤道上，公转作用在近日点附近是落在赤道南部的。见图 4。地轴春分日（3 月 21 日前后）夏至日（6 月 22 日前后）冬至日公转方向（12 月 22 日前后）秋分日（9 月 23 日前后）图 4 El Nio 在赤道上不是对称的，往往偏向南部1983 、 1998 年两次 大 El Nio 的温度距平分布见 图 5 、图 6 。还可参见网 站（http:/www.msc-smc.ec.gc.ca/educati
