标题：米兰科维奇理论
简介
古气候变化一般被划分成3个时间尺度:构造尺度、轨道尺度和亚轨道尺度,并且每个时间尺度变化各有不同的驱动机制。相比而言,轨道尺度气候变化机制的研究最为深入,这是因为轨道尺度气候变化具有明确的驱动力,即太阳系各星体作用于地球的引力场的周期性摄动,及由此引起的地球轨道参数的周期性变化和到达地球大气圈顶部太阳辐射能量配置的周期性改变。相对气候系统而言,此作用为“外强迫”( external forcing) ,并可在数学上得到较为精确的计算结果。
米氏理论的提出者—米兰科维奇
米兰科维奇，米留廷(1879—1958)，南斯拉夫气候学家，他提出了地球冰期循环是地球轨道变化改变了季节之间的热平衡而引起的理论。 
气候变化存在着三个天文周期：每隔2万年，地球的自转轴进动变化一个周期（称为岁差）；每隔4万年，地球黄道与赤道的交角变化一个周期；每隔10万年，地球公转轨道的偏心率变化一个周期。 [1]
米氏理论内容
米氏理论的起点是天文因素变化导致的地球轨道三要素(偏心率、地轴倾斜度、岁差)的周期性变化。地球轨道变化进一步引起地球大气圈顶部太阳辐射纬度配置和季节配置的周期性变化,从而驱动气候波动。但必须指出,如果将一年内大气圈顶部接受的太阳辐射沿不同纬度及不同季节加和的话,则不管轨道要素如何变化,其总量总是基本不变的,而变化的只是其纬度分配和季节分配。这就面临一个核心问题:地球轨道怎样的配置才有利冰期气候的出现? 对此,米兰科维奇的回答是,当地轴倾斜度减小,北半球夏季地球处在远日点时有利于冰期气候的出现。可以看出,这样的轨道要素配置将导致北半球高纬区夏季太阳辐射量的减小。因此,米氏理论可以概括为: 65°N附近夏季太阳辐射变化是驱动第四纪冰期旋回的主因。
理论提出的依据米氏理论是20世纪40年代提出的。那么,从历史的角度考察,这个理论又是基于当时什么样的观察事实呢? 根据Imbrie和Imbrie的总结,当时的观察事实主要有4 条:
1)冰期旋回过程中,北半球高纬度大陆冰盖的变动幅度远大于南极冰盖;
2)大陆冰盖是沿中心向四周扩张的; 
3)南北两半球冰盖变化有同时性;
4 ) 全新世开始时间不超过15000aB1P. (尽管当时还没有绝对定年技术) 。这些观察事实颠覆了米兰科维奇之前Croll的冰期旋回天文理论。
Croll强调了岁差的重要性,认为当北半球冬季地球处于远日点时,北半球出现冰期气候,而南半球出现间冰期气候。在两半球气候变化基本同时的观察事实面前, Croll的理论被米氏理论所超越。米氏同时通过与柯本和魏格纳的讨论,获得这样的认识:大陆冰盖是否扩张,不取决于冬季积雪量,而取决于夏季的融雪量。
米氏理论的关键词因此,米氏理论有3个关键词,分别为北半球、高纬度、夏季。米氏理论的核心是强调了一个敏感区,即北半球高纬区。此区夏季太阳辐射量的减小将触发冰期气候。因此, 可视其为单因素触发模型( single forcing trigger model) 。敏感区内气候变冷后,由于冰雪的高反照率,其信号被进一步放大、传输,进而影响其他地区。米兰科维奇本人在轨道参数变化、太阳辐射能量变化计算的基础上,着重强调了触发机制和冰盖的信号放大机制,但他并没有说明北半球高纬度信号通过什么机制被传输(p ropagation)到其他地区以至实现全球耦合的。这方面工作从20世纪80年代以来,由其他科学家完成。其中最引人瞩目的是强调大气CO2浓度变化和温盐环流变化对北半球高纬信号的传输作用和两半球气候变化的耦合作用。因此,在某种程度上可以这样说,完整的米氏理论是古气候学家集体劳动的成果。
总的看来,着重于解决第四纪冰期旋回动力机制的米氏理论由触发机制、放大机制、传输机制和全球耦合机制这4个部分组成。长期以来,古气候学家在解释古气候记录时,也往往从这个框架出发。因此,米氏理论事实上为古气候学家提供了一种研究范式。
气候变化轨道驱动的若干重要证据
米氏理论之所以能逐渐被接受,主要归功于可用来研究古气候变化的地质资料的获得,其中包括深海岩芯、珊瑚礁、花粉、树木年轮、冰芯等。20世纪60年代,在巴巴多斯岛、夏威夷和新几内亚进行的珊瑚礁研究表明,在距今约8万年、10. 5万年和12. 5万年时期,冰原尺寸缩小,海平面上升到较高水平,且存在一个2. 0～2. 5万年的周期,这与米兰科维奇计算的冰川曲线结果一致。另外,Emilinani从深海岩芯得到的主要反映冰原尺寸变化的氧同位素记录也提供了此类信息。CL IMAP计划,结合几种定年技术,采用功率谱分析等数学方法进行的研究表明,至少地球气候变化的某些周期类型与地球轨道变化有关。1978年, Pi2sias从深海岩芯中测量了碳酸钙、硅、浮游动植物残骸在巴拿马盆地的累积率。硅的累积率反映近地表特殊类别的生物群落的大小,其值随着气候变化而增加或减小。碳化率则反映了底层水对累积的碳酸盐的溶解能力。Pisias通过功率谱分析,从整个气候记录中抽取最强的周期特征,发现碳酸盐和硅的累积率分别表现出一个2. 3万年和10万年周期,与岁差周期和轨道偏心率周期接近。另外,这些周期也出现在另一站点岩芯的氧同位素记录中。应当指出的是, 在此类研究中, 最具可信度的要属Hays等的研究,他们获取了跨度为45万年的深海岩芯记录,发现了2. 3万年、4. 2万年和10万年周期的气候变化;并认为,在过去的35万年里,这些周期一
般来说都与适当的轨道周期步调一致。至此,越来越多的证据支持米氏理论,地球轨道变化影响气候的观点开始被接受。 最近,在10万到百万年时间尺度上的古气候研究中,有若干重要的发现。1999年, Petit等在《自然》杂志上发表了南极东方站过去42万年大气和气候变化的历史资料,涵盖了最近的4个冰期—间冰期旋回; EP ICA ( European Project for Ice Coring in Antarctica)更将气温距平资料扩展到涵盖最近8个冰期—间冰期旋回的74万年。另外,格陵兰、南极富士丘穹以及我国的古里雅冰芯记录、海洋沉积、黄土和石笋记录等也给出了宝贵的古气候资料。其中, GISP2 (Greenland Ice Sheet Project Two)于1993年6月在格陵兰中心的钻探,得到了最深的北半球冰芯,跨时为10万年。南极富士丘穹(Dome Fuji)站的最新资料跨时32万年。中国国内也有很多类似的古气候变化研究, 包括对孢粉、树木年轮、敦德与古里雅冰芯、石笋以及黄土等地质资料的分析研究。
主要问题与讨论
气候变化轨道驱动的发现,使古气候研究进入了定量探索变化机理的新阶段。然而经典版本的米兰科维奇学说只考虑北半球高纬区的辐射量变化,与新发现的地质记录和热带过程在现代气候中所起的作用相矛盾。
1)一些低纬地区并没有明显的10万年冰量周期,而是以2万年岁差周期为主,表明北半球冰盖的扩张、收缩变化并没有完全控制低纬区的气候变化; 
2)在最近几次冰消期时,南半球和低纬区的温度增高,要早于北半球冰盖的融化,表明冰消期的触发机制并非是北半球高纬夏季太阳辐射;
3)大气CO2浓度在第2冰消期的增加同南极升温相一致,表明该时大气CO2浓度增加亦有可能早于北半球冰盖消融; 
4)南半球的末次冰盛期有可能早于北半球。
当我们讨论米氏理论正确性时,面临的第1个问题是:北半球高纬夏季太阳辐射变化到底在冰期旋回过程中起到了多大的作用? 如果我们承认晚第四纪气候变化的10万年周期主要源于北半球冰盖变化,那么,从10万年周期所分布的范围来看,北半球高纬夏季太阳辐射变化应起到了十分重要的作用,但不是全部作用,因为2万年岁差周期在许多记录中的存在,说明低纬地区(至少是部分地区)气候旋回受局地太阳辐射变化所驱动。因此,如米氏理论所主张的单一敏感区触发驱动机制是不成立的。有的学者根据大气CO2浓度变化有可能超前于冰量变化的现象,主张冰期旋回由CO2浓度变化所驱动。CO2变化曲线目前只有来自南极冰芯,而北
极由于冰芯包含的大气粉尘中碳酸盐含量较高而难以得到可靠的CO2曲线,因此,限制了对轨道尺度大气CO2浓度变化的完整理解。从南极已有的记录来看,很难说CO2浓度变化同温度变化是否存在统一的相位关系,这是因为CO2气体在冰芯中有一封闭深度不甚确定的弱点。因此,只能大致认为全球大气CO2浓度变化同南极气温变化基本同时。如果用太阳辐射变化驱动CO2浓度变化,进而驱动全球气候变化这样的机制来解释晚第四纪冰期旋回,那么我们将不易解释高纬和低纬主导周期不同的现象。因此,将CO2浓度变化视作放大机制而非触发机制似乎更为合理。米氏理论面临的第2个问题是气候信号的放大机制。冰盖扩张(包括海冰)和大气温室气体浓度下降肯定是冰期气候形成的最为重要的放大机制,此外,海平面下降引起的陆地暴露以及植被覆盖面
积和植被类型的变化等陆面过程亦应扮演了重要角色。现在的问题是,我们尚无可靠的手段,来定量评价这些放大机制的相对重要性。气候信号的放大过程亦是其传输过程,这就涉及到讨论米氏理论需面对的第3个问题,即传输机制。过去,北大西洋深层流变化,被视为将北半球高纬信号传输到南半球高纬区最为重要的机制。但南半球在冰消期的增温要早于冰量变化,因此,此传输机制至少在冰消期就不可能存在了。最近,有的学者测定了南大洋沉积的Nd同位素、氧同位素和碳同位素,并将它们分别视作不同源区的深层海水、全球冰量和大洋碳循环的替代性指标,结果发现在末次冰期开始阶段,这三者的相位关系是:冰量变化最早,碳循环次之, NADW 变化最晚。在冰期开始阶段,目前尚无南极气温降低早于北极冰盖扩张的证据,因此,我们尚不能完全排除NADW 在传输北极冰盖扩张信号上的作用。
至此,我们可以基本认定,米氏理论的单一触发机制,已难以全面解释全球晚第四纪气候变化。这就意味着需研制新的理论框架,以解释新的观察事实,因此说,我们正面临新的研究机遇。到目前为止,大部分学者承认第四纪冰期旋回由天文因素引起的地球轨道变化所驱动,争议之处在于太阳辐射总量基本不变的情况下,太阳辐射的纬度配置和季节配置变化通过什么机制驱动如此大幅度的全球气候变化。因为米氏理论的局限性,新的理论假说正在被提出。这里,介绍两派重要的观点。一派为“热带驱动说”。这类假说强调热带的作用,其基本理论框架如下:低纬太阳辐射变化驱动季风变化,季风变化控制地表岩石的风化强度,进而控制到达海洋的硅通量,硅通量控制了海洋硅藻的生产率,进而控制有机碳的沉积,然后通过影响大洋碳循环驱动全球气候变化。这派假说与米氏理论不同,强度了低纬夏季太阳辐射的触发驱动作用,但它还需要进一步解释低纬度变化如何导致高纬冰盖变化的
10万年冰量周期。无论如何,这派假说促使人们更深入地思考热带季风和热带海洋的作用,如果在高低纬相互作用上能延伸一步,它将有可能成为一主导性理论。另一派假说主要为冰消期设计,它从冰消期时南极增温和大气CO2浓度增高超前于北极冰盖融化这个观察事实出发。其具体机制如下:冰盛期时,北半球夏季太阳辐射处于低值,而南半球夏季太阳辐射处于高值,南半球高纬夏季太阳辐射的提高促使南极冰盖外缘及海冰融化,进而使“生物泵”的作用减弱,导致大气CO2浓度开始增高; 与此同时,北极冰盖已达到最大值,形成“海基”冰盖,并处在对温度变化极其敏感的状态(一部分冰盖已在平衡线之下) ,而大气CO2浓度的增高可导致全球升温,从而触发北极冰盖开始融化,北极冰盖部分融化后,由于地壳反弹作用的滞后,冰盖对温度增加的敏感性进一步加强,而此时北半球夏季太阳辐射也开始增加,从而促使冰盖进一步消融。这派假说考虑了南北两半球高纬气候的相互作用,但没有考虑热带的重要性。尽管该假说只涉及到冰消期,但它暗含了一个逻辑推论,即冰期旋回的不同阶段有可能有不同的驱动机制。
米氏理论与低碳经济的关系
近20年,我一直在环境气候科学这个领域工作,与其中的许多科学家都有接触。齐晔:低碳发展特别关注低碳化的过程,而不是西方所强调的一个经济体的碳排放总量或单位GDP碳排放量。　
——访清华大学气候变化与低碳发展政策研究中心教授齐晔 　
“近20年,我一直在环境气候科学这个领域工作,与其中的许多科学家都有接触。对气候变暖,上世纪90年代就有著名科学家一直有质疑;但从科学的角度讲,这是正常现象——允许不同的声音,要求大同存小异,要看共识。” 　虽然哥本哈根气候峰会早已落下帷幕,但“气候变暖”、“低碳经济”却成为全世界最时尚的流行语,全球气候变化成为世人不能回避的焦点;更由于有国外媒体爆料:顶级科学家正在竭力推广“人造的全球变暖说”!一时间人们莫衷一是。究竟如何看待气候变暖问题?气候变暖、低碳经济的提出有什么样的理论依据?中国低碳经济发展的潜力何在?带着一些读者的疑问,《思想者》采访了清华大学气候变化与低碳发展政策研究中心齐晔教授。低碳经济是谁提出来的《思想者》:近年来,低碳经济成为可持续发展规划中一个十分热门的概念。按一般人的理解,所谓低碳经济:就是指以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式。那么,低碳经济的概念最早是谁提出来的?之后是否得到了人们的认同? 　
齐晔:低碳经济概念最初是在2003年的英国能源白皮书《我们的能源未来:创建低碳经济》中提出的。低碳经济的实质是能源高效利用、清洁能源开发,核心是能源技术和减排技术创新、产业结构和制度创新以及人类生存发展观念的根本性转变。 　
这个概念的核心内容,涵盖了技术、产业、制度和观念四个层面。狭义地说,低碳经济是在生产过程和消费过程中以降低二氧化碳排放为特征的运行模式。所谓低碳主要包括两方面含义:一是节能。无论在生产过程中,还是在生活过程中,强调节约使用能源,特别是碳基能源。节能自然涉及提高能效,但仅仅靠提高能效是不够的,还必须减少总的能源需求。二是改善能源结构,降低能源的碳密度,即单位能源中碳的含量。
这个概念一经提出,便得到各国政府、学术界甚至企业界的迅速响应。2006年,英国经济学家斯特恩在《斯特恩报告》中呼吁全球向低碳经济转型。2007年7月,美国参议院提出了《低碳经济法案》以及2009年6月美国众议院通过的《清洁能源与安全法案》规划了美国低碳经济的发展途径和具体措施。加利福尼亚州通过的《AB-32》法案更在州一级制定了低碳经济发展规划。迄今,已有多个国家相继制定了各自的低碳经济发展规划。 　
中国国家主席胡锦涛在亚太经合组织(APEC)第15次领导人峰会上,明确主张“发展低碳经济”;在2009年9月联合国气候变化峰会上,他进一步提出中国要大力发展绿色经济、积极发展低碳经济和循环经济。清华大学成立了低碳能源实验室、低碳经济研究院和气候变化与低碳发展政策研究中心。神华集团成立了北京低碳经济研究院。目前,气候变化、清洁能源和低碳发展成为中美、中欧和中日合作中最为活跃的领域。 
气候变暖的理论依据是什么《思想者》:就在哥本哈根气候峰会召开之际,有国外媒体爆料:顶级科学家正在竭力推广“人造的全球变暖说”!堪称“现代科学中最大的丑闻”。据说迈克尔·曼的报告把“令人尴尬”的中世纪剔除了,因为那一时期的气温比今天还要高,而那是工业革命之前、人类大量排放二氧化碳之前数百年。您怎么看这个问题? 
齐晔:在学术界,绝大多数科学家对全球变暖这个事实应该说没有什么太多的争议;根据科学数据,实际上从18世纪后期,工业革命以来变暖的幅度是相当大的,难以用已知的关于自然变化的理论来解释。 
温室效应这个假说或理论概念并不是最近才提出的,而是19世纪末就提出了。只是温室效应现象现在表现得越来越突出。问题的关键是变暖是什么原因导致的,这有不同的意见。在温室气体的排放中,二氧化碳排放占60%以上,其他还有氮氧化物,水蒸气、甲烷…… 
《思想者》:所谓绝大多数科学家是指哪些人? 
齐晔:政府间气候变化专门委员会(IPCC),这里有3000多名科学家,经过20多年的努力,发布分析报告。你说的那个迈克尔·曼,也是为这里工作的科学家。 
《思想者》:据说,供职于英国东安吉里亚大学的气候研究所(CRU)的科学家菲尔·琼斯,在汇总气温数据时,他“使用了迈克尔的窍门,使每20年的平均气温(变化趋势)符合基思掩饰(气温)下降趋势(的立场)”。而他们提供的全球气候数据成了联合国“政府间气候变化专门委员会”(IPCC)和各国政府所依据的最重要的气温数据。 
齐晔:那个所谓的丑闻很难说是造假,我个人认为,“黑客”窃取科学家个人的电子邮件这本身是不正当的——是以不正当的手段进入人家个人的邮箱,而那里面有一些话,个人认为是曲解了。 
一些对气候变暖理论持怀疑态度的人抓住气候研究中心主任菲尔·琼斯与美国宾夕法尼亚州立大学气象学教授迈克尔·曼的信件中的“窍门”一词,认为琼斯使用“诡计”故意歪曲真实数据以佐证人类活动致使气候变暖的个人观点。我个人认为,实际上科学家用“窍门”(Tricks)这个词是指很聪明的一种方式、技巧,直译就是“小花招”,在过去20年中,我一直在环境气候科学这个领域工作,与其中的许多科学家都有接触。对气候变暖,上世纪90年代就有著名科学家一直有质疑;但从科学的角度讲,这是正常现象——允许不同的声音,要求大同存小异,要看共识。比如说,多数工程师说一座房子要倒,只有几个人说没事,你不能听几个人的,你还是要分析这房子的结构是否存在问题,然后采取预防措施。 
《思想者》:还有一些读者说,地球气候史大约为20亿年。中世纪那一时期的气温比今天还要高。目前全球变暖的结论是基于最近100年的观测数据,这是一个人生的时间尺度。100年对于20亿年来说是如此的微不足道,那么下一个100年气温或许又降低了呢?呵呵,北京当下就遭遇59年来同期最大暴雪袭击。 
齐晔:地球形成于45亿年以前,这个气候在最近的200年是渐渐稳定下来的,那和6500万年前恐龙那个年代肯定不一样。但在这个过程中,地球气候确实有波动,原因也很复杂。比如,有一种理论认为,由于地球绕太阳的轨道相应位置有变化,地球气候与三种天文循环存在着紧密的联系,这被称为“米兰科维奇循环”。米兰科维奇循环包括地球的倾角变化、地球轨道的形状变化以及地球的摇摆度变化三个循环,以十万年为主要周期。根据米兰科维奇理论,这三种天文循环分别影响了太阳对地球的辐射程度,进而共同导致了地球冰川期和间冰期的形成。按米兰科维奇循环理论预测,现在应该是越来越冷,但现在越来越热。那还有人说,气候变暖和太阳黑子的活动有关,有一个11~13年的周期。也有说当一个4~5年周期的“厄尔尼诺现象”发生时,大范围的海水温度可比常年高出3~6℃。太平洋广大水域的水温升高,改变了传统的赤道洋流和东南信风,导致全球性的气候反常。但研究数据表明:排除上述所有这些因素,地球气候变暖仍然是个总的趋势。 
我们说的地球气候变暖趋势的这个理论,科学家已经有一个多世纪的研究了。我个人认为,这个理论是经得住考验的,至于将来会不会推翻,那也不能完全否定。但变暖是一个趋势。 
《思想者》:如何能够确定二氧化碳浓度升高是全球变暖的罪魁呢?中学生都知道,二氧化碳不是一种“污染物”,它是植物不可缺少的养料。澳大利亚地质学家伊安·普利莫尔认为,气候变化是持续的自然过程,在很大程度上由太阳活动决定,人类活动的影响不大。您怎么看这个说法? 　齐晔:我们不是简单说二氧化碳不好,也不是绝对说温室效应不好。没有二氧化碳,植物就没法生长,没法促进光合作用;没有温室效应就更麻烦了,地球太冷,人类怎么生存?我们是说过量的二氧化碳排放,过度的强化的温室效应是个麻烦。 
把二氧化碳排放作为污染物这是特定语境下出现的。这是当时美国最高法院的一个案例。当时马萨诸塞州告美国的联邦环保局——他们认为二氧化碳应该作为污染物处理,但美国的空气清洁法没有把二氧化碳列为污染物,他们希望用法律手段把它列为污染物,进行治理。这个二氧化碳显然和二氧化硫、颗粒物不一样。所以,谈这个话题不能离开特定的语境。 
总之,从几十年到上百年的时间尺度看,全球携手应对气候变暖是很迫切的任务。因为从过去的一个世纪看,气候变暖带来了海平面上升,冰川融化,灾害的增加,疾病的流行,生物多样化的破坏都是越来越严重…… [2]