北非氣候周期

北非氣候周期有其獨特的歷史，可以追溯到數百萬年前。撒哈拉沙漠的周期性氣候模式的特點是北非季風強度的顯著變化：季風最強時，撒哈拉地區降水將增加，植被也隨之增加，是所謂「綠色撒哈拉」；季風較弱時，降水量、植被減少，這一階段叫做「沙漠撒哈拉」。

最簡單地說，撒哈拉地區氣候變化可歸因於地球軌道參數變化導致的太陽輻照度變化。參數如米蘭科維奇循環理論關注的歲差、轉軸傾角、軌道離心率等，其中對北非氣候周期影響最顯著的是歲差。

MIT於2019年1月發表於《科學進步》的一篇論文顯示，每約2萬年就會完成一次濕潤到乾燥的周期。

## 軌道季風假說

### 提出

19世紀末，Rudolf Spitaler提出地球軌道參數變化引發太陽輻照量變化，是全球季風模式強度長期變化的控制因素，後來氣象學家ohn Kutzbach於1981年正式提出並驗證了這一假說。如今，Kutzbach的觀點已得到了廣泛接受，一般認為是季風長周期的根本驅動力。Kutzbach從未正式命名過這假說，本文如Ruddiman (2001)稱之為「軌道季風假說」。

### 太陽輻照量

太陽輻照量衡量一段時間內一定面積接收到的太陽輻射量，是軌道季風家會所背後的基本因素。由於熱容量的變化，日照最強的夏季大陸比海洋升溫快，而冬季則大陸降溫快。這樣，由海陸溫度差異便產生了風，就是季風。冬季一般更乾燥，所以夏季輻照量對氣候更重要。因此，季風氣候的動植物相取決於夏季降雨量。在十萬年的尺度上，太陽輻照量會根據軌道參數發生非常複雜的周期變化，造成全球季風強度的消長。大量地址證據表明，北非季風特別容易受到輻照量周期影響，但「兩種撒哈拉」的來回突然轉變不能完全由輻照量周期解釋。

### 進動

進動可分為兩部分：一部分由地球自轉軸的擺動造成，即歲差；另一部分是拱線進動。兩者結合後，就形成強的2.3萬年周期與弱的1.9萬年周期的進動。

研究發現，北非季風強度變化與強2.3萬年周期密切相關。進動會影響半球接收的輻照量，北半球輻照量將在近日點面向太陽時達到最大。根據軌道季風假說，輻照量的最大值會增加北半球季風的強度。

### 傾角

轉軸傾角是指地軸與軌道平面所成的角度。目前轉軸傾角約為23.5°，但由於地球質量分布不均，以及與太陽、月球、其他行星之間的引力作用，轉軸傾角會變化，以4.1萬年為周期在22.2°和24.5°之間變化。

東地中海岩芯的風蝕沉積中發現了轉軸傾角對北非季風強度影響的證據，需要複雜的反饋機制來解釋，因為傾角對輻照的最大影響出現在較高緯度地區。有兩種可能：其一，傾角較大時，南極到赤道之間的溫度梯度在北半球夏季較大，使得北非季風增強；第二種理論指出傾角與熱帶的緯度範圍有關。熱帶的緯度範圍大致由熱赤道的最大漂移路徑確定，位於北回歸線與南回歸線之間；而傾角變化時，熱赤道的總體漂移路徑將在22.2°與24.5°之間移動，可能影響北非夏季季風前線的位置，也就影響了季風的總體強度。全球大氣-海洋-海冰完全耦合氣象模型進一步證實了緯度對北非季風的影響，進動和傾角變化可通過輻照量反饋共同增加北非的降水量。

### 離心率

軌道離心率是地球軌道偏離圓的程度。完美的圓的離心率為0，拋物線則是1。地球有兩個離心率周期，分別為10萬年和40萬年。地球離心率在0.005到0.0607之間變化，如今地球軌道離心率約為0.0167。雖然離心率數值確實會影響地日距離，但對輻照量的主要影響來自對回歸周期的調節。例如，軌道離心率較大時，夏季將更熱，冬季將更冷，年日照梯度更大。

與傾角一樣，離心率也不是影響北非季風的主要驅動因素，而會調節進動造成的輻照量振幅。東地中海風蝕沉積中，可以發現離心率對進動確實存在調節：赤鐵礦通量較低與較高的時期分別對應於10萬年和40萬年的離心率周期。這表明，離心率與進動的周期重合時，北非季風前線向北推進得更多。全球大氣-海洋-海冰完全耦合氣象模型也顯示了離心率對進動周期的調節作用。

### 滯後

軌道季風假說的一個關鍵問題是，對氣候記錄的詳細研究表明，觀測到的北非季風最大值比預測的最大值滯後了約1到2千年。類比現代氣候，太陽輻射峰值大約出現在6月21日（夏至），但夏季季風的峰值出現在1個月後的7月；季風最大值的一個月滯後期應大致滯後1500至2000年，因為在1.9至2.3萬年的前向周期中，7月的日照最大值大約出現在6月的日照最大值之後1500至2000年。還有兩種解釋：其一，亞熱帶季風的發展受極地冰蓋緩慢融化的影響，因此在極地冰蓋萎縮、對季風幾乎不再影響之前，不能觀察到季風的全部強度；其二，冰川遺留的較冷海水是更弱的水汽來源，可能會拖慢全球季風的發展。

## 支持證據

### 腐殖泥

腐殖泥是富含深色有機物的海洋沉積物，按重量計有機碳含量超過2%。東地中海腐殖泥層的年代與進動周期中日照最強的時期一致，可以這樣解釋：日照充足時北非季風增強、向北推進，導致尼羅河中上游降下大雨，大量富含營養物的淡水排入東地中海，造成陡峭的垂直鹽度梯度。因此溫鹽環流被切斷，海水變得穩定分層。東地中海的底水很快就會缺氧，而從表層水湧入的有機物便以腐殖泥保留下來。將腐殖泥與尼羅河流量相聯繫的關鍵證據之一是，腐殖泥在間冰期與冰期都出現了，因此一定是與尼羅河有關，而非消融的冰川融水。

### 古湖泊

地質記錄中可以發現和解釋撒哈拉的古湖。它們在進動接近日照最大值時充滿，接近日照最小值時乾涸。最大的古湖是大查德湖（Lake Megachad），鼎盛時期深173m，面積約40萬km2。如今，它的遺蹟形成了查德湖，最大水深11m，面積僅1,350 km2。古湖岸線衛星影像顯示，查德湖流域曾有兩種風向，一種是東北風（與今日一致，是弱季風特點），一種是西南風（具有強季風特徵）。

### 淡水硅藻

研究發現，熱帶大西洋的岩芯中有明顯的淡水硅藻Aulacoseira granulata沉積，以2.3萬年為周期出現，滯後於進動日照最大期約5到6千年。在日照最大期前後，北非季風最強，撒哈拉地區被大型季風湖占據；之後日照逐漸減少，季風減弱，湖泊消亡，含有淡水硅藻的沉積物暴露出來。冬季盛行的東北風到來時，湖床上的沉積物便像塵埃一樣被捲起，並被帶到上千公里外的熱帶大西洋中。因此這一滯後也顯然了：北非季風必須要足夠弱，季風湖才能幹涸，使硅藻沉積物出露。從物種鑑定可見，非洲西海岸一些岩芯顯示出淡水湖泊與合流硅藻物種的混合，因此要使岩芯準確代表撒哈拉硅藻周期，就要從離岸足夠遠的熱帶大西洋中採集岩芯，才能最大限度減少河流影響。

### 大西洋東赤道上升流

觀測到的大西洋東赤道上升流區強度變化也能支持北非季風周期，受進動調節。北非輻照達到峰值時，大西洋赤道海區商空的東信風會向撒哈拉地區強烈偏轉，削弱了上升流區，導致遠洋帶海溫升高；另一端，北非輻照達到谷值時，東信風偏轉相對更弱，因此上升流區仍很強，遠洋帶水溫較低。上升流周期性消長的模式可見於海洋沉積物岩芯的浮游生物沉積，暖水與冷水浮游生物的相對豐度以2.3萬年的周期變化，與輻照周期吻合。

## 非洲濕潤期

### 氣候學

非洲濕潤期在距今1萬4800至5500年前，是最後一次「綠色撒哈拉」。非洲濕潤期撒哈拉地區的條件由強烈的北非季風主導，年降水量遠比今日大。那時北非的植物相與今日完全不同，例如撒哈拉地區的大部分都是草原，而今日撒哈拉地區主要是沙漠。非洲濕潤期的另一特點是撒哈拉的巨大水道網，由大型湖泊、河流與三角洲組成。4個最大的湖泊是大查德湖、大費贊湖、Ahnet-Mouydir湖和Chotts湖。大河有塞內加爾河、尼羅河、Sahabi河和Kufra河。河湖系統為人類等很多種動物提供了穿越撒哈拉的通道。

### 開始與結束

非洲濕潤期始終之時的地質證據表明，開始和結束都很突然，可能發生在幾十年到幾百年的時間尺度上。非洲濕潤期的開始與結束都發生在太陽輻照比現在高出約4.2%時，不過日照輻照過於漸進，不可能單獨導致氣候突變。因此提出了幾種非線性反饋機制，如植被-大氣相互作用。植被-大氣相互作用模型顯示，它們能模擬「兩種撒哈拉」之間的快速過渡，因此可能存在一個植被-日照閾值，達到閾值就會從「綠色撒哈拉」迅速切換到「沙漠撒哈拉」，反之亦然。