地球軌道變，氣候會怎樣？

1.在人類活動並不成為威脅的地質歷史上，氣候為什麼也會劇烈變化？

常言道“以史為鑑，可以知興替”。“史”不僅僅是短暫的人類文明演化歷史，更是漫長的地球自然變化史。

經過多年的研究，科學家們發現，適合人類生存的温暖氣候並不是一直存在的。約270萬年前，隨着北半球大陸冰蓋的逐漸發育，氣候系統開始經歷萬年尺度為週期的冷暖交替，即冰期-間冰期氣候旋迴。在每次的冰期旋迴中，温暖濕潤的氣候環境僅僅持續幾千年，而剩下的幾萬年中地球幾乎一直處在一個有大陸冰蓋存在的寒冷冰期。

早在20世紀初，南斯拉夫學者米蘭·柯維奇就指出，地球軌道引起的北半球夏季太陽輻射變化是驅動冰期旋迴的主因。地球軌道變化由三個主要參數控制，即軌道偏心率、地軸傾角和歲差，其對應的週期分別為約10萬年和40萬年、4.1萬年、2.1萬年。因此，若氣候變化存在與地球軌道相仿的週期信號，則米氏理論可信，這最終由J.D.Hays等人於1976年通過分析髙分辨率和長時間尺度的深海巖芯證實，為進一步探索冰期氣候的演變規律指明瞭方向。

在冰期-間冰期氣候旋迴背景下，氣候系統同時經歷着一系列的相對高頻的氣候波動。在20世紀80年代初，W.Dansgaard和H.Oeschger等人發現格陵蘭島冰芯中的氧同位素記錄了末次冰期一系列千年時間尺度、冷暖快速交替的氣候波動，經後續近十年的研究，於20世紀90年代最終確認了該氣候波動是真實存在的氣候事件，意味着氣候系統的演變有着明顯的非線性過程，增加了我們預測當前人為二氧化碳排放如何影響氣候變化的難度。為了紀念這兩位科學家的貢獻，這些千年氣候事件被稱為Dansgaard-Oeschger（DO）事件。

在DO事件中，北半球高緯度地區的年均氣温，可在數十年內變化8-16℃。那麼地球的其他地區是如何響應的呢？E.Corrick等人在2020年的一篇記錄與模型融合的論文中指出，DO事件並非只是格陵蘭島的一個局地氣候現象，而是一個具有全球同步性的氣候事件：在北半球高緯地區發生温度突變的同時，熱帶季風系統（南美季風，非洲季風和亞洲季風）、南大西洋的海温等都同時做出相應的調整。

在氣候寒冷的冰期，並沒有人類活動的影響，那是什麼原因造成了這些劇烈的氣候突變呢？W.Broecker等人在20世紀80年代就已指出，氣候突變的主要原因與大西洋經向環流的變化有關——大西洋經向環流可以攜帶熱帶和南半球的熱量到北半球高緯度地區，當該環流發生大幅減弱或停滯時，將導致徑向的熱輸送大幅度下降，引起北半球高緯度的顯著降温；與此同時，由於熱量的堆積，南半球則逐漸升温——這一觀點在隨後30多年的持續研究中得到普遍認可。

那麼，是什麼原因導致了大西洋經向環流發生改變？目前，科學家們主要認為是氣候系統的內部變化導致的。例如有學者提出，可能與海洋環流的內部變率有關，或是由北半球的冰量或者北大西洋的海冰的消融所致；也有學者認為大氣二氧化碳濃度和南半球中緯度西風帶的變化也起到積極的作用。

2.軌道偏心率、地軸傾角和歲差，是否有可能引發氣候突變？

萬物生長靠太陽，地球氣候變化亦是如此。當地球繞太陽運動軌道的幾何形狀發生變化時，地球表面所接受到的來自太陽的輻射能量也隨之發生改變，進而造成地球上氣候發生相應的變化，例如前文提到的冰期-間冰期氣候旋迴。

早在1999年，J.McManus等人就在一篇記錄方面的文章中提出了冰期放大的觀點。他通過研究北大西洋沉積物中浮冰碎屑含量變化發現，過去50萬年的五個冰期旋迴中，每當北半球冰量超過一定臨界閾值時，會出現顯著的千年尺度氣候突變事件。

中國科學院青藏高原研究所的科學家領導的研究團隊在2014和2017年的數值模擬工作中，從動力機制角度系統地闡述了冰期放大的原因——北半球冰蓋高度變化可控制中緯度西風帶的位置和強度，進而影響北大西洋灣流強度和南拉布拉多海的海冰輸運，導致大西洋經向環流更易受氣候擾動（例如<20ppm的大氣二氧化碳變化）的影響，觸發氣候突變。

根據米氏理論，冰期旋迴中氣候背景的變化（例如冰量）與軌道驅動的北半球夏季太陽輻射聯繫密切，這説明軌道變化可通過氣候系統的內部反饋（例如冰量變化）調製氣候突變事件的發生，即地球軌道對氣候突變的間接調製。簡單地説，地球軌道的改變引起了地球冰蓋、特別是北半球冰蓋大小的變化，其通過與其他系統（例如海洋-大氣系統）的相互作用，進而影響大西洋經向環流對氣候擾動的敏感性，最終導致氣候突變在冰期的頻發。

前面説過，地球軌道的變化由軌道偏心率、地軸傾角和歲差三個主要參數控制。那麼，哪個因素比較重要呢？

2010年，M.Siddall等人通過研究南極冰芯温度記錄發現，過去50萬年冰期的千年氣候變率強度與歲差週期（約2.1萬年）有顯著相關性，並遠強於其與北大西洋融冰事件的相關性，由此他們認為，歲差變化可能調控氣候突變事件的發生。2016年，西安交通大學程海等人通過對60萬年來的中國石筍氧同位素記錄分析，發現北半球夏季太陽輻射量的變化與千年尺度氣候事件在歲差和地軸傾角週期有顯著相干性。

這些研究將這一領域縱深推進，但對於有着萬年以上變化週期的地球軌道變化，是否無須通過改變地球內部環境就可直接觸發千年時間尺度的大西洋環流的驟變？

科學家們對這一問題仍不清楚。造成這一局面的主要原因是，太陽輻射驅動的地球內部氣候背景變化與千年尺度氣候事件一直是協同演變的，共同塑造了過去幾百萬年來的氣候演變特徵。而古氣候重建記錄本身作為氣候演變的綜合產物，並不能用於區分太陽輻射和氣候背景變化兩者各自對千年事件的影響。換句話説，我們並不清楚氣候突變究竟是太陽輻射變化導致的，還是由軌道驅動的氣候內部變化引起的，兩者在這一系列千年事件中各自的貢獻尚不清楚。

3.新動力模型——地球軌道變化對氣候突變有雙重調製作用

為了解決上述難題，以中國科學院青藏高原研究所的科學家領導的科研團隊，利用先進的複雜氣候模型，系統地闡述了地球軌道變化直接驅動千年氣候事件的動力機理。這篇論文已在線發表於國際地學期刊《自然·地球科學》。

團隊選取末次冰期第5、6、7次千年事件（過去四萬到三萬兩千年之間）作為研究對象，開展數值模擬研究。這是因為這些突變發生的時期，全球冰量和温室氣體並無顯著的變化，可有效排除地球內環境變化對氣候突變的調製。

基於此，研究者們在開展這段時期的氣候瞬變模擬試驗時，僅將地球軌道參數的變化作為氣候試驗的強迫因素，而其他所有的環境變量（例如冰量、温室氣體等）均保持不變。該試驗設計的優勢是可直接診斷軌道變化對大洋環流的直接影響。試驗中，大西洋經向環流出現類似於古氣候重建資料中的千年尺度震盪，其所引起的全球温度和降水變化也與重建記錄有較好的一致性，在複雜氣候模型中首次證實了地球軌道變化可直接驅動氣候突變。

研究人員又進一步採用軌道參數的單一強迫試驗，即僅改變地軸傾角或離心率和歲差，定性不同軌道參數變化對氣候突變的影響。

研究發現，歲差的變化可通過影響北半球低緯地區的夏季太陽輻射量，調節大氣水汽從大西洋向太平洋的輸送強度，進而調控北大西洋的海表鹽度。大西洋海表鹽度的變化通過影響北大西洋深層水生成的強度，觸發大西洋經向環流的突變。同時，地軸傾角可通過影響北半球高緯地區的年平均太陽輻射變化，調控北大西洋深層水生成區的海水温度以及海冰面積，進而影響表層海水垂直混合的強度，引起這些突變。

這一系列的數值模擬試驗證實了在寒冷的冰期單一軌道參數變化也可直接造成北大西洋海洋環流的突變—即地球軌道的變化不僅可以通過影響冰蓋大小等方式間接調控氣候突變的發生，也可通過影響海洋-大氣系統直接觸發氣候突變。

科學家們並未止步於此。他們進一步開展了基於不同氣候背景下的軌道參數敏感性試驗，以此釐清冰期旋迴中地球軌道的這種直接與間接調製如何協同影響千年氣候事件的發生，並總結出一個闡述軌道雙重調製的動力概念模型：

在冰期旋迴過程中，當氣候背景類似於末次盛冰期或者末次間冰期暖期時，地球軌道的變化無法直接觸發氣候突變，因為盛冰期北半球的大冰蓋和間冰期最暖期的高温室氣體濃度導致大西洋經向環流的基本態（即不受外力擾動情況下的狀態）較為穩定，對外力擾動的敏感性較低。

而當氣候背景進入到兩者之間時，即當冰量和温室氣體處在盛冰期和間冰期最暖期之間的中間位置時，軌道變化可直接引起千年尺度的氣候自震盪；自震盪可在某一特定的軌道參數範圍內持續存在，直到軌道參數移出該特定的範圍（這個特定範圍可稱為千年氣候事件的“機會窗口”）；而與此同時，地球內部氣候背景的變化（例如全球冰量和大氣二氧化碳濃度），可改變“機會窗口”在軌道週期中出現的位置——當北大西洋處於一個偏冷（暖）的冰期氣候背景時，“機會窗口”可能出現在地軸傾角或地球歲差的高（低）值區。

通過這些研究，我們可以確定：自過去270萬年以來，更新世所發生的千年氣候事件很可能是地球軌道變化雙重調製的結果。當然，該研究領域依然還有深入研究的空間，例如，軌道尺度氣候變化（冰期旋迴）和千年尺度氣候突變如何協同作用塑造了古氣候資料重建中所記錄的更新世以來的氣候演變，還需通過更為先進的地球系統模型（例如含冰蓋動力過程）做進一步研究。

探尋過去氣候變化的原因，嘗試揭示不同時空尺度氣候過程的協同作用對氣候變化的影響，並不僅因為好奇。以史為鑑，以知興替。只有努力掌握氣候演變的規律，才能更好地預測和應對未來的氣候變化，指引人類可持續發展的方向。

（作者：張旭，系中國科學院青藏高原研究所研究員；劉曉倩，系該所工程師）