从仰望星空到春风又绿丨大气悟理

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编者按:看寒来暑往云卷云舒,思古往今来气候变迁,中科院之声与中国科学院大气物理研究所联合开设“大气悟理”,为大家介绍大气里发生的有趣故事,介绍一些与天气、气候和环境相关的知识。

在我们日常印象中,地球自转一圈就是一天,公转一圈就是一年,但我们在中学时候就学过,“年“的算法有两种,而且不同的算法会得到不同的结果,你还记得吗?

岁差:你的一年我的一年好像不一样

岁差是中西天文学史上非常重要的一个概念:岁,年也,岁差即年差,是指回归年与恒星年的时间差。回归年是指太阳连续两次照射春分点的时间间隔,一回归年为365天5小时48分46秒。恒星年是指地球绕太阳一周的时间间隔,一恒星年为365日6小时9分10秒。如下图所示,回归年是太阳两次直射红星的时间间隔,恒星年是地球两次经过A点的时间间隔。

(图片来自网络)

看到这里你也许会奇怪,似乎恒星年和回归年都是地球绕太阳一圈并没有什么区别呀,为什么回归年的时间短于恒星年呢?

这是因为我们的地球自转轴在空间上会不断发生变化,而非一直保持固定的方向(也叫地轴进动,其运动与陀螺旋转轴类似)。于是地球上二分二至点(春分秋分,冬至夏至)不是一个固定点,而是在公转轨道上不断西移,这就导致了地球公转一圈不等于太阳直射点纬圈变化一周。举个例子,我们从操场上一点出发想要回到原点需要绕操场一圈,但是现在原点也朝着我们的方向移动,于是我们再次回到起点时并没有跑完原来的一整圈操场,所用的时间随之缩短。

(图片来自网络)

岁差是天文研究领域中一个重要的课题,公元前二世纪,古希腊天文学家喜帕恰斯在编制恒星星表时,发现他测出的星位与150多年前人测出的位置有变化,他认为是春分点沿黄道后退所造成的,被认为是岁差现象的最早发现。东汉末年贾逵已察觉到天周与岁终的微小差异,晋成帝时(公元330年),虞喜发现“则知每岁渐差之所至“,他推算出冬至 日50 年西移一度, 这就是岁差一词在我国的创立。

在地球上标记一个刻度,从太阳直射这个刻度到转一圈后再直射这个刻度的时间间隔为一回归年。由于地轴进动,这个刻度在一个回归年内顺时针转了一个小角度b,所以太阳只需要转360-b的时间就是一个回归年,这个差值就是岁差。(图片来自网络)

岁差:请大家跟我一起摇摆

虽然发现岁差代表着人类对自然规律认识进一步加深,但如果不是从事天文学研究的话,这20分钟左右的误差似乎和我们的日常生活没有什么关系呢。如果你也这么认为,那就错了。按照米兰科维奇的天文气候学理论, 地球轨道参数 (偏心率、地轴倾角及岁差) 改变引起的太阳辐射随纬度和季节的周期性变化是千年至万年尺度气候变化和冰期旋回的根本驱动力。

(图片来自网络)

我们目前最为关注的气候变化问题是大气层顶部接收到的太阳辐射与地球大气圈、水圈、生物圈及冰雪圈共同作用的结果,其中,地球接受到的太阳辐射是全球气候变化的主要外强迫因子。岁差的存在显著影响了地球接受太阳辐射的季节差异,并且对南北半球的影响是相反的。前人研究了过去30万年以来轨道参数引起的太阳辐射量变化时间序列,发现当岁差参数处于最小值时, 北半球夏季日射极大而冬季日射极小,南半球夏季日射极小但冬季日射极大;岁差参数最大时则刚好相反。

过去300 ka以来轨道参数引起的日射量变化序列

随着太阳辐射量的变化,南北半球之间的温度梯度以及海陆间的温度梯度都会产生季节反向,全球大尺度大气环流随之发生变化,这也会引起降水的季节性循环。比如我们很熟悉的季风系统,就是由于大气环流季节变化出现的一年又一年持续性循环翻转。

大气物理研究所黄刚研究员与博士生丁兆敏用气候模型模拟了地球轨道参数对热带降水季节循环的影响,他们发现岁差减小会使得热带降水的季节循环提前,北半球季风期缩短,南半球季风期延长。他们从能量角度分析,认为4-6月(10-12月)有向南(北)的跨赤道能量输送,对应热带降水向北(南)移动,从而导致热带降水的季节循环提前,同时影响了南北半球季风的起始时间。

PHTH试验(高岁差高倾角)中 (a) 降水和 (b) 海表面温度年循环的EOF1空间模态,和对应的(c) 降水和(d) 海表面温度标准化PC1 (黑线)以及PLTH(低岁差高倾角)与PHTH的差

岁差作为一种天文现象是客观存在,在发现岁差现象以后的2000多年时间里,人们一直关心的是它在历法方面的意义。因为岁差虽然每年仅差20分钟,但这种变化是持续性的,如果依然沿用2000多年前的历法那么和实际的春分点已经相差30天左右,这将对人们日常生活产生大的影响。所以《黄帝历》、《颛顼历》、《夏历》、《殷历》、《周历》、《鲁历》等所用上元和岁首就各不相同,《尚书•尧典》、《淮南子•天文训》记载的分至点也都不同。

春分点星座变化(图片来源网络)

“有两种东西,我对它们的思考越是深沉和持久,它们在我心灵中唤起的赞叹和敬畏就会越来越历久弥新,其一是我们头顶浩瀚灿烂的星空。”随着人们对自然界的探索不断加深,对岁差的研究扩展到历法和天文以外的领域。最近20多年来人们对岁差驱动的热带季风变化已经取得了越来越深入的认识和理解,但是岁差引起的太阳辐射强迫具体通过怎样的物理过程和机制来影响地球气候还需要更多的研究。浩渺星空与我们之间的距离和联系,也许并没有想象的那么远。

(图片来自网络)

参考文献:

2.罗树元,论“岁差“,1987

3.刘晓东 石正国,岁差对亚洲夏季风气候变化影响研究进展,2009

来源:中国科学院大气物理研究所

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