太阳能量密度和四季

我们先来看看地球四季的温度变化是怎么形成的。

在这里，我们引入一个太阳光在地球表面的能量密度的概念，能量密度就是单位面积接收到的太阳光的量。同样量的太阳光照到大的面积上的能量密度，比照到小面积上的小。

为了更好地理解地球的倾斜如何影响到达地球不同地区的光能大小，让我们来做一个简单的实验。在手能触碰到的地方放一张白纸，用手电筒照向它，你会看到一个光卷。慢慢将白纸倾斜，同时保持手电筒的位置不变，观察这个光卷发生了怎样的变化。

这个光卷变成了椭圆形并且越来越扁。手电筒射出的光量是一样的，但是现在它能照亮白纸上更大的区域了，在这种情况下白纸上光的能量密度就变小了。

地球两极内的地面由于倾斜着朝向太阳，单位面积接收到的能量比正面对着太阳的赤道要小，所以两极冷、赤道热。

地球是永久倾斜的。它的旋转轴从北极贯穿到南极，并没有和公转轨道垂直。由于这种倾斜，地球的一个地方在一年的不同时间里的太阳光能量密度是不同的，由此产生了春夏秋冬四季。

当地球北半球公转到倾向太阳的位置时，接收到的太阳光的能量就比远离太阳的南半球多，这时候北半球就是夏天，而南半球就是冬天。

离太阳距离变化的影响

米兰科维奇首先注意到地球围绕太阳转动的轨道形状。在很长的一段时间里，它从近乎完美的圆形变成了椭圆形。米兰科维奇推测地球轨道从近乎完美的圆形到椭圆形，再变成近乎完美的圆形，需要10万年的时间(科学家把地球公转轨道的偏移程度称为“离心率”)。

如果地球是唯一环绕着太阳的行星，它的离心率即使经过数百万年也不会有感觉得到的轻微变化，但太阳系还有其他7大行星，地球轨道离心率的改变主要是因为受到木星和土星不同引力的交互作用的影响。

在米兰科维奇的理论中，地球轨道的形状为什么这么重要呢?因为地球轨道形状的改变，会使地球相对太阳最远的位置和最近的位置发生变化。地球离太阳最近的位置叫作“近日点”,最远的位置叫作“远日点”。米兰科维奇坚定地认为，“地球轨道的离心率对冰的形成和融化发挥了很大的作用”。米兰科维奇是对的，据科学家估计，当地球轨道变成最大的椭圆形状时，地球的某个点在近日点接收到的光能比在远日点多出20%以上。

由此可以看出，轨道是椭圆或者圆，可以影响四季的温度变化。

那么,地球进入冰期就是由轨道离心率决定的吗?事情没有那么简单。

地球自转轴倾角的变化

米兰科维奇还考虑到地球自转轴线的倾斜度。在4.1万年的时间里，地球的轴倾角从21.5°变成24.5°,然后又回归到21.5°。现在地球的轴倾角是23.4°。米兰科维奇认为，地球的轴倾角在冰期是有一定的作用的。在轴倾角最小，也就是只有21.5°时，赤道和极地的光能相差很小。但是在轴倾角达到24.5°时，二者之间的差距就增大了。

轴倾角是造成四季变化的主要原因，轴倾角的大小不同，造成四季温度变化程度的不同。轴倾角越大，四季就越分明，尤其在高纬度地区，受到的太阳辐射量的冬夏差异越大(如第67页图片所示)。

最后，米兰科维奇考虑了地球摆动的影响。因为太阳和月球的引力的原因，地球的转轴指向会在空间中发生缓慢且连续的变化。(你可以将地球当作一个转动逐渐减速的陀螺，见下图。)在地球摆动的周期里，轴线指向太空中不同的方向。

现在转轴的北方指向北极星，但是在1.2万年以后，将会指向织女星，之后它又回指北极星，整个周期大概在2.1万年到2.6万年之间。

相对于自转轴倾斜，地球摆动导致的结果要复杂得多。在周期的某个阶段，一个极半球的季节有着较大的变化，而另一个极半球的季节则变化较为温和；在另一个阶段，又会出现南北半球季节变化都较为温和的情形。

影响因素的叠加

了解了影响四季变化的因素后，米兰科维奇就可以分析它们是如何影响冰期的。

米兰科维奇的理论基于一个简单的想法：如果冰川的尺寸不断增大，那么冰形成的速度肯定比冰融化的速度要快。

什么情况有利于冰的形成呢?他的推论是，如果四季变化比较小，也就是冬天比较暖和，即到达极地冰盖的光能密度比较大。这使得北极的温度升高，温暖的空气带来了更多的水分和降雨，更多的雪花飘落；雪花落在冰川顶部和冰层顶部，最后也变成了冰。相应地，更重要的是，夏天的温度相对较低，导致冬天积累的冰雪融化得较少。夏天熔化的冰量小于冬天积累的冰量，冰川就会慢慢成长，让地球进入冰期。

当然，冰川形成需要很多年，可不只是一年或几年的事儿。而且，你可以想象，上面的三个影响因素，有时候一个因素让地球温度上升，同时另一个因素却让地球温度下降，那么这两个因素的影响会相互抵消。

只有找到这些因素各自的规律，把它们的贡献叠加起来，得到规律性的变化，才能解释地球冰期的形成。

米兰科维奇找到了这三个因素叠加的一个特殊的时间点，在这个点上，它们有同一方向的影响，为冰川的形成创造了完美的条件。比如：

北半球冬天来临的同时，地球在离太阳最近的近日点，地球的轴倾角最小，这些都有利于冰期的出现。在这样的年头里，形成的冰总比融化的冰多，经过许多年后，冰川和冰层越积越厚，直到它们逐渐向南延伸，扩散到北半球的大陆上。

值得注意的是，北极附近地区因为有大量的陆地，容易积累冰层，所以米兰科维奇强调了这个敏感区，即北半球高纬度地区。敏感区内的冰积累后，由于冰雪的高反射率，其冰川信号被进一步放大、传输，进而影响其他地区。后来有科学家指出，北纬65°地区是最敏感的地段，最容易触发冰川的形成。

冰期是什么样的呢?以历时数万年而在1万年前才刚结束的上一次冰期为例，平均而言，全球气温比现在我们习惯的要低5~6℃，大量的冰雪封存在高纬度的陆地上，除今天仍然封冻在厚达数千米的冰层下的南极洲大陆和格陵兰岛外，还包括北美洲和欧洲北部，海平面因而比现在要低130米之多!其后，冰期结束，陆冰融化流入海洋，只花了2000~3000年，海水便上升成现在这样。