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黃赤交角的變化:地球在變冷還是變暖?
送交者: 紫荊棘鳥 2013年09月11日06:13:54 於 [五 味 齋] 發送悄悄話

目 前地球到底是在變冷還是變暖,這一直是個爭論不休的問題,而且在中文論壇,我似乎注意到了一個怪現像,就是支持地球變暖的人以傳統意義上的“右派”居多, 支 持地球變冷的則以“左派”居多 ---- 這其中的緣由不外乎是從政治或者經濟角度去考慮問題所致,例如若承認了地球在變暖,這就等價於承認了中國有責任拿出一部分錢出來用於減少二氧化碳等的排放 上去,而這對發展中國家的發展 (例如航空公司價格上的競爭) 是不利的;例如美國施加壓力給中國要求減少碳排放,因為中國已經成了世界上的頭號二氧化碳排放國,另一方面中國卻指責美國的人均碳排放是中國的三倍,等。

所 以我們的討論得排除這種干擾,不討論中國是不是應該參與以及怎麼樣參與控制碳排放,只討論現在地球是不是在確實變暖;以及,如果地球確實在變暖 (或者甚至在變冷),那麼我們人類自身的 contribution 占據多少份量。比較明顯的是,如果人類自身的 contribution (特別是工業化帶來的部分) 所占據的比重很小,那麼除非咱們的 contribution 是壓垮駱駝的最後一根稻草,那麼什麼里約熱內盧公約、京都協議就沒多大的意義。

美 國今年夏天比去年冷,中國比去年熱,這就表明在局部時間局域地區討論地球氣溫的變化沒多大的意義;咱們只能從全球範圍較長時間跨度下去考查。從這個意義而 言,地球的氣溫確實是上升的,這可以從下面的觀測圖中清楚地看出。其中第一個圖是過去一千年的氣溫變化圖 (不同的顏色表示數據取自不同的來源),第二圖描述了自 1880 年以來的全球氣溫變化,取自 NASA-GSFC。



從圖中可以看出,若不考慮過去 100 年,地球的氣溫其實是緩慢下降的,儘管一千年下來也大約只降低了半攝氏度;從 1900 年附近開始,這個總的變化趨勢就改變了,變成了上升,過去一百年內全球氣溫大約上升了 0.7-0.8 攝氏度。


好,真正的爭論來了 ---- 這裡我總結一下來自論壇的爭論,儘管可能有掛一漏萬之嫌,但是好在網絡上比較好的綜述文章不少,例如 wiki 百科的介紹,大家可以參考: wiki: 全球變暖

1) 地球的溫度確實在升高,主要因素是工業文明帶來的溫室效應,它不但抵消/扭轉了百年之前的溫度下降趨勢,而且還使得全球溫度明顯升高;
2) 地球實際上在繼續變冷,小冰河時期 (Little Ice Age) 即將來臨,地球過去一百年的溫度升高只是小冰河時期來臨的前奏曲。

1) 目前是主流,被大部分人 (>= 75%) 所承認,其中包括幾乎所有的政府 (儘管可能有少數政府是因為“大勢所趨”而被綁架的)。這也是過去里約熱內盧公約、京都協議等能簽訂的原因。自然,這裡的“溫室效應”只是個籠統的說法,牽涉的原因很多,例如 主因二氧化碳的排放,還有甲烷,森林和植被的破壞、太陽的周期活動 (周期大約 11 年,以著名的黑子為代表),等。上面給出的溫度變化曲線自然支持 1),因為過去一千年來溫度是下降的,但是最近一百年來它卻突然明顯上升,而且幅度很大,你不能假設這和地球的工業化無關,將這些解釋為巧合。

2) 其實依賴一個假設:假設人類的活動 (例如溫室效應) 和大自然相比,其實是微不足道的,所以有些人 (特別是“左派”) 聲稱“氣候變暖是炒作、作秀”等。不過現在的研究似乎否定了這點,儘管也承認非人類行為 (例如太陽變化理論) 有時也可能起重要作用。拋開這點,我們可以繼續追問:

2a) 有證據表明“地球開始冷化 北極冰層一年擴張六成” (見
example link),儘管這是局域地區局域時間的結果,沒多大的統計意義,但“地球變暖”能否就此現象給個折衷的解釋?
2b) 為啥過去一千年來的總趨勢是溫度下降?

我看這可以從地球的黃赤交角的改變作出些定性的說明。這個解釋沒有在我上面列舉的 wiki 詞條里出現,我有些不解,因為這是個比較明顯的因素。適才不死心狗了
黃赤交角的改變對地球變冷變暖的影響,好像是難以明着找到,所以我這裡羅嗦幾句,試圖就上述“詰難”給個大體上的解釋。

眾所周知,咱們這個地球之所以有春夏秋冬四季,根源在於赤道面 (自轉平面) 和黃道面 (公轉平面) 是不一致的,它們之間有個夾角,稱為黃赤交角,目前這個夾角大約是 23
°26'。現在太陽還在北半球上空,但是再過十來天就是秋分,秋分那天太陽就會在赤道正上空傻呆着......

為啥上面咱們說“目前這個夾角大約是 23
°26'” 或者 23.44° 呢?這是因為受地球的章動 (Nutation) 等影響,黃赤交角是變化的,在 22.1°至 24.5°之間變化,周期是41,000年,目前正在減少。我們可以很粗地用線性估值來看黃赤交角什麼時候會變得最小 ( 22.1°),隨後開始變大:
             T = 20,500 * (23.44 - 22.1)/(24.5 - 22.1) = 11,446

也就是說,以後大約一萬一千多年中黃赤交角都會逐漸變小,直到達到最小值  22.1°。
一萬一千多年對地球而言,不過是彈指瞬間,但對於人類文明史而言,已經算很長了。誰能想像地球一萬年後會被我們折騰成什麼樣子麼?

黃赤交角正在減少意味着啥?很明顯,它直接帶來兩個後果:
1) 太陽輻射向赤道集中,所以赤道和低緯度地區會更熱,南北兩極和高緯度地區會更冷;
2) 地球的平均溫度將降低。

1) 幾乎是不言而喻的,無須解釋,2) 稍微難理解點。通常,地球的大氣層類似個灰體,地表的熱量主要來自太陽的輻射,大氣的熱量則主要來自於地面。考慮極端情形,如果黃赤交角是零,太陽永遠照在赤道上空,這時赤道附近地表的輻射最強,地球將損失最多的熱量;但若黃赤交角很大,例如 90 度
(例如像金星或者天王星),地球吸收的太陽輻射就會比較均衡,而更均衡意味着地表總輻射減少。

假 設將黃赤交角的改變 (不是黃赤交角本身的大小) 記為 a 這樣個小量,那麼地球上某點的溫度改變有可能是 O(a) 或者 O(a^2),等,而地球整體上的平均溫度的改變,應該是 a 的更小一階的量,例如  O(a^2) 或者 O(a^3),等 ---- 當然這只是無關宏旨的估測,即使錯了也無傷大雅。當然,這方面若能得到氣象專家 (例如 coolboy) 的評論,即使是數理級別的那種很粗略的估算,也無疑是很不錯的。

所以,大家看到了麼,黃赤交角的減少恰好表明了:1) 地球整體溫度應該下降;2) 赤道和低緯度地區會更熱,南北兩極和高緯度地區會更冷。

比較幸運的是,我們的工業革命恰好發生在黃赤交角變小這個時期,所以因它導致的地球整體溫度應該下降,部分抵消了二氧化碳等帶來的溫室效應,使得我們能多喘一口氣。如果不幸我們的工業化
發生在黃赤交角增加這個時期,那麼黃赤交角增加會造成地球的平均溫度升高,所以我們會覺得這是雪上加霜,苦不堪言,我們就能看到網絡上的左派和右派就會斗得更甚。


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