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太陽每2億年繞銀河系一周,地球氣候是不是2億年億個周期?
2023/04/01

這是個有趣的猜想。

圖示:太陽系繞銀心公轉的周期大約為2.3億年,距離銀心的距離為28,000光年。

不過,首先地球的大氣候有周期嗎?

答案是肯定的。

地球在這數十億年間的的確存在一個大氣候的周期性變化,概括來說就是大冰期——解凍期的周而復始。那麼這個大氣候變化的周期是以兩億年或更精確一些2.3億年左右為周期嗎?

遺憾的是,冰期——解凍期并非以2.3億年為周期,目前也尚未發現任何簡單的數字規律。

地球在歷史上曾不斷陷入冰期和解凍期,氣象學家認為自己已經基本了解冰期和解凍期的成因。

地球最顯著的大氣候變化就是在 溫暖濕潤——冰河時代之間不斷地循環,人類正是在 第四紀大冰期中的一個相對溫暖的時期中崛起的,但南北極依然被冰雪覆蓋,這正是冰川時代的象征。至于大冰期中的溫暖期,則被稱為間冰期。雖然,全球暖化在最近萬年來看是一個事實,但即便如此還沒有人敢說,地球大氣候的趨勢已經走出第四紀大冰期呢!

圖示:南極大陸至今被掩埋在厚厚的冰層之下。如果地球大氣候進入溫暖濕潤期,那麼南北極的冰都將消失殆盡。

地球上處處都有冰川遺留的痕跡,就在數萬年前,現在的國際都市紐約市還深埋在千尺高的冰川之下。

圖示:伍德黑文森林公園內冰川消退后遺留的巨石,這是由冰川運載而來的。

地球所經歷的大冰期和成因

地球氣候在溫暖濕潤-大冰封,甚至冰封全球間振蕩的主要原因有:

1、植物的光合作用,大量消耗溫室氣體二氧化碳和甲烷

2、地質變化如火山地震等釋放二氧化碳到大氣層中增加溫室氣體含量

圖示:火山爆發對氣候的影響具有兩面性,巨型火山爆發常常造成短期內全球降溫,但長期來看,火山爆發釋放出的大量二氧化碳有助于全球升溫

3、地球和太陽的復雜關系也是引發地球氣候變化的重要因素。

圖示: 地球自轉傾角的周期性變化

地球的自轉角度與地球繞太陽公轉的軌道不是90度,而是存在一個角度差異,這個差值被稱為地球自轉傾角(轉軸傾角),而這個傾角并非固定不變,而是以大約40,000年為周期從極大值24.5°往極小值21.1°周而復始的發生變化,當前地球的自轉傾角為23.5°。地球的自轉傾角是東西半球擁有四季的根源,而傾角的變化,也將影響地球接收太陽能的多少。

此外,在太陽的引力下,地球還會發生軸向進動現象,這是因為太陽的引力試圖將地球的自轉傾角消除造成的效果,該周期大約為26,000年。

圖示:地球的進動。

這種進動導致地球南北極點連線指向不同的星辰。在15000年前,北天極指向織女星,但現在則是北極星呆在北天極。「北極星」在一夜之中近乎保持不動,而其它星星似乎都在圍繞它旋轉,由此形成星軌照片。

圖示:朝著北方的夜空拍攝延時星軌照片,會發現有顆星星近乎保持不動,那顆星就是星軌的核心,也就是俗稱的北極星。星軌是地球自轉的最簡單證明。

最后,地球圍繞太陽的公轉軌道也并非一成不變,而是以每十萬年為周期,從橢圓軌道變化為近圓形軌道。

圖示:這張示意圖演示了地球太陽之間的三重復雜關系

這些長周期變化都將在一定程度上影響地球上的四季分布以及地球的氣候,可能和大冰期中出現的間冰期(相對溫暖)有關。

4、太陽的熱輻射逐漸增加: 每十億年大約提高10%,最終將烤干地球。

地球上的生命大概最多還能維持十億年,雖然太陽的壽命還有五十億年。但地球上的生命等不到那一天了,隨著太陽亮度的升高,地球上的海洋最終將沸騰,地球表面將喪失液態水,地球也將從宜居星球變成炎熱的地獄。所以,雖然此前數十億年中,地球反復經歷冰期和解凍期,但在數億年后,隨著太陽輻射的增強,地球上將再也沒有冰期——解凍期這樣的循環,人類必需趕在大海沸騰之前,找到新的出路。

圖示:當前地球位于太陽系的宜居區中,平均地表溫度既不高也不低,允許液態水存在。但隨著太陽光度的提高,宜居區也就會向外擴展,內圈變得炎熱,地表溫度超過水的沸點,而曾經寒冷的外部星球的平均地表溫度將升高到允許液態水存在。

現在,讓我們來看看地球的五次大冰期。

地球的五次大冰期

有確鑿的證據顯示,地球已經經歷了五次大冰期,它們分別是:

新太古代大冰期,24億年開始,21億年前結束,持續時間長達三億年。

這次大冰期是地球經歷過的最嚴重的寒冷時期,整個地球都近乎冰封,這時候的地球,有雪球地球之稱。這次大冰期出現的主要原因是地球生命系統進化出了利用二氧化碳并釋放氧氣的光合作用,藍藻誕生了。

圖示:覆蓋整個水面的藍藻,制造出了一次大悲劇。

光合作用是當今復雜生命賴以生存的最重要地球生命進化事件,可小小的藍藻在當時可引發了一場生態大災難。大量繁殖的藍藻,不僅降低了大氣中著名的溫室氣體二氧化碳的濃度,并且其副產物氧氣進入大氣層后,又將溫室效應比二氧化碳還高23倍的甲烷給氧化了。當這兩種最重要的溫室氣體濃度下降后,地球因此進入了一次迄今最漫長的大冰期之中。

圖示:這是地球第一次進入全球冰封時代,而光合作用也隨之停止。此次冰期又稱休倫大冰期,因為主要證據是在休倫湖的北岸找到的。

讓地球從雪球地球中解脫出來,主要依靠的是地球自身的地質活動,劇烈的火山噴發釋放出巨量的二氧化碳重新進入大氣層,二氧化碳濃度逐漸升高,最終將地球從寒冷中解救出來,當地球終于解凍之后,地球進入了一個持續溫暖濕潤的時期,長達十多億年之久,直到前寒武紀大冰期降臨。而真核生物正是在這溫暖濕潤的十多億年的時間中起源,原始動物海綿也開始出現在海洋中,為後來的寒武紀生物大爆發創造了條件。

前寒武紀大冰期,出現在大約8.5億年,結束于6.3億年前

這次大冰期的誘因同樣是因為過于旺盛的光合作用,導致火山噴發的二氧化碳最終被耗竭,伴隨著溫室氣體濃度的劇烈下降,地球再次被冰封,極地冰蓋蔓延到赤道,整個地球表面幾乎無一幸免。要讓地球走出光合作用導致的冰期,還得等到浮游生物的誕生,它們才能控制失控的藍藻類植物的生長,避免它們耗竭大氣中的二氧化碳。

圖示:這次大冰期同樣非常嚴重,與第一次大冰期相仿,連赤道都沒有剩下,整個地球變成了一個雪球。

早古生代大冰期,開始于4.6億年前,終止于4.3億年前

原因不明,但這次大冰期消退的速度最快,可能是地質上的劇變造成的。

晚古生代大冰期,開始于3.6億年前,終止于2.6億年前

最可能的原因是由于植物登陸大地,動物的進化沒有跟上,然后極度繁榮的植物再次耗竭二氧化碳這樣的溫室氣體,造成全球大降溫,由此進入新一輪大冰期。

第四紀大冰期,開始于258萬年前,持續至今

具體原因不明,可能與上述提及的原因都有一定關系。人類當前處于大冰期中相對溫暖的間冰期內,但人類的演化很可能受到這次大冰期的強烈影響,冰期海平面的劇烈下降,也幫助人類遷徙到了世界各地,一些海峽在大冰期時,可以徒步通過,比如著名的白令海峽,印第安人的先祖們從亞洲通過冰期形成的陸橋進入了美洲。

但地球的短期氣候也的確可能受到遠方天體的影響,如超新星爆發等重大天文事件的影響。

地球氣候也可能受到遙遠天體的影響,比如近距離超新星爆發,將對地球大氣層產生沖擊,進而導致氣候劇變,甚至可能造成地球生物滅絕,據估計巨齒鯊在260萬年前的突然滅絕,就可能是由一顆距離太陽系150光年處的一顆超新星的爆發所引起的。

圖示:超新星爆發后的遺跡。


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