黄赤交角的变化：地球在变冷还是变暖？

紫荆棘鸟

<br /><br /><div>发个之前在个人 blog 上码的一个灌水贴，附上一些博友的评论。感觉有点意思，这里贴出来，补加个碳排放的动态视频。</div><div>------------------------------------<br></div><div>目前地球到底是在变冷还是变暖，这一直是个争论不休的问题，而且在中文论坛，我似乎注意到了一个怪现像，就是支持地球变暖的人以传统意义上的“右派”居多，支持地球变冷的则以“左派”居多 ---- 这其中的缘由不外乎是从政治或者经济角度去考虑问题所致，例如若承认了地球在变暖，这就等价于承认了中国有责任拿出一部分钱出来用于减少二氧化碳等的排放上去，而这对发展中国家的发展 (例如航空公司价格上的竞争) 是不利的；例如美帝（特别是民主党）施加压力给中国要求减少碳排放，因为中国早就成了世界上的头号二氧化碳排放国。当然中国也可以怼回去，例如指责美国的人均碳排放是中国的两倍，等。</div><div><br></div><div>不过无论如何，现在地球的大气比较脏确实是不争的事实。目前中国作为头号碳排放大国，其二氧化碳的排放量占全球大约 30%，碳当量（加上其他温室效应气体的排放量）大约占据全球的 1/3，这数据已经很令人触目惊心了。</div><div><br></div><div>
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</div><div>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 世界各国碳排放量<br></div><div><br></div>

紫荆棘鸟

言归正传：）所以我们的讨论得排除这种干扰，不讨论中国是不是应该参与以及怎么样参与控制碳排放，只讨论现在地球是不是在确实变暖；以及，如果地球确实在变暖 (或者甚至在变冷)，那么我们人类自身的“贡献”占据多少份量。比较明显的是，如果人类自身的“贡献” (特别是工业化带来的部分) 所占据的比重很小，那么除非咱们的碳排放贡献是压垮骆驼的最后一根稻草，那么什么里约热内卢公约、京都协议就没多大的意义。

美帝东部去年夏天比前年冷，西部则是创纪录的热，而且整个北美更加干旱；中国北方洪涝灾害，这就表明在局部时间局域地区讨论地球气温的变化没多大的意义；咱们只能从全球范围较长时间跨度下去考查。从这个意义而言，地球的气温确实是上升的，这可以从下面的观测图中清楚地看出。其中第一个图是过去一千年的气温变化图 (不同的颜色表示数据取自不同的来源)，第二图描述了自 1880 年以来的全球气温变化，取自 NASA-GSFC （美帝航空航天局，戈达德太空飞行中心）：






从图中可以看出，若不考虑过去 100 年，地球的气温其实是缓慢下降的，尽管一千年下来也大约只降低了半摄氏度；从 1900 年附近开始，这个总的变化趋势就改变了，变成了上升，过去一百年内全球气温大约上升了 0.7-0.8 摄氏度。

好，真正的争论来了 ---- 这里我总结一下来自论坛的争论，尽管可能有挂一漏万之嫌，但是好在网络上比较好的综述文章不少，例如 wiki 百科的介绍。

1) 地球的温度确实在升高，主要因素是工业文明带来的温室效应，它不但抵消/扭转了百年之前的温度下降趋势，而且还使得全球温度明显升高；
2) 地球实际上在继续变冷，小冰河时期 (Little Ice Age) 即将来临，地球过去一百年的温度升高只是小冰河时期来临的前奏曲。

1) 目前是主流，被大部分人 (>= 75%) 所承认，其中包括几乎所有的政府 (尽管可能有少数政府是因为“大势所趋”而被绑架的)。这也是过去里约热内卢公约、京都协议等能签订的原因。自然，这里的“温室效应”只是个笼统的说法，牵涉的原因很多，例如主因二氧化碳的排放，还有甲烷，森林和植被的破坏、太阳的周期活动 (周期大约 11 年，以著名的黑子为代表)，等。上面给出的温度变化曲线自然支持 1)，因为过去一千年来温度是下降的，但是最近一百年来它却突然明显上升，而且幅度很大，你不能假设这和地球的工业化无关，将这些解释为巧合。

2) 其实依赖一个假设：假设人类的活动 (例如温室效应) 和大自然相比，其实是微不足道的，所以有些人 (特别是“左派”) 声称“气候变暖是炒作、作秀”等。不过现在的研究似乎否定了这点，尽管也承认非人类行为 (例如太阳变化理论) 有时也可能起重要作用。抛开这点，我们可以继续追问：

2a) 有证据表明“地球开始冷化 北极冰层一年扩张六成” (见 example link)，尽管这是局域地区局域时间的结果，没多大的统计意义，但“地球变暖”能否就此现象给个折衷的解释？
2b) 为啥过去一千年来的总趋势是温度下降？

我看这可以从地球的黄赤交角的改变作出些定性的说明。这个解释没有在我上面列举的 wiki 词条里出现，我有些不解，因为这是个比较明显的因素。适才不死心狗了狗黄赤交角的改变对地球变冷变暖的影响，好像是难以明着找到，所以我这里罗嗦几句，试图就上述“诘难”给个大体上的解释。

众所周知，咱们这个地球之所以有春夏秋冬四季，根源在于赤道面 (自转平面) 和黄道面 (公转平面) 是不一致的，它们之间有个夹角，称为黄赤交角，目前这个夹角大约是 23°26'。现在太阳还在北半球上空，但是再过十来天就是秋分，秋分那天太阳就会在赤道正上空傻呆着......

为啥上面咱们说“目前这个夹角大约是 23°26'” 或者 23.44° 呢？这是因为受地球的章动 (Nutation) 等影响，黄赤交角是变化的，在 22.1°至 24.5°之间变化，周期是 41,000 年，目前正在减少。我们可以很粗地用线性估值来看黄赤交角什么时候会变得最小 ( 22.1°)，随后开始变大：
             T = 20,500 * (23.44 - 22.1)/(24.5 - 22.1) = 11,446

也就是说，以后大约一万一千多年中黄赤交角都会逐渐变小，直到达到最小值  22.1°。一万一千多年对地球而言，不过是弹指瞬间，但对于人类文明史而言，已经算很长了。谁能想像地球一万年后会被我们折腾成什么样子么？

黄赤交角正在减少意味着啥？很明显，它直接带来两个后果：

1) 太阳辐射向赤道集中，所以赤道和低纬度地区会更热，南北两极和高纬度地区会更冷；
2) 地球的平均温度将降低。

1) 几乎是不言而喻的，无须解释，2) 稍微难理解点。通常，地球的大气层类似个灰体，地表的热量主要来自太阳的辐射，大气的热量则主要来自于地面。考虑极端情形，如果黄赤交角是零，太阳永远照在赤道上空，这时赤道附近地表的辐射最强，地球将损失最多的热量；但若黄赤交角很大，例如 90 度 (例如像金星或者天王星)，地球吸收的太阳辐射就会比较均衡，而更均衡意味着地表总辐射减少。

假设将黄赤交角的改变 (不是黄赤交角本身的大小) 记为 a 这样个小量，那么地球上某点的温度改变有可能是 O(a) 或者 O(a^2)，等，而地球整体上的平均温度的改变，应该是 a 的更小一阶的量，例如  O(a^2) 或者 O(a^3)，等 ---- 当然这只是无关宏旨的估测，即使错了也无伤大雅。当然，这方面若能得到气象专家 (例如 coolboy) 的评论，即使是数理级别的那种很粗略的估算，也无疑是很不错的。

所以，大家看到了么，黄赤交角的减少恰好表明了：1) 地球整体温度应该下降；2) 赤道和低纬度地区会更热，南北两极和高纬度地区会更冷。

比较幸运的是，我们的工业革命恰好发生在黄赤交角变小这个时期，所以因它导致的地球整体温度应该下降，部分抵消了二氧化碳等带来的温室效应，使得我们能多喘一口气。如果不幸我们的工业化发生在黄赤交角增加这个时期，那么黄赤交角增加会造成地球的平均温度升高，所以我们会觉得这是雪上加霜，苦不堪言，我们就能看到网络上的左派和右派就会斗得更甚。

紫荆棘鸟

朋友们的讨论
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作者：嘎拉哈
您说的这个左右派在这个问题上的站队规律很有意思。也确实是这么回事。对于左毛而言，他们的一切立场都由爱国贼的思路所决定的，而不管事实如何。因此，不管是什么问题，只要是对中国不利的，他们就要占领舆论高低，批命抵抗。一句话，他们反对地球变暖的说法是由于做贼心虚，所以就此地无银三百两。

美国也有类似的站队问题。一般来说，民主党（像高尔）相对开明，比较相信科学结论。反对地球变暖只说的多数都是共和党那边的。

影响地球温度的周期性波动的因素很多。主要因素有四个。1. 大气成份；2. 地球同太阳的轨道关系；3.海洋暖流的变化；4. 地球内部的原子能，也就是驱动板块运动的主要能源。同人类影响有关的，主要是大气成份。紫鸟的例子，俺理解为就像烤烧鸡，转圈烤，要比考一面熟的快。

除了照射角度外，还有一个更重要的因素，那就是地表的颜色。一般来说，盖满绿色植被的地表和海洋表面要比沙漠可以吸收更多的光。但这些多吸收的能量是否造成地球温度升高，还要看植被是被如何烧掉，有多大比例的地表植物能够变成煤储藏起来，或海洋的能量有多大比例被生物链吸收，最后变成石油。。。。。。越想越复杂。

关于地球的板块运动同地球温度的关系也很有意思。地球上的所有生命可以说都是地球的寄生虫，同地球同生死。板块运动一旦停止。地球上的生命就会停止。火星就是一个例子。据现有理论的说法，如果没有火山，地球就会永远处于冰期。地球磁场会随着板块运动的停止而消失。到时候，太阳就成了一个大号X光机。把所有的生命都给通通照死。即便没被照死，也会因为地球表面颜色变成了沙漠颜色，太阳光的大部分都被反射回去。结果也会被冻死。


作者：森林
从气象专业角度来说，目前世界上最精确的气候数值模式结果都指出＂温室效应＂造成的增温效果应该在高纬度地区如南北极最为明显，这不太好解释北极地区冰盖大片扩大的现象（有没有人去查一下这北极冰盖扩大是否是真的？）。


作者：coolboy
回森林：北极地区冰盖应该是不断缩小吧？记得不久前读到好几则报道说，亚洲如中国商船经北极圈附近海域去欧洲可省下不少费用。

紫鸟：”美国今年夏天比去年冷，中国比去年热，这就表明在局部时间局域地区讨论地球气温的变化没多大的意义；咱们只能从全球范围较长时间跨度下去考查。”

能清晰地认识到这一点确实是很不错的了。“全球范围”是一个很确切的定量描述。那么，“较长时间跨度”应该是指多久呢？对于千、万年尺度的时间跨度，则地球轨道、日地距离等变化引起的气候变化应该是主要因子。但对于百、十年的时间跨度，则人类活动导致的大气成份变化而引起的气候变化是主要因子。
紫鸟的博客人气总是很旺，借此宝地广告一下我的一个科普帖子：

关于全球气候变暖   [coolboy]
http://bbs.lasg.ac.cn/bbs/thread-42150-1-1.html

想起“北极地区冰盖大片扩大的现象”这一说法是怎回事了，曾读到过这一说法的争论。从十年、二十年的时间跨度来说，北极地区冰盖不断减小，但中间确实能找到这么一、两个例子，某年夏天的冰盖比前一年的夏天反而扩大了，结果有人就挑出那两年的特例来说“北极地区冰盖大片扩大”。


作者：老冬儿
鸟儿好文好思考！

问个问题，有没有历史数据说明黄赤交角的变化(2度左右？)引起的温度变化范围有多大？跟我们现在观察到的变化吻合吗？

我的印象是现在的主流观点应该是承认在变暖。有点疑惑北极冰盖扩大数据有多可靠，因为读到的，看到的信息都是冰川在融化消失。当然最重要的问题恐怕应该是这种变暖是不是人类活动带来的。

地球变暖的讨论跟左右有关倒是有趣。中文的左右跟洋人的左右概念好像不同，美国支持环保的是民主党，算左吧。


作者：coolboy
回老冬儿：由天文因子（即地球公转轨道、黄赤交角等）的变化所引起的地表温度变化约10度（以内）。上面紫鸟给出黄赤交角变化周期为41,000年。假如那观测到的10度之变化全由黄赤交角所引起，则最大变化的估算值为10度/（1/2周期）=10度/（二万年）=0.05度/（100年）。但从紫鸟博文中的图可知，最近观测到的地表温度变化约为1度/（100年），即变化率要比天文因子引起的变化率大一个多量级。


                                                        作者：紫荆棘鸟
回森林，关于北极冰雪覆盖面积扩大一事，我见的报道也不多，我猜这是个案。楼下 coolboy 是行家，他也估计是这个原因。毕竟过去数十年来海平面升高是事实。
                                                        coolboy 是行家，也帮我回了些问题，大谢！
“较长时间跨度”看考察目的是什么了，一般得有个十来年，能平均消化掉太阳活动一个周期带来的效果吧，但这也不能算什么，例如如果考察冰川，若以三百多年一个周期，10年又什么都不是。
去看了你的“广告”博文。楼层很高，都十几分页了。很少见到这类文章能盖这么高的。

更长时间跨度的温度变化图见这个：
从图中大体上可以看出，“现在”一个大冰川的周期约为 100K 十万年(多一点)，之前的一段时期，周期则为 41000 年，这和黄赤交角变化的周期倒是吻合得相当的好。



作者：紫荆棘鸟
“有没有历史数据说明黄赤交角的变化(2度左右？)引起的温度变化范围有多大？跟我们现在观察到的变化吻合吗？”
----------------------------------
我猜现在应该有、也早应该有这方面较为定量的分析。但是长时间跨度上我虽然觉得这是主因之一，

至于以后的变化周期为啥突然变到 10万年左右，我就不清楚了。不过若上上个图“有理”，那么周期 T = 41000 年 (亦即黄赤交角的变化带来的影响) 是还能见到些痕迹的，不过对地球温度变化而言，它不是主因，主因变成了二氧化碳 CO2 的含量。图中的 CO2含量的变化和温度的变化图几乎是一样的。

所以如果这些都是对的，那么推论就是，CO2 更能比黄赤交角的变化影响地球的气候。我想这是可以理解的，原因之一就是，黄赤交角的变化 a 是个小量，我文章也大致定性分析了，对地球平均温度的影响而言，这个影响最多是 O(a^2) 甚至O(a^3) or whatever，是个更高阶的小量。而 CO2 的改变量 b 对气候的影响大体上会是 O(b)，同阶的 (不知这个估计对不对)。

因此现在的问题反而变成了这个：为啥 50 或者 100 万年前地球 CO2 的浓度会大约 10 万年变化一次，特别是为啥它突然下降得那么厉害？

因为CO2 或者温度是突然下降的，这可能也能部分解释芹泥在第一楼的问题：“似乎变冷或骤然变冷给地球的生物造成过毁灭型的打击，但变热形成灾难似乎还没有发生过”，因为变冷是剧烈的，变暖是缓慢的。

紫荆棘鸟

作者：紫荆棘鸟
“有没有历史数据说明黄赤交角的变化(2度左右？)引起的温度变化范围有多大？跟我们现在观察到的变化吻合吗？”
----------------------------------
我猜现在应该有、也早应该有这方面较为定量的分析。但是长时间跨度上我虽然觉得这是主因之一，

至于以后的变化周期为啥突然变到 10万年左右，我就不清楚了。不过若上上个图“有理”，那么周期 T = 41000 年(亦即黄赤交角的变化带来的影响) 是还能见到些痕迹的，不过对地球温度变化而言，它不是主因，主因变成了二氧化碳 CO2 的含量。图中的CO2含量的变化和温度的变化图几乎是一样的。

所以如果这些都是对的，那么推论就是，CO2 更能比黄赤交角的变化影响地球的气候。我想这是可以理解的，原因之一就是，黄赤交角的变化 a是个小量，我文章也大致定性分析了，对地球平均温度的影响而言，这个影响最多是 O(a^2) 甚至O(a^3) orwhatever，是个更高阶的小量。而 CO2 的改变量 b 对气候的影响大体上会是 O(b)，同阶的(不知这个估计对不对)。

因此现在的问题反而变成了这个：为啥 50 或者 100 万年前地球 CO2 的浓度会大约 10万年变化一次，特别是为啥它突然下降得那么厉害？

因为CO2或者温度是突然下降的，这可能也能部分解释芹泥在第一楼的问题：“似乎变冷或骤然变冷给地球的生物造成过毁灭型的打击，但变热形成灾难似乎还没有发生过”，因为变冷是剧烈的，变暖是缓慢的。


作者：coolboy
查了一下：地球公转轨道远日点与近日点之差同之和之比为轨道的偏心率。偏心率会在0.005-0.05内变化，目前的偏心率值是0.015。偏心率变化过程中有一个比较明显的周期是10万年。故最近一百万年中的那十万年周期的温度变化应该主要是由地球公转轨道偏心率的变化所引起。在这种千、万年的时间尺度上，地表温度的变化也会引起大气中二氧化碳浓度的变化。即在这一时间跨度上，地表温度变化是因，大气中二氧化碳浓度变化是果。

我上面的说明自然也还是没有回答紫鸟关于“以后的变化周期为啥突然变到10万年左右”的问题。


作者：紫荆棘鸟
谢谢了。10万年是指离心率变化一个周期吧，可能和上面的图那个冰川周期10万年是有联系的，不过这还是不太好理解。
按说上面的图只涉及到百万年这个scale，和地球的年龄相比，这是小意思，地球的公转、自转都应该是差不多稳定的，参数变化有限，例如离心率周期变化、黄赤夹角的变化，甚至还可以考虑行星公转的进动，这些都比较固定了，但是为啥100万年前和100万年后，冰川的变化周期，前者只有4万年，后者长达10万年？不好理解......

好，假设地球公转轨道长短轴记为 a, b，根据定义，离心率 e = sqrt (1 - (b/a)^2)，
so
b^2/a^2 = 1 - e^2，这个比值就是“此时”地球位于远日点和近日点时得到的太阳辐射的比值，其差值(a^2-b^2)/a^2 = e^2 恰好就是偏心率的平方，二阶小量：
现在 (e ~ 0.015)：近日点和远日点辐射差值 = 0.0225%；
e 最大时附近年代：近日点和远日点辐射差值 = 0.05*0.05 = 0.25%；大约是现在的 10 倍。

上述 “e 最大时附近年代：近日点和远日点辐射差值 = 0.05*0.05 =0.25%”，这是说最热和最冷时辐射的差值，O(e^2)，若计算每年这个差值对地球整体气温的影响，应该是 O(e^3)这个数量级。离心率越大，辐射差值就越大，也越发不均衡 (有些类似于黄赤交角处于最小值的情形)，所以这会使得气候变化加剧。

这个改变的强度还是可观的，因为现在当太阳处于活动年份时 (例如周期 11 年左右的太阳黑子和耀斑的爆发)，据说太阳的辐射强度增加0.1% 左右，因为增加的这部分集中在高能区的紫外线，而大气的臭氧等对紫外线比较敏感，太阳的活动年份时对地球的影响大于0.1%。所以大体上，当地球公转轨道的离心率处于最大值的那些年代，20年下来累积的“效果”大致等价于一个太阳活动年所带来的效果。由于地球偏心率的变化周期很长 (10万年)，它在 e = 0.05附近会停留很长的时间，也就是说，有很多个 20 年。

太复杂了。但明显地，从 large scale 来看，离心率的周期变化，也是气候改变的主因之一。


作者：coolboy
紫鸟：“这是说最热和最冷时辐射的差值，O(e^2)，若计算每年这个差值对地球整体气温的影响，应该是 O(e^3)这个数量级。”

为什么是O(e^3)而不是O(e^4)或甚至是O(e^6)呢？我不知道答案，只是瞎问瞎猜，看你数学好，帮你盖楼而已。 ：）


作者：紫荆棘鸟
哈哈，这和数学好不好倒关系不大，现在的状态是，只考虑某个 factor 作最初步的定性分析，并祈求不出大差错而已。
就离心率这个 factor 而言，近日点和远日点辐射量的差别是 O( delta e ^2)是比较明显地，辐射量大时地表的反射、自身的红外线辐射也大，所以将这些因素考虑进来，和 e = 0 (正圆形轨道)比较起来，地表积蓄的热量差值就是 O ( delta e^3)，这和你用折线去逼近曲线作数值估算是类似的，假设你都取折线的左端点的值去逼近曲线，得到的结果是 O(步长)的误差，那么你用左右端点的平均值去估算，误差通常就只有 O(步长 ^2)。

当然气象模型肯定极其复杂，地表某个地方可以和周围进行对流式的热交换 (这个应该是次因)，地表本身还可以反射和辐射。反射应该只改变 O( delta e ^3) 的系数 (猜想)，而大气，特别是最底下的平流层，对地表的红外线辐射不像可见光那么透明(灰尘也应该主要集中在平流层)，所以它应该是维持地表温度的主因。所以这时若不考虑温度，而只考虑能量/热量，无论平流层吸收多少地表辐射，基本上它也只改变O( delta e ^3)的系数，或者加一些更低阶的附加项，但是总的说来，对地球总的“热量”的影响，是 O ( delta e ^3)级别的。

但是温度的改变通常不会和 O ( delta e ^3) 成正比，因为温度和能量不成线性关系。特别是，如果假设地球是个黑体(尽管不是)，地表辐射的强度是和温度的四次方成比例的。


作者：coolboy
紫鸟越说越专业，越说越高深了。现在都引入“平流层”的概念了，还是不再瞎问瞎猜的好。 ：）

不过，你上面最后的一句话挺有意思的：“地表辐射的强度是和温度的四次方成比例的”。如果S~T^4，则log(S)~4*log(T)，从而dS/S~4*dT/T，你上面提到“因为现在当太阳处于活动年份时(例如周期11年左右的太阳黑子和耀斑的爆发)，据说太阳的辐射强度增加0.1%左右”，也即dS/S~0.1%，从而可得dT/T~0.025%，也即dT~0.025%*300度~0.075度。可见，在百、十年的时间跨度上，太阳辐射变化引起的地表温度变化（~0.075）应该是远远地要小于所观测到的1度的温度变化。                                             


作者：紫荆棘鸟
看，看，班门弄斧的下场......俺是不是喝高了？
好像现在大家只是觉得太阳活动年只对气候的改变起一定的作用，而不是主因。再说，20、30年下来，太阳活动的效应平均下来，就和热噪声类似了......

现在温度的升高的主因，应该很清晰了：工业化带来的温室效应。

哈哈. I know why.... Shld be 对流层，not 平流层，a big typo


作者：森林
我提到的关于北极冰盖明显变大是指大约1一2星期前在这万维上有人放了两张NASA的对比照片, here it is:
http://blog.creaders.net/Gezhifu/user_blog_diary.php?did=160145
不要忘了大洋深层洋流的变化是影响大气温度长期变化的一个主要因素。


作者：紫荆棘鸟
森林，那个图片传得比较广，我比较相信拿上ps的，一则冰雪面积一年增加了50%，你不觉得匪夷所思了点。主要的，你能给这个图片找到比较权威的出处吗？
洋流确实影响气候，但它是因变量，不是变量啊。


作者：森林
紫鸟：我说的是盐度梯度造成的深层全球尺度的大洋环流，它应该可以当作变量、不是因变量。它对气候的影响是非常重要的，这学地球物理包括气象和海洋的专业人士应该清楚。


作者：coolboy
大家看一看下面链接中不同图的比较以及争论就应该清楚是怎么回事了：
++++++++++++++
也是专家！你信谁？ [王晓钢]
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=286500
++++++++++++++
从紫鸟博文中第二张图的橙色线也可看出：全球地面平均温度也并非单调上升的，它是“锯齿型”地上升着的。上面一直说着近一百年来，全球地面平均温度上升了约1度，但从上图中显然可找到某两年的时段，一年中的全球地面平均温度就下降了0.2度。若我们忽略了紫鸟关于“咱们只能从全球范围较长时间跨度下去考查”的观点，而是老耵着某两年的状态进行比较，我们就不可能得出关于全球变暖的全面性的正确结论。


作者：深山兰
地球倾角的变小，部分抵消了人类排放的二氧化碳温室效应的效果。这个结论是没有错的。但未来的走势还和其它参数密切相关。眼光敏锐的科学家们曾对此作出过明确的结论的。

我曾在此问题上花费了若干时间。过几天，我码一篇短文，把那些结论拿来献丑。把你的结论加以引申。

简单一点说，地球的气温在大尺度上讲，是变冷的，但在未来几千年的尺度上，结果很复杂。最糟糕的一点是，在千、万年及更大的尺度上讲，二氧化碳是对地球的天文参数引起的地球气温的变化起正反馈的作用。这是这个问题异常复杂的根本所在。

但愿我码的字能把它扯几分清楚。


作者：coolboy
紫鸟的这篇博文已经在如下的两个专业帖子中被引用了：

关于全球气候变暖
http://bbs.lasg.ac.cn/bbs/thread-42150-12-1.html

庆承瑞：全球变暖与反变暖之争和病态科学
http://www.cfluid.com/bbs/viewth ...page=1&page=5                                             


作者：紫荆棘鸟
有意思。庆承瑞不是何夫人么，怎么也研究起气象来了？


作者：coolboy
我猜测大致上是这么一回事：

庆承瑞从事过高能粒子物理研究，好像在欧洲的一个研究宇宙射线与气候变化关系的单位短期访问过。我们从目前的讨论中已看出太阳辐射变化对百、十年时间跨度的气候变化的影响是次要的（紫荆棘鸟：“太阳活动年只对气候的改变起一定的作用，而不是主因”）。这宇宙射线的贡献又比太阳辐射的贡献小了很多倍。尤其重要的一点是这宇宙射线在到达地球环境的过程中一路上受到了“太阳风”磁场及其变化的影响。也就是说，在地球环境所观测到的宇宙射线的变化完全体现了太阳辐射（或即太阳风）的变化。多年前，有几个欧洲人根据宇宙射线同某些大气物理量的相关就提出这宇宙射线的变化能导致地球气候变化的理论。尽管圈内大气科学的专业人员多认为那是扯蛋，但这所谓的“伪科学”或“quasi-伪科学”的流行也并非是中国的特色。这庆承瑞则在从事此糊涂研究的基础上又向前垮了一步：她又感到自己尽管本行是高能物理但只因为从事了“宇宙射线同气候变化这一专题的研究”，其实对全球变化的整个领域也十分了解，可对各种信息做出正确的判断。其结果，当然就是出乱子了。


作者：coolboy
紫鸟：“但若黄赤交角很大，例如 90 度 (例如像金星或者天王星)，地球吸收的太阳辐射就会比较均衡”

天王星的黄赤交角是 -82 度，确实是接近你所说的 90 度，从而吸收的太阳辐射会比较均衡。但金星的黄赤交角是 -2.7度，太阳几乎永远照在赤道上空。上面的负号表示行星的自转方向与地球的自转方向相反，即金星和天王星是自东向西而自转。


作者：紫荆棘鸟
You are right, my bad. The axial tilt angle of the Venus is almost180 degree, not 90. I just checked the data for the 8 planets, onlyUranus has an axial tilt angle near 90 degrees...


作者：coolboy
一般说到气候变暖就说是“温室效应”。温室的玻璃可让太阳光透过加热地面，但玻璃阻止了地面的红外辐射（或其它过程）的散热。故温室内的温度要比温室外的温度高。地球大气层就相当一玻璃层。当然主要成分的氮气、氧气并不起玻璃层的作用，是大气中的二氧化碳，水汽、臭氧、云等在起玻璃层的作用。若没有地球大气，则地球表面平均温度应该是255K，并不适合人类居住。目前实际观测到的地球表面平均温度是280K。这多出来的25度，就是地球大气“温室效应”的效果。若大气中的二氧化碳倍增，则也就是相当于“温室效应”增强，地球表面平均温度在原已增加25度的基础上，还会增加2到4度。


作者：紫荆棘鸟
这个图比较有意思，大体上标志了地球上有生命以来 ( up to 6 亿年前) 地球大气 CO2的变化。历史上地球温度和现在差不多的时期，还得追溯到 3 亿年前，大体对应二叠纪。

紫荆棘鸟

作者：coolboy
记得许多年前修了一门《行星大气》的课，在讲到地球大气演变史时有一类似的图。中间除了总体上逐渐变小的二氧化碳，大致不变的温度及氮气之外，还有从无到有的氧气及臭氧，等等其它元素及变量。其中有一要点是说，假如地球的轨道离太阳再近一点，或早年的太阳光同现今的一样强的话，则由于一开始从地壳中逃逸出来的大气中二氧化碳的含量很高，则很强的温室效应会使得地表温度太高从而进一步使得所有的海水通通地蒸发成水汽，最后地球就会象金星那样，表面的温度很高，无海洋，无生物，大气主要成份则是二氧化碳。早年太阳辐射强度只是目前强度的70%左右，但二氧化碳的含量很高，很强的温室效应仍然使得地表的温度（在太阳辐射很弱的条件下）不至于太低而使得地球变成一个冰球。后来太阳辐射强度渐渐增强，刚好大气中二氧化碳的含量也渐渐降低，所以整个演变时期地表温度一直维持在一个适宜的范围内，有助于生物的演变，发展，阿门!


作者：coolboy
紫鸟在上面提到“若黄赤交角很大，则地球吸收的太阳辐射就会比较均衡”从而地表的温度分布也会比较均衡。但金星的黄赤交角是 -2.7 度，太阳几乎永远照耀在赤道上空。这时，凭直觉想象，或凭逻辑推理，则金星赤道处的地表温度应该要比其高纬极地处的地表温度高出很多。上世纪五十年代末从地球不同研究单位不同方法（好像是无线电波段）遥感测出金星大气赤道与极地的温度差约为30度。人们提出了不同的理论来解释这30度的温度差。当时前苏联有一大气科学家叫G.S.Golitsyn，他用流体力学中的相似理论根据已知的物理参数估算出金星表面大气赤道和极地之间的温度差仅为3度。这主要是因为金星非常厚实的大气能有效地输运热（能）量从而减小了赤道和极地之间由于接收太阳辐射能不同而引起的温度差。因为这观测的30度与理论的3度差太大了，当时曾引起较大的争论或注目。后来更进一步的观测及现代公认的结果认为G.S.Golitsyn用相似理论估算出的值是正确的，G.S.Golitsyn也以此成果成名。


作者：紫荆棘鸟
金星的那个例子不算数，是我记错了公转面和自转面的夹角。说辐射均匀的例子，只能是天王星。
不过这里你恰好拿金星作辐射不均匀的例子倒是蛮好的。若金星赤道和极地气温仅仅相差 30 度 (应该是摄氏度或者 Kelvin 吧)，那还不足地球赤道和极地的温差。

金星和地球差不多大，但是金星和地球一个最大的区别是它几乎不自转。所以它昼夜收到的辐射很不均匀，白天会很热，晚上则会很冷。如果极地和赤道的温差小，那只能是因为空气对流厉害，金星上的石头房子十有八九会被风刮走：)


作者：coolboy
我对天王星知道的没有你多，不敢在此多说，呵呵。

上面我提到的上世纪五十年代末遥感测出金星表面大气赤道与极地的温度差约为30K是错误结果。实际温差是3K，即后来的测量证实G.S.Golitsyn的理论预测反而是对的。沿纬圈方向的温度变化也是差不多3K或更小。从而水平方向的风场不强，微风。金星表面温度分布很均匀的原因就是它的大气很厚实（93个大气压）及很慢的自转（243地球日）。如此厚实的大气，其主要成分又是二氧化碳（97%），很强的温室效应使得其表面温度达750K。你那石头房子（all-brick house）十有八九一会儿就化了。


再说金星及全球变暖：

上世纪三十年代及六十年代初，就有知名学者根据温室效应模式及金星大气主要成分是二氧化碳而预测金星表面的温度会很高，会有600K。六十年代初又根据金星微波辐射的观测而证实金星表面的高温。六十年代中后期又通过宇宙飞船开始对金星大气及表面进行实地观测。但就在晚至1968年，也还有不承认或不懂温室效应的一些科学家在《Science》上互发论文争辩这金星地表的极地冰盖到底是只延伸到高纬的60度呢还一直延伸到中纬的45度？可笑吧？

白水

知识面广，讨论问题都别致。

紫荆棘鸟

白水 发表于 2022-1-26 23:15
知识面广，讨论问题都别致。

结论还是容易看明白吧？
如果没有工业化，地球的平均温度现在是处于下降趋势的。
如果处于上升趋势，地球还会更热一些。

紫荆棘鸟

评论中的庆承瑞，是中科院的老牌研究员，她丈夫就是大名鼎鼎的何祚庥院士。这两人我都认识，现在他们都很老了，想不到还在关心这些东西。

白水

内容，结果都看得明白。平时对这种问题不怎么热心，人微言轻，一带而过，
何作庥见过名字，当时感觉名字少年

紫荆棘鸟

白水 发表于 2022-1-27 20:45
内容，结果都看得明白。平时对这种问题不怎么热心，人微言轻，一带而过，
何作庥见过名字，当时感觉名字少 ...

毛爷爷手下的红人，两弹的功勋人物，层子模型的领军人物，思维很机敏的老人，可惜有些不务正业。老牌资深院士，可惜科研上没有拿得出手的成绩。

胡金海

指点江山，激扬文字……