Elnino起因的太阳系天文影响因素的定性解释.doc

免费查阅精品论文el nino 起因的太阳系天文影响因素的定性解释杨正瓴 天津大学电气与自动化工程学院, 天津（300072） e-mail：摘要：由于 el nio 长期存在和具有相对稳定的变化模式，这意味着其成因应该包含天文 因素。认为地球动能变化同时影响全球，el nio/la nia 事件是全球变化中的代表性事件。 这样影响地球公转的太阳系天文因素，即行星和月球的运动，就成了 el nio 的诱因。关键词：el nio，地球动能，全球变化，地球公转，近日点1.引 言研究 n 个质点相互之间在万有引力作用下的运动规律，称为 n 个问题。n 等于 2 时， 称为二体问题。这时两个天体的轨道都是圆锥曲线（椭圆、抛物线、双曲线），这个问题已 经完全解决。n 大于或等于 3 时称为多体问题，求多体问题严格的解析解至今仍然是一个难 题，尚未得到解决。三体问题是多体问题中最著名的特殊问题，近三百年来，经过很多第一 流的数学家、力学家和天文学家们的艰苦努力，虽然在这方面取得了很多成果，但问题仍未 解决。因而它成为天体力学中有名的难题。其中主要困难是运动方程解不出来。为了应用于 具体天体的运动，除了继续研究一般解外，还需要研究一些特殊的三体问题。例如针对太阳 系内的小天体，提出了限制性三体问题。把其中小天体的质量当作无穷小，即它对另外两个 天体的引力可以忽略，这种简化的三体问题虽然也未完全解决，但得到的特解和运动区域（平 面圆型限制性三体问题）是很有用的，并且已经推广到一般三体问题。另外，用定性方法可 以严格证明，在一定条件下，三体问题的解可以用时间的幂级数来表示。1p67可见，研究太阳系各行星的运动是多么困难。el nio/la nia 事件是全球变化研究中的重要课题2，参看下图 1。对珊瑚虫化石（fossil corals）的研究表明 el nio/la nia 事件存在已经长达 130000 年了3，并且变化的模式和现 在的相差不大。参看下图 2（文献3，第 1513 页）。图 1 1997 年 12 月 el nio 期间海水表面温度距平（sst anomaly）。取自：/psb/eps/sst/climo_archive/data/anomnight.12.30.1997.gif- 12 -图 2 nio/la nia 事件存在已经长达 130000 年了3， 并且变化的模式和现在的相差不大。本图选自文献3，第 1513 页原文图注：fig. 4. paleo-enso variability from fossil corals. (a) (left) seasonal resolution (thin lines) and2.25-year binomial-filtered (thick lines) skeletal 18o records from all fossil corals used in this study, with therecord from modern coral dt91-7 shown for comparison. (right) 2.5- to 7-year (enso) bandpass-filtered coral18o time series. (b) standard deviation of the 2.5- to 7-year (enso) bandpass-filtered time series of all modern and fossil corals discussed in this study. asterisk indicates that the time series is 30 years long. the horizontaldashed lines indicate maximum and minimum values of standard deviation for sliding 30-year increments in the modern coral records. black bars, modern corals; gray bars, fossil corals.目前对 el nio/la nia 事件的成因研究还没有最终的定论。最常用的是海洋-大气耦合 模型（coupled ocean - atmosphere model）4-16。除了 coupled ocean - atmosphere model 的直接 作用外，近年也开始探讨其它影响因素，如太阳辐射5、赤道火山活动5、地球自转7 - 10等 的影响，关于受大行星影响的观点也已经出现13, 14。人类破坏大自然的行为也是受到重视 的。el nio/la nia 事件的长期存在性和变化模式的稳定性3，提示我们天文因素可能是其 重要的诱因。目前常用 nino3 序列（或 nino34 序列）作为 el nio 事件的代表。它是东部赤道太 平洋 nino3 区域（90w-150w, 5s-5n）的海水表面温度距平（sst anomaly），即 the sea surface temperature (sst) anomaly in the nino3 region (90w-150w, 5s-5n) of the eastern equatorialpacific。22.el nio 现象的天文诱因从中国传统文化“天人观”的角度看，地球上发生的一切都和人、太阳、月球、太阳系、 银河系、宇宙等的所有因素相关。关键是如何确定那些因素的影响是显著的。1930 年代 milutin milankovich 提出气候变化的天文学说，就是这样一个成功的例子15, 16。地球以每秒 30 公里的速度，围绕着 1.5 亿公里以外的太阳奔跑，周期一年；而太阳系 又以每秒 250300 公里的速度围绕着银河系的中心（银心）奔跑，周期约两亿年。当然还 有更大尺度的运动，但由于对地球的作用微乎其微，所以暂时不考虑。所有这些太阳系与银 河系的运动都可能对地球的气候施加周期性的影响。从日-地系统的角度来看，控制地球气 候变化的首要因素是太阳的直接入射能量（日照率），其次是地球在太阳系中运行轨道的变 化，然后是太阳系在银河系中运行轨道的周期。据目前的研究资料，与太阳日照率关系最大 的周期性运动有：10 万年的地球轨道偏心率变化的米兰科维奇旋回，与地球百万年来冰期 涨落的主周期呈现模糊的对应关系，轨道偏心率变化对日照率的全球总影响大约 0.1；4.1 万年的旋转轴倾斜变化周期（摆动旋回），只对地球中、高纬度的气候有影响；及 1.92.2 万年的岁差周期（进动旋回），仅在热带地区勉强找到些相应的气候变化迹象。地球系统并不是一个理想的线性体系。在线性体系中，任何初始条件的变化都可以经过 准确的传导与转换过程而产生准确的必然结果。而地球系统是一个开放的非线性系统。地球 系统的非线性特征是由于构成它的基本组元（大气圈、水圈、岩石圈、生物圈）本身都是非 线性的。它的开放性则是由于它无法逃避太阳、地核、人类活动等外部系统的物质、能量及 信息的输入与影响。而地球的气候系统又是个非周期系统，即一种不断重复但却从不真正重 复的没有定态的系统。对于任何与气候有关的外源扰动，地球系统的内部动力机制都可能有 两种反应：一是放大扰动，使系统趋于失稳而发生气候突变，叫做正反馈；一是逐渐减弱外 界影响来维持原有平衡，叫做负反馈。而和全球宏观气候变化关系最密切的内部动力机制就 是地球的大气对流、大洋环流和生物活动。在太阳作用下，有 3 个影响气候变化的最关键机 制：日-地热辐射平衡、大气对流和大洋环流。16因此，从更大的范围研究 nio/la nia 事件的诱因，是必要的。3.地球动能变化与 el nio 现象3.1 地球动能变化影响全球从能量的角度看，el nio 的能量成因与太阳辐射、地球动能变化、地球内部能量活动（常用火山活动来表示）、宇宙的其它作用以及人的作用（破坏大自然、森林、植被，温室 气体排放，大气污染，等）有关。对太阳常数的长期测量经过证实它的变化小于 1%。空间探测也表明太阳常数变化是微 小的。按照一般推测，全球气温变化 1需要太阳常数变化 1%，因此，全球性的气候变化似 乎不能用太阳常数的变化来解释1, 17。mann 等人的研究结果5，与这一观点也有类似性。地球内部能量活动的研究十分困难，目前常用火山活动作为代表。火山活动释放的能量、 火山灰对大气层的影响（地表接受的太阳辐射、温室效应），对气温的影响是存在的。但似 乎与 el nio 的关系，并不十分密切5。于是，地球动能的变化，成为 el nio 的能量重要来源。地球动能的变化主要由地球绕太阳的公转速度变化、地球自转变化等引起。其中，地球公转速度的变化，是目前笔者尚未 发现其他研究人员提到的。我们认为，地球公转速度的变化，是 el nio 的主要起因之一。地球动能变化影响全球变化，包括地震、各种极端天气事件等，是本文的主要观点。3.2 影响地球动能变化的太阳系天文因素从太阳的角度看，即在以太阳作为原点的坐标系看，影响地球公转的主要因素是月球运 动、行星。（1）地球公转的椭圆轨道。近日点的势能比远日点的势能少了大约 3.4%。这造成近日 点附近是地球公转速度、公转速度变化最大的位置。（2）月球：主要是拱线运动。月球围绕地球的椭圆轨道，在它自己的平面上也不是固 定的，其椭圆的拱线（近地点和远地点的连线）沿月球公转方向向前移动，每 8.85 年移动 一周。（3）行星，主要是木星、金星、土星运动的影响。从对地球的万有引力、对太阳的角 动量等角度看，这 3 颗行星是对地球影响最大的行星。这些天文因素，主要影响了地球在公转轨道的位置、速度的变化。是影响地球动能变化 的首要因素。此外，地球自转速度有一定的微小变化，是影响地球动能变化的次要因素。3.3 具体的影响方式（1）地球公转椭圆轨道。近日点的动能比远日点的动能大了大约 6.8%。地球轨道近日 点（现在在每年 1 月 3、4 日左右），是地球公转动能最大（公转速度最快）、速度变化最 大的时候，也是 el nio 最强（成熟期）的时候。月球地球轨道近日点 地球（每年 1 月初）太阳图 3 el nio 事件成熟期元旦前后是地球动能及其变化最大的时刻。 解释了 el nio 事件出现日期的长期稳定性另外，el nio 在赤道上不是对称的，往往偏向南部。除了由于地球自转转轴与黄道夹角引起的太阳辐射偏向地球赤道南部外，从地球局部看，赤道偏南部的动能变化最大：自转 作用正好落在地球赤道上，公转作用在近日点附近是落在赤道南部的。见图 4。地轴春分日（3 月 21 日前后）夏至日（6 月 22 日前后）冬至日公转方向（12 月 22 日前后）秋分日（9 月 23 日前后）图 4 el nio 在赤道上不是对称的，往往偏向南部1983 、 1998 年两次 大 el nio 的温度距平分布见 图 5 、图 6 。还可参见网 站（http:/www.msc-smc.ec.gc.ca/education/elnino/comparing/sst_animated_2panel_e.cfm）上的视 频对比：animated comparison of two strongest el nio events.图 5(a) 1982/1983 年 el nio 事件的温度距平，来自：/nasa/ootw/1996/ootw_961218/ob961218_sm.jpg图 5(b) 1982/1983 年 el nio 事件的全球温度距平，来自：.pe/1470/nino/nino.htm原图注释：圖一。1998 年 1 月當厄爾尼諾達成熟期時，熱帶太平洋暖水區(紅色部份)從秘魯西岸 向西伸延至太平洋中部。圖中深紅色部份水溫比正常高 4 至 5 度。（資料來源：美國國家海洋及大氣管理 局）图 6(a) 1997/1998 年 el nio 事件的全球温度距平，来自：.hk/education/article/006elnino_lanina.htmsst anomaly (dec 1997)图 6(b) 1997/1998 年 el nio 事件的全球温度距平，来自：/typhoonquestion/question.htm（2）地球动能变化（公转+自转），对全球的气候同时产生影响。因此 el nio 对全球气候的影响说法是片面的。应该说 el nio 是地球动能变化引起全球气候变化的代表性事件。 这就很容易解释“el nio 能够影响遥远地区的气候了”：不是 el nio 的直接作用，而是地球 动能变化引起的全球天气的同步变化。图 7、8 是海水高度和全球温度距平的对比。两者之间的吻合，表明动能变化是 el nio的诱因。不仅如此，中国西部的大地震以阳历 8 至 9 月发生最为频繁。对照图 3，8、9 月份地球 基本处在黄道上的远日点。此时地球在太阳引力场中势能最大，动能最低（地球公转速度最 低），这样，由于受到的太阳引力处在最弱时间段，地球内部的运动相对自由，故大地震较 多。相反，在北半球冬季，地球受到的太阳引力处在最强，大地震较少。冬季地球引力最强，太阳潮汐的作用加强，海水高度提高，造成局部海水相对动能增加， 容易诱发 el nio。图 7 地球自转速率的季节变化与中国西部的大地震图 8 1997-1998 el nino (altimetry)。1997-1998 海水高度。来自：/html/remote_sensing/eos.htmlglobal temperature anomaliesjan-may 1998图 9 1998 年初全球温度距平。来自：/oa/climate/research/1998/may/gltanm98.html图 9 原图注释为：this preliminary map shows thematically which areas of the world were warmer than average and which were cooler during the period january-may of 1998. the blue dots show cool anomalies, and the red show warm anomalies. the size of the dot is proportional to the magnitude of the anomaly. the land data are from the noaa ncdc global historical climatology network. over the oceans, the noaa ncep reynolds blended satellite-ship-buoy analyses were used.（3）el nio的主要周期2-7年周期，就是太阳系中大行星、月球位置的变化，影响地球 动能变化的周期。如果是天文因素诱发的，则el nio中的这些主要周期应该是长期存在和 相对稳定的。这在文献3中有化石证据：the skeletal d18o time series generated from the fossilcorals all display well-preserved seasonality (figs. 2b and 4). in addition, all of the fossil coral records display some, but variable, concentrations of variance in the typical enso frequency band.examination of the relation between the interannual variations and the structure of the seasonal cycle in the fossil corals reveals a pattern that is very similar to that seen in the enso cycle in modern corals.图 10 行星运动影响地球公转。 从对地球的万有引力、对太阳的角动量等角度看，木星、金星、土星是对地球影响最大的 3 颗行星近似的计算表明，近 160 年 8 颗行星对地球万有引力的模和角度周期是，万有引力模：3.05、3.55、12.2、21.3 年等；万有引力角度：11.9、5.95、3.95 年等。图 11 为 6 个大 el nio 出现年份的功率谱。1878、1889、1903、1973、1983、1998 是 仪器记录以来的 6 个大 el nio 出现年份。功率谱上的 3.6、11.8、4.75.3、7.9、2.05、2.5、2.8 年是比较明显的周期。这些周期是有明显的天文周期对应的：11.8 年：木星公转周期，11.86 年；8 颗行星对地球万有引力的模，12.2 年。7.9 年：金地木三星位置重演近似周期，7.297 年；月球拱线运动周期，8.85 年。4.75.3 年：木星公转周期半数，5.93 年；月球拱线运动半数，4.425 年。3.6 年：8 颗行星对地球万有引力的模和角度周期，3.55、3.95 年；金地木三星位置重演 近似周期半数，3.65 年。2.8、2.5、2.05 年周期还待进一步研究。图 11 1878、1889、1903、1973、1983、1998 是仪器记录以来的 6 个大 el nio 出现年份。 功率谱上的 3.6、11.8、4.75.3、7.9、2.05、2.5、2.8 年是比较明显的周期。1856-01 2006-03 年月 nino3 序列的功率谱，见 图 12 。数据来自 ：/sources/.indices/.nino/.extended/nino3/t+exch+table-+text+text+skipanynan+-table+.html104104104图 12 1856-01 2006-03 年月 nino3 序列的功率谱。数据来自：/sources/.indices/.nino/.extended/nino3/t+exch+table-+text+t ext+skipanynan+-table+.html。30、18、12.5、8.84、5.8、3.7、2.9 年是比较明显的周期。这些周期是有明显的天文周期对应的：30 年：土星公转周期，29.46 年。18 年：金地土三星位置重演近似周期，18.1 年。木土汇合，19.8586 年。月球白道，18.6年*。12.5 年：木星公转周期，11.86 年。8.84 年：金地木三星位置重演近似周期，7.297 年；月球拱线运动周期，8.85 年。5.8 年：木星公转周期半数，5.93 年。3.7 年：8 颗行星对地球万有引力的模和角度周期，3.55、3.95 年。2.9 年：8 颗行星对地球万有引力模，3.05 年。*月球公转轨道（白道）的升交点沿黄道（地球公转轨道）向西运动，约 18.6 年绕行一 周，因而月球对地球的引力作用也有同一周期的变化1岁差与章动。这些周期综合作用的结果，就出现了 el nio 的 2-7 年周期。3-4 年的周期是比较明显的， 我们的解释是：这主要是太阳系各行星通过万有引力、角动量的近似守恒造成的地球公转速 度变化引起的地球动能变化造成的。由于多体问题的计算是比较困难的，所以本文的提法是：el nio 起因的地球动能变化 诱因的定性解释。我们不排除其它因素的作用，如太阳、火山、气溶胶、温室气体、其它宇 宙因素、人类对大自然的各种破坏等。4.结论从能量的角度看，地球动能的变化是影响全球气候变化等的重要诱因，特别是地球公转 中的位置、速度等变化，占了主要性作用。而地球自转变化的影响是次要的。影响地球公转 的主要因素包括行星、月球。这就得到“el nio 起因的行星、月球等运动造成的地球公转变 化引起的地球动能变化诱因的定性解释。特别地，3-4 年的周期是其它 8 颗行星对地球万有 引力的模和角度周期，3.05 年、3.95 年。”这种天文成因，是 el nio 变化长期存在和相对 稳定的直接解释。从具体的作用看，地球动能变化引起的地球形状变化，海水潮汐、大气潮 汐、固体潮汐18 - 19的变化，可能是影响 el nio 的具体途径。本文的主要观点包括：（1）地球公转椭圆轨道，决定了 el nio 最强（成熟期）的时间在地球近日点附近， 即每年元旦前后。近日点是地球公转动能最大（公转速度最快）、速度变化最大的时候。（2）地球动能变化（公转+自转），对全球的气候同时产生影响。这就很容易解释“el nio 能够影响遥远地区的气候了”：不是 el nio 的直接作用，而是地球动能变化引起的全球天 气的同步变化。（3）el nio 的主要周期 2-7 年周期，就是太阳系中大行星、月球位置的变化，影响地 球动能变化的周期。其它一些周期，往往也有对地球动能有明显影响的天文周期对应。致谢：（1）dake chen, michael e. mann, alexander w. tudhope 等专家提供的他们文献的有关 数据；（2）多年来与张军老师，田勇、喻远飞、曹东波、王渭巍等同学的讨论。参考文献1 中国大百科全书（天文卷）m. 中国大百科全书出版社，19802 mark a cane. the evolution of el nio, past and future j. earth and planetary science letters, 2005, 230 (3-4): 227-2403 alexander w tudhope, colin p chilcott, malcolm t mcculloch, edward r cook, john chappell, robert m ellam, david w lea, janice m lough, graham b shimmield. variability in the el nio - southern oscillation 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