地球/1h. 米蘭科維奇迴圈：地球自轉和公轉的振盪
厚重的鐵門在我身後關上了……我坐在床上，環顧四周，開始適應新的社會環境……我隨身攜帶的手提箱裡，放著我已列印或剛開始著手研究的宇宙問題；甚至還有一些空白紙張。我翻閱著我的作品，拿起我忠實可靠的墨水筆，開始寫作和計算……當午夜過後，我環顧房間，需要一些時間才能意識到自己身在何處。這間狹小的房間，在我看來就像是在宇宙航行途中，一個夜晚的臨時住所。——米盧廷·米蘭科維奇，1914 年夏季
1914 年夏季，米盧廷·米蘭科維奇在蜜月歸途中被捕入獄，獨自一人被關押在牢房裡。作為一個成功的工程師和混凝土橋樑建築專家，米盧廷很有錢，深愛著他的新婚妻子，並且沉迷於一個宇宙科學計劃，這個計劃困擾著他的思想，即使他被關押在監獄裡也是如此。米盧廷出生在塞爾維亞，在奧匈帝國的布達佩斯，擔任數學系主任。那一年，也是塞爾維亞人加夫裡洛·普林西普刺殺奧匈帝國王儲弗朗茨·斐迪南大公的那一年。這起刺殺事件，將地球推入了第一次世界大戰。作為一名返回奧匈帝國的塞爾維亞人，米盧廷被捕入獄。他的新婚妻子克里斯蒂娜·託普佐維奇懇求當局釋放她的丈夫，但隨著夏季各國間敵對行動升級，他獲釋的機會越來越渺茫。米盧廷·米蘭科維奇對一個科學問題著迷，這與地球在太空中的運動有關。在 1914 年之前的幾年裡，科學家們發現，地球在其最近的過去經歷過大規模的冰河期。寒冷時期，冰川變長，雕刻山脈，沉積巨石，覆蓋了北歐和北美的景觀，形成了巨大的冰蓋。北半球的地理學家發現了這些先前冰河期存在的強有力地質證據，但氣候學家尚未發現它們發生的原因。米盧廷思考過這個問題，想知道這是否與地球軌道長期迴圈有關。
冬夏月份是由於地球 23.5 度的傾斜，因此，當地球在 6 月、7 月和 8 月繞太陽公轉時，北半球指向太陽，延長了太陽日。而 12 月、1 月和 2 月，南半球指向太陽，延長了南半球的日照時間。米盧廷想知道，地球是否有一個類似的，但週期更長的軌道迴圈，會導致地球長期冰河期的迴圈。
在入獄之前，米盧廷開始研究一種叫做地球歲差的東西。近兩千年來，繪製星空的星象學家們注意到，夜空中星星的位置發生了一些細微的移動。地球軸線相對於北極星（北極星）的位置，似乎在夜空中以圓形路徑移動，估計需要**25,772 年**才能完成一個圓周。這種奇怪的現象也有助於解釋一個奇怪的事實，即恆星年，即一顆恆星在繞太陽公轉一圈後，再次回到夜空中完全相同的位置，而太陽年（也稱為迴歸年），即太陽在白天天空中的位置再次回到完全相同的位置（兩個夏至之間的正午），比恆星年短約 21 分鐘。這個短了 21 分鐘的太陽年，反映了地球軌道上的這種輕微的擺動，稱為歲差迴圈。25,772 年後，星星的位置和冬至將回到它們最初的起始位置。
解釋軸向歲差迴圈的最好方法是觀察一個旋轉的陀螺或陀螺儀，它在旋轉過程中往往會擺動，因此從上面看，旋轉軸在一個圓周內旋轉。米盧廷意識到，這個迴圈可能是解開地球過去冰河期原因的關鍵，因為它是一個長期軌道迴圈的例子，但它不是唯一的例子。
這種地球軌道的歲差，首先被發現與春分和秋分有關，稱為春分歲差。當地球自轉時，太陽的路徑形成一個大圓，被稱為黃道，圍繞地球。天球赤道是由地球赤道向星空投射的一個大圓。這兩個大圓之間的角度為 23.5°，即地球軸線的傾斜角。當這兩個大圓相交時，透過觀察升起的太陽相對於背景恆星的位置來確定，定義了春分。春分發生在當地球傾斜與指向太陽的方向垂直時，地球上的白天長度相等。這發生在 3 月 21 日左右和 9 月 23 日左右。然而，天文學家們注意到，預測春分到來的背景恆星正在移動。導致夜空中出現春分歲差。當然，這是軸向歲差的結果，它也使黃道相對於天球赤道移動。
米盧廷意識到，在這個迴圈中，地球的軸線會在一年中的不同時間，更多地指向太陽，或更多地遠離太陽。例如，在數千年的時間裡，北半球會在夏季更多地朝向太陽擺動（使它更熱），而在數千年的時間裡，北半球會在冬季更多地遠離太陽擺動（使它更冷）。
在大學的幫助下，米盧廷的妻子安排他被調到匈牙利科學院的圖書館。戰爭期間，他不被允許離開，並且處於警衛的監視之下，但可以繼續他的研究。
地球的歲差並不是地球軌道中唯一的長期變化。地球軌道傾角在 24.57° 和 22.1° 之間振盪，目前的傾角為 23.43677°，並且正在緩慢減小。這種軸傾角的變化大約每 **41,000 年** 完成一個週期。這被稱為地球的傾角。對地球傾角的第一次準確測量是由烏魯伯格（الغ بیگ）確定的，他建造了偉大的撒馬爾罕天文臺，位於現在的烏茲別克。他 1437 年的計算結果為 23.5047°，表明在 583 年內減少了 0.06783°，這意味著 **地球傾角的完整週期為 42,459 年**。地球傾角的振盪將在地球傾角更大的幾千年長週期內導致更劇烈的冬季和夏季。
紅色=0.0 綠色=0.2 藍色=0.4 黃色=0.6 和 粉色=0.8
米盧廷研究的地球軌道的第三個長期變化是地球繞太陽執行的橢圓軌道的形狀。在地球每年繞太陽執行的軌道中，地球在 **近日點**（大約在 1 月 4 日發生）最靠近太陽，而在 **遠日點**（大約在 7 月 5 日發生）最遠離太陽。數學上我們可以定義一個稱為**偏心率**的圓形術語。當偏心率為零時，圓形將是一個完美的圓形，圓形最寬部分和最窄部分之間的距離差為零。如果我們將圓形定義為實際上是一個橢圓形而不是一個完美的圓形，那麼橢圓形的最寬部分和最窄部分之間的距離差將大於零，我們將這個差稱為 **偏心率**。
要測量地球的偏心率，我們需要觀察一年中太陽陰影的每日路徑，並確定它到達天空最高點（每天最短的陰影）的確切時間。當地正午時間與觀察到的最高點時間之間的差異將在一年中略有變化。這是因為地球相對於太陽的路徑在一年中沿著這條橢圓路徑繞太陽執行時，速度會略有差異。有時地球會更慢，在寬度較窄的日子裡，有時會更快，在寬度較寬的日子裡。當地正午時間的差異和觀察到的太陽路徑可以用來確定地球的偏心率，**目前為 0.0167。** 它幾乎是一個圓形，但並不完全是一個圓形。
另一種測量地球偏心率的方法是測量一年中**日行跡**的寬度和形狀。這是太陽在每一天到達最高點時的天空位置。日行跡的形狀取決於地球繞太陽執行的橢圓路徑，對於小於 0.045 的偏心率，將導致一條看起來像數字 8 的路徑。但是，當地球的偏心率接近或大於 0.045 時，它將變得更像淚珠狀，並且沒有交叉點。
地球的偏心率在 0.057 和 0.005 之間振盪，這意味著有時地球繞太陽執行的路徑將更接近圓形，有時將更接近橢圓形。當偏心率更大時，地球在軌道上的這些點將更遠或更靠近太陽。在北半球，近日點發生在冬季，導致冬季較溫和，而遠日點發生在夏季，導致夏季較涼爽。當偏心率較小時，北半球的冬季和夏季將更冷和更熱，但在南半球則相反。然而，到太陽的距離只振盪了幾千公里，對氣候的影響相當輕微。偏心率每 92,000 年在兩個極值之間迴圈一次，儘管它以一種奇怪的方式振盪，因為這些偏心率的變化是由於地球與太陽系中其他行星，特別是火星、金星和木星的相互作用造成的，它們拉扯著地球，拉伸著地球每年繞太陽執行的軌道路徑。像木星和土星這樣的最大行星也會拉扯太陽。因此，天文學家定義了稱為太陽系質心的東西。質心被定義為兩個或多個相互繞軌道執行的天體的質量中心。當兩個天體的質量相似（例如兩顆恆星）時，質心將位於它們之間，並且這兩個天體都會圍繞它執行。然而，由於太陽比太陽系中的行星大得多，因此質心是一個靠近太陽核心的移動點。這就是造成偏心率變化的原因，因為木星和土星（以及其他行星）拉扯著地球和太陽，導致太陽系的中心不完全位於太陽的正中心。
米盧廷·米蘭科維奇在戰後獲釋，並運用他的數學知識更好地理解地球過去的氣候。他透過觀察這三個主要軌道因素對地球的影響的數學總和來做到這一點。透過結合這三個長期軌道變化，他為科學家制定了一個預測，以確定地球在其漫長的歷史中氣候的振盪。他關於地球運動及其與長期氣候關係的出版物和筆記在 1941 年以德語出版成書，名為 _Kanon der Erdbestrahlung und seine Anwendung auf das Eiszeitenproblem_（地球輻射的規範及其在冰川期的應用）。米蘭科維奇在數學上預測了地球氣候的振盪和長期週期，這些週期已在冰芯資料和古代沉積岩中得到反覆驗證，這些沉積岩顯示了地球軌道的這些長期週期，今天我們稱之為**米蘭科維奇週期。**
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