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浅谈地球轨道参数的变化对全球气候的影响课程与教学论姚昊苏一、全球气候的变化1.全球温度的变化全球海平面随全球温度的增暖而升高，随全球温度变冷而下降。在冰期盛期，世界海平面的高度比现今海平面大约低80m左右。上次冰期的盛期，海平面约降低120m左右。在地质时期，生态受气候变化的影响很大。第四纪冰期和间冰期，全球温度的变化，对动植物的兴袁和迁移有着重要的影响。冰期内的植物群分布比间冰期南移很多，如亚热带植物的常绿阅叶林区的北界，在间冰期位于北纬35°，到冰期南退到华南沿海一带。2.影响全球气候变化的因素由于月球和其他大行星的引力对地球运动轨道的扰动，地球绕日的运动轨道会发生变化，这些地球轨道参数（黄赤交角、偏心率、岁差）的变化，使地球接收到的太阳辐射量发生变化，从而产生气候的变迁，出现了冰期、间冰期。3.地球轨道参数的变化引起气温的变化地球轨道参数变化引起的冰河期可使海面上的温度降低4—9℃左右。从大西洋洋底沉积物岩芯样本分析得到，最近一次冰期约在18000年前，那时大西洋海面降温最大的区域是在大西洋东北部北纬48°附近，比现在的海温约低10℃多。在广大低纬地区，海面温度约降低2℃多。最近一次冰期的最冷时期，欧洲一些地区，夏季平均气温比现今的气温约低10℃左右。根据研究，我国东部中纬度地区，冰期时期的气温比现在约低7一15℃，长江三角洲年平均气温比现在低13℃左右。淮北平原年平均气温比现在低9～13°C，河北平原东部比现在低7°C左右。二、黄赤交角1.概述黄赤交角是地球绕日公转运动过程中形成的。地球公转,产生轨道平面,即黄道平面。地球自转,产生赤道平面。在黄道平面同赤道平面之间有一个交角,叫作黄赤交角。目前的黄赤交角是23°26’,这就使得地轴同轨道平面斜交，并成66°34’。2.黄赤交角存在的天文和地理意义地球上之所以有四季递变和五带区分，其根本原因就在于黄赤交角，即黄道面相对于赤道面的倾斜。黄赤交角的存在，使太阳直射点到达的最北界线是23°26′N，即北回归线；最南界线到23°26′S，即南回归线，也就是太阳直射点在23°26′S～23°26′N作周年往返移动。因此地表获得热量随时间和空间发生变化。正是由于这样的变换使得昼夜长短和正午太阳高度也随着发生相应的变化。3.黄赤交角的变化（1).一般认为黄赤交角的角度是23˚26’，是不会发生变化的，但英国古文明研究作家葛瑞姆•汉卡克的著作《上帝的指纹》中指出，“黄赤交角会发生周期性的变化，这个周期是41000年，交角改变在22.1˚到24.5˚之间，准确性和可预测性不亚于瑞士钟表。”(2).考古学、冰川学也证实地球曾经经历过8个冰河期。当前，大家都在议论全球气候变暖问题，很多学者认为主要是人类活动（温室气体的排放）造成了全球气候变暖，但也有很多学者用考古事实证明全球气候变暖与温室气体的排放没有必然的联系。复旦大学教授葛剑雄就认为，我国近5000年来，共经历了四个温暖期：即公元前3000年至公元前1100年，公元前770年到公元初的春秋、战国、秦、西汉时期，隋唐到北宋初期，南宋中期到元朝中期。而如今的温室气体论却没有办法解释古代的温暖期。（3）.众所周知的是，地球的能量来源于太阳，地球的冷暖、四季、生命无一不是太阳的恩赐。地球与太阳位置的微小变化就会对地球造成巨大的影响。因此，黄赤交角的这种变化也必然造成地球的冷暖变化。（4）.我认为，黄赤交角这种微弱的变化是影响全球气候变化的一方面原因。3.黄赤交角变化对地球产生的影响(1).对昼夜产生的影响黄赤交角的大小决定着各地昼夜长短的比例。以夏至日的北半球为例，当黄赤交角变大时，北半球的昼变长夜变短（有极昼现象的地区除外），也就是昼夜的差距扩大了；当黄赤交角变小时，北半球的昼变短夜变长（有极昼现象的地区除外），也就是昼夜的差距缩小了，即：各地一年中昼长的年变幅随黄赤交角的增大而增大、减小而减小。（2）.对五带的影响假设黄赤交角发生变化，当黄赤交角变大，那么太阳的直射点的位置也会相应变动，直射点会超过现在的最北及最南界限（23°26′），同样极圈（66°34′）也会向赤道靠近，因此地表获得热量随时间和空间发生变化。从而使热带范围增大，温带范围缩小，寒带范围的扩大，那么极昼极夜的范围也会相应增大；相反，当黄赤交角变小时，太阳直射点范围会缩小，小于现在的最北最南界限（23°26′），同样极圈（66°34′）也会向两极点靠近，这时五带的位置也发生了很大的变化，热带范围减小，温带范围增大，寒带范围减小，那么极昼极夜的范围也会相应减小。4.黄赤交角对全球气候变化的影响在我们日常生活和学习中，一直都是将黄赤交角看做一个不变值，这就给我们造成了黄赤交角是永恒不变的假象。事实上，就像我们前面所提到的，黄赤交角其实是发生变化的，只不过，它的变化幅度很小，每四万年才有个一个微弱的周期性变化（22°——24.5°），以至于人类对于这个变化的忽略，从而在研究全球气候变化时也很少考虑到黄赤交角变化带来的影响。三、探究学习1.探究方法：假设黄赤交角为0度，会对地球产生哪些影响？2.探究过程：用地球仪，手电筒等用具模拟地球公转过程中，太阳直射点的变化范围。3.探究结果若黄赤交角为零，也就是太阳平射地球，地球自赤道向两极均匀受光，便不在有四季变换，热带，温带，极地一年到头都是相对恒定的温度。由于没有了黄赤交角，全球的气候将发生重大变化，气候类型会改变。这时候气压带风带移动而形成的气候将会消失，季风气候会改变，地球上的气压带、风带将不再南北移动，因此受气压带,风带季节移动影响的气候类型将不存在，如地中海气候，热带草原气候，热带季风气候等。可能在中高纬度形成陆地吹向海洋的“冬季风”，中低纬度地区会形成由海洋吹向陆地的“夏季风”，引起中高纬度地区的干旱和中低纬度地区的洪涝，从而影响农业生产。南北半球的人类生活将受到很大的影响，可能会带来灾难性的毁灭。岁差概诉岁差就是年差，就是恒星年与回归年的时间之差（地球赤道与其公转的轨道“黄道”并不重合，他们所在的面的交点就是春分点和秋分点。太阳从春分点回到春分点的时间叫做回归年，地球公转一年所需时间叫做恒星年。回归年比恒星年短约20分钟，为地球运动时受其他天体引力作用使地轴发生周期性变化所致）。由于太阳、月球和其他行星对地球赤道隆起物的吸引力，使得地球自转轴的空间指向并不固定，呈现为地轴绕着一条通过地球中心而又垂直于黄道面的轴线的缓慢而连续圆锥运动，周期大约为26000年，结果是春分点逐渐向西移动。岁差的类型由太阳和月球引起的地轴的长期进动（或称旋进）称为日月岁差。表现为春分点沿黄道以与太阳周年视运动相反的方向每25800年旋转一周，每年西移约50.3〃。此外，在行星的引力作用下，地球公转轨道平面不断地改变位置，这不仅使黄赤交角改变，还使春分点沿赤道产生一个微小的位移，其方向与日月岁差相反，这一效应称为行星岁差。行星岁差使春分点沿赤道每年东移约0.13〃。日月岁差和行星岁差的综合作用使天体的坐标如赤经、赤纬等发生变化，一年内的变化量称为周年岁差。此外，根据广义相对论，旋转物体的自转轴会在空间产生相对论性进动，称为测地岁差。地球的测地岁差为1.98〃／世纪，方向为逆时针向。岁差的天文及地理意义岁差造成了春分点在星空中的变化。公元前18世纪古巴比伦时期时春分点位于白羊座，现在则位于双鱼座。不过现在天文学上春分点的符号仍沿用当年白羊宫的符号（Υ）。由此附带造成四季星空的变化。比如七月流火是《诗经》时代（西周及春秋）的天象，现在则推迟近二十天，到了农历八月。岁差造成了极星的变化。公元前3000年北极星是天龙座α（右枢），现在是小熊座α，公元14000年则是天琴座α（织女星）。由此附带造成恒星赤经、赤纬坐标的变化，进而影响到某一纬度地区的恒显区。比如公元前3000年我国大部地区都能看到南十字座，现在则只有海南能见到了。由于岁差，星图每五十年就要重新修订印刷。探究学习探究方法：讨论“岁差”真的在做圆锥运动吗？探究过程：1.推翻旧理论1）.岁差的理论形成于“大陆漂移”、“地球差异旋转”发现之前，并缺乏来自南半球的观测数据。所以对“岁差”作圆锥运动的解释还有待研究。2）.地球运动，无非是在引力与斥力作用下的惯性运动。“岁差”就是引力与惯性自转及地球层球结构三结合的必然现象。一个理论是否正确，需要多个证据支持。然而否定一个理论是否是错误的，只需找出一个矛盾所在即可，真理放之四海而皆准。牛顿用地轴绕黄极做顺时针圆锥运动来解释“岁差现象”存在以下几处致命弱点；1）牛顿对岁差的解释，“地轴”有“数轴”性质，南北半球不能共用一个“岁差常数”事实却共用一个。2）用陀螺解释岁差，风马牛不相及。地球受的是径向力，而陀螺受的是单端轴向摩擦力。陀螺的进动方向与自转方向相同，而地球的岁差方向与地球自转方向却相反，地球如同“陀螺仪”有定向性质，在地面的旋转陀螺却没有。陀螺与陀螺仪性质完全不同，两者不能相提并论。3）恒星年与回归年在中心原点重合，无法解释地球在20分24秒公转36720KM的距离，忽略了地球的公转运动，只此一条就可认定牛顿解释岁差是错误的。根据现有数据，采用数字与几何图形有必要对“岁差”做出重新解释。我们知道地球的公转速度约30km/秒，每年岁差的时间是20分24秒=1224秒。地球在1224秒的时间里，在轨道上运行了30km/秒*1224秒=36720km的距离。按牛顿对岁差的解释，通过观测我们知道地轴每年摆动50.26角秒。50.26角秒的摆动经计算在地轴顶端也不过只有0.614km的运动距离，如何解释地球在1224秒的时间里，在轨道上运行了36720km的距离？从而证明牛顿把岁差解释错了2.作出新假设在发现“大陆漂移”、“地球差异旋转”的今天，对岁差现象有一个崭新解释方法，所谓的“岁差”原来是“地球差异旋转”所导致的26000年的“岁差周期”即不是地球公转周期，也不是月球的公转周期，难道引力还能延时吗？只有用“地球差异旋转”才能解释此周期不相符的事实。喜帕恰斯与虞喜的”岁差常数”值相差一倍之多?岁差常数是一个角度值，既不能放大也不能缩小，喜帕恰斯所处的是高纬度国家而晋代虞喜所处的地理纬度较低。这说明地壳有“较差自转”之嫌。我们知道，地球运动，无非是在引力与斥力作用下的惯性运动。“岁差”就是引力与惯性自转及地球层球结构三结合的必然现象。现代科技认为：地球是层圈结构，主要由地壳、地幔、液体外核、固体内核等层圈组成，液体外核存在潮汐运动，各层圈存在差异旋转。地壳每年都要与内核滞后0．3至0．5度。地壳与内部在差异旋转的同时，因地球的倾斜自转，地壳与内部不但有经度的相对改变，而且还有纬度的相对运动，在漫长时期中直至南北极来回换位，造成岩石感应剩磁场的来回反向。探究结果：任何自然现象都不是孤立的，都有借鉴作用。我们都骑过自行车，当内胎没气时，我们继续骑行，就会产生钢圈与外胎差速的结果。外胎就比喻地壳而钢圈比喻地幔。如果长时间的继续骑，那么内胎就与钢圈差速一周。地球的地壳就是每年与地幔差速50.26角秒，导致回归年比恒星少20分24秒，在25770年的时间，地壳比地幔少转一圈（360°）。偏心率概诉椭圆两焦点间距离的一半和半长轴的比值。即某一椭圆轨道与理想圆环的偏离（离心率定义为椭圆两焦点间的距离和长轴长度的比值）。长椭圆的偏心率搞，而近于圆形的轨道偏心率低。偏心率用来描述轨道的形状，用焦点间距离除以长轴的长度可以算出偏心率。偏心率一般用e表示。当e=0时圆当0e1时椭圆当e=1时抛物线当e1时双曲线偏心率的由来德国天文学家开普勒（1571--1630），他从第谷.布拉赫对行星运动的观察结果中推导出太阳系中行星运动的三大定律：1.每个行星在椭圆轨道上环绕太阳运动，而太阳在一个焦点上。2.太阳和行星的矢径在相等的时间间隔中扫过相等的面积。3.行星的轨道周期的平方与它的轨道的长轴的三次方成正比。开普勒定律基于纯几何学推断，它们描述了一个单一质点绕一个固定中心的运动。它遵循牛顿第二定律以及牛顿万有引力定律。开普勒定律阐明的是