大于日、月、年的天文周期

归纳起来，人类计时有两种系统：一种是天文计时，一种是物理方法的计时。前面说到，计时是从天文方法开始的，然而天文上的周期性并不像我们外行人想象的那样有规则。以太阳为标准的天文“日”长度其实并不相等，现在一年之中就差51秒；更不用说根据珊瑚化石生长纹判断，4亿年前一年有400多天^[10]，在地质尺度上来讲，地球自转速度是在减慢的。如此看来，用独立的物理方法计时，避免天文计时中的不稳定因素，是极为重要的。

但话又得说回来，尽管有精确物理定义的“秒”，我们日常使用仍然是天文计时，仍然是按昼夜作息、按年度预算。因为天文周期实际上也是人类生活环境的周期，其精度一般讲也足够我们日常使用。即使有了原子钟，仍然需要有历法的天文计时。^[11]时间长度的不同等级有不同的用途，论资历用“年”，发工资按“月”，住旅馆算“日”，打电话计“分”。基于天文周期的年、月、日，和由此派生出来的世纪、星期、小时等，能够满足人的生命长度与生命活动的需要，使用方便。可是在地质计时中，这些天文周期都显得太短，动不动就要用几亿甚至几十亿年来表示，既不科学又不方便。不科学是我们根本达不到“年”的分辨率，不方便是无缘无故用那么大的数字，就像平时生活中不用年只用秒，每人要数3千多万秒过一次生日，活到将近19亿秒才可以退休，那就非乱了套不行。

在地质科学产生至今差不多两百年的历程里，我们习惯于“推己及物”，把自己计算年龄的单位加给地球。可是既然知道有“今人不见古时月”的尺度差异，我们能不能找一找：在日、月、年之上，还有没有更长一点的天文周期，适宜于地球和月亮使用？回答是有的。这种周期确实有，而且已经开始使用，这就是地球在太阳系里运行轨道几何形态变化的周期，简称轨道周期。

地球绕太阳旋转，遵照牛顿定律是极其规则的运动。但是，太阳系里还有其他行星，地球身边还有月亮作伴。相互干扰的结果，地球的运行轨道，包括绕太阳公转的黄道和地球自转的赤道面，就会周期性地出现偏差。周期性变化的轨道参数有三种：岁差、斜率与偏心率（图1）。地球自转轴呈陀螺般晃动，称为岁差；地球赤道和黄道之间的夹角称为斜率，也有周期性变化；黄道呈椭圆形，但有时正圆些，有时扁圆，这就是偏心率。轨道参数不断地在变，只不过我们不加注意罢了；但是，地球运行这种几何形态上的微小变化，都会影响太阳辐射量在地球表面的分布，通过地球气候系统的放大效应，最终可以导致冰期的重复发生。^[12]

图1　地球轨道运动的三大参数：A.偏心率；B.斜率；C.岁差^[13](www.xing528.com)

三个参数中最先发现的是岁差：所谓“岁差”就是岁岁有差别，我国晋朝的虞喜就发现冬至点每年有所移动，50年沿黄道西移1°。现在知道这是21 000年的周期，具体表现是地球在黄道上到达近日点的日期逐年变化。从气候角度说，如果地球在夏至到达近日点，冬至到达远日点，一年内季节的差异就会加强；相反，如果冬至到达近日点，夏至到达远日点，气候的冬夏差别就会减少。岁差周期影响气候季节性，所以季风强弱就会有两万年左右的周期。

地球的斜率也在变。现在回归线在23.5°，这是今天地球的斜率；但是它在22.2°与24.5°之间变动，41 000年一个周期。现在斜率每年减少0.5″，所以北回归线正在南移。例如，台湾嘉义县1908年建造的北回归线标志，到1996年已经落在北回归线以北1.27千米，到9 300年后更要相差90千米。^[14]斜率角度增大会使太阳辐射量在高纬区的份额加大，所以对高纬度的气候有重要影响；斜率一旦大于54°，极地就会比赤道还热。

第三个轨道参数偏心率，它反映的是黄道圆不圆，随着黄道短轴的长度伸缩，椭圆形的黄道有接近10万年周期的变化，导致在不同季节中地球与太阳之间距离的不同，但由于这种变化幅度太小，对气候的直接影响可以忽略不计。偏心率影响气候，主要依靠调控气候岁差变化的幅度，偏心率越大，岁差造成的气候变化越大。道理很简单：假如偏心率小到为零，黄道成了圆形，也就谈不上什么近日点、远日点和岁差的气候效应了。

这样，2万年的岁差，4万年的斜率和10万年的偏心率周期，通过太阳辐射量的时空分布变化影响着地球上的气候。但是与日、月、年不同，这类天文周期时间长、变化小，只有靠地质时期里的长期积累才会有显著的效果。果然，这类天文周期的发现，是在近几十万年来的冰期记录里。