火星或许有助于确定地球冰河时期的开始时间
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新的模拟结果表明,火星有助于地球轨道形成 240 万年的周期性变化,从而影响冰河时代的到来时间。

科学家们最近测试了一颗小型行星是否能在深时气候记录中留下可探测的痕迹。

检验行星预感

计算机模拟使专家们能够控制行星的开启和关闭,将太阳系变成了一个可控的实验环境。这些模拟程序由加州大学河滨分校(UC Riverside)开发。

行星天体物理学教授斯蒂芬·R·凯恩博士最初持怀疑态度,并在模拟行星如何相互牵引的过程中检验了自己的假设。

“我知道火星对地球有一些影响,但我认为这种影响很小,”凯恩说。

追踪眼眶节律

长期气候波动始于地球轨道和自转的缓慢变化,这些变化会改变阳光照射到的位置。

科学家称这些为米兰科维奇循环,即太阳加热的轨道驱动模式,它们与在海洋沉积物中发现的信号相吻合。 

模拟结果追踪了轨道偏心率(轨道拉伸的程度)和倾斜度(决定夏季阳光集中位置的因素)。

这些参数的微小变化可以改变夏季的融化情况,因此,当夏季气温较低,积雪得以持续时,冰盖可能会扩张。

没有火星,什么消失了?

为了找出火星的作用,加州大学河滨分校的研究团队在将这颗红色星球从太阳系模型中移除后,重新运行了该模型。

与金星和木星相关的 43 万年周期仍然存在,但在没有火星的运行期间,10 万年周期消失了。

“当你把火星移除后,这些周期就消失了,”凯恩在比较了每次模拟运行的频率模式后说道。

这一差异揭示了火星上缺失的周期,帮助研究人员将轨道数学与岩石中保存的模式联系起来。

一颗小型行星的重量

火星的体积约为地球的一半,质量约为地球的十分之一,但它的轨道距离地球足够远,因此会产生重要影响。

该模型中,增强火星的轨道会使某些轨道频率加快,因为质量更大的行星每次经过时都会产生更大的引力。

“如果你增加火星的质量,它们就会越来越短,因为火星的影响越来越大,”凯恩说。

即使行星质量的微小差异,也可能根据轨道布局,改变附近行星的长期气候节奏。

地球倾斜及其邻近地区

地球的倾斜角度变化缓慢,而月球则阻止了这种摆动在长时间内变得混乱。

科学家将这种倾斜称为倾角——自转轴与轨道平面之间的角度——它决定了季节的更替。

目前火星轴线接近 23.5 度,模拟结果追踪了在不同火星质量下该角度的漂移情况。

“在我们的模拟中,随着火星质量的增加,地球倾斜角度的变化率会下降,”凯恩说。

从阳光到冰

轨道变化很重要,因为冬季积雪在夏季得以存活,冰就会生长,而这种平衡取决于季节性阳光。

较高的偏心率会增加地球与太阳最近和最远距离之间的对比度,从而改变季节性加热的强度。

倾斜角度增加了另一个控制因素,因为稍微不同的角度就可以将夏季的热量向高纬度地区移动或远离高纬度地区。

这些因素可以控制冰川推进的速度,但温室气体和海洋环流仍然决定着气温波动的幅度。

沉积物记录了缓慢的强迫作用

海底的泥层缓慢堆积,其化学成分和颗粒大小会随着气候模式的重复而变化。

研究人员将这些层与计算出的轨道周期相匹配,因为阳光的变化会改变风、降雨和海洋混合。

新模拟中与火星相关的周期有助于解释为什么一些沉积物记录显示出超出熟悉的短周期的强烈节律。

更好地将轨道物理学与岩层联系起来,可以提高地质年代测定的准确性,同时也能揭示地球轨道何时表现出不同的行为。

其他世界的线索

在太阳系之外,天文学家经常在恒星附近发现岩质行星,更远处还有更多的行星。

天文学家用“宜居带”一词来描述地表水可以保持液态,但邻近行星仍然可以改变气候的区域。

凯恩说:“当我观察其他行星系统,发现宜居带中有一颗地球大小的行星时,该系统中更外围的行星可能会对这颗类地行星的气候产生影响。”

目前,大多数系外行星数据无法揭示百万年周期,因此该理念更多地指导目标选择,而不是预测。

模拟无法显示的内容

这些模型在受控环境中隔离了重力,但真实的地球包含可以抑制信号的反馈机制。

冰盖会随温度变化而变化,但从长远来看,温度也取决于二氧化碳、火山气溶胶和洋流。

这些模拟也是从今天的行星布局开始的,因此它们无法重现过去的重组或早期的太阳系不稳定情况。

不过,这项研究确定了哪些轨道周期来自哪些邻近行星,这是全面进行气候建模的关键一步。

一颗小行星也很重要

综合来看,结果表明火星有助于调整地球的轨道几何形状,从而设定缓慢气候周期的时机。

未来的研究可以将这些轨道输入与冰盖模型联系起来,并检验其他太阳系是否具有类似的敏感性。

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