2025-04-05 00:50来源:本站
35岁的塞尔维亚科学家米卢廷·米兰科维奇(Milutin milankovovic)在家乡达利村度蜜月时,世界在一夜之间发生了变化。1914年6月下旬,这个今天属于克罗地亚的小镇,是奥匈帝国的塞尔维亚飞地。就在同一周,塞尔维亚民族主义者加夫里洛·普林西普刺杀了奥匈帝国继承人弗朗茨·斐迪南大公。奥匈帝国向塞尔维亚王国宣战,米兰科维奇突然被卷入了一场全球冲突。
米兰科维奇和他的新婚妻子还没来得及回到他们在塞尔维亚贝尔格莱德的家工作,他就被俘虏了。他随身携带的只有一个公文包,里面装着几篇科学论文和他的一些笔记。
头六个月,他被关押在条件恶劣的Nezsider拘留营。最终,在他的妻子克里斯蒂娜的努力下,米兰科维奇在布达佩斯获得了监督释放。在那里,他被要求每周向当局报到一次,但除此之外,他被允许在匈牙利科学院(Hungarian Academy of Sciences)庞大的图书馆里工作。然而,尽管他的境况有所改善,他仍然渴望家和自由,并在他的工作中寻求庇护。
十年后,米兰科维奇回忆起在布达佩斯的时光,想象着凝视着他被囚禁的大楼,他写道:“我是她的战俘,如果我没有在科学工作中找到避难所,我四年来对自由的渴望会耗尽我的核心. ...。在那里,我坐了好几天,看着蓝色的多瑙河和骄傲的布达,写下了我的第一部科学作品。”
他所指的作品是一本用法语写的书,名为《太阳辐射产生的热现象的数学理论》。它包含了后来成为米兰科维奇毕生工作的核心计算:解决地球轨道如何随时间缓慢变化以影响气候重要地区接收的阳光量背后的数学问题。今天,他的名字仍然挂在科学家的嘴边,因为所谓的米兰科维奇周期被广泛认为是过去250万年周期性冰期的原因。地质学家甚至发现了它们在更久远的时间里对地球系统有节律性影响的证据。
但在20世纪初,在奥匈帝国俘虏米兰科维奇之前,他并不是以科学家的身份为人所知。相反,他以土木工程师为生。1896年,十几岁的他搬到维也纳上学,并于1904年完成了一篇关于钢筋混凝土建筑的博士论文。他在奥地利一家著名的公司找到了一份报酬不错的工作,设计大型工厂和军事设施。
不过,他觉得少了些什么。“他知道自己的主要爱好是科学,”塞尔维亚科学与艺术学院的气象学家费多尔·梅辛格(Fedor Mesinger)说
1909年,贝尔格莱德大学找到了米兰科维奇,给了他一个教授应用数学的职位。梅辛格说,尽管“薪水少得多”,他还是接受了贝尔格莱德的教授职位。1909年10月初,米兰科维奇开始复习他将要教授的领域的最新发现,包括理论物理学和天体力学。但他还没有决定在自己的研究中追求什么问题。
有一个故事说,几年后,大约在1911年,米兰科维奇和一位诗人在咖啡馆喝酒。那时,米兰科维奇已经习惯了教学,并开始思考在他的研究中应该追求哪些科学问题。与此同时,这位诗人感觉很好,因为他刚刚卖出了自己的第一本书。他宣称自己将不再写短诗,而是写他的“整个社会、我们的国家和我们的灵魂”。米兰科维奇一时激动,回答说:“我想比你做得更多。我想掌握整个宇宙,把光传播到最远的角落。”米兰科维奇“正在寻找一个宇宙问题”。
他很快发现了一个与他的宇宙野心相称的科学问题。20世纪初,欧洲和美国科学界对冰期的成因和时间进行了激烈的争论。越来越多的地质证据表明,神秘的地貌是由从北极降至温带大陆的巨大冰盖造成的,这推翻了人们一直认为这些沉积物来自《圣经》中洪水中悬浮的冰山的观点。
但更多的问题依然存在。这些冰原是什么时候前进和后退的?多少次?为什么这种情况不断发生?
丰富的想法。一些人认为地球表面上下移动——当海拔升高时,它变得足够冷,可以形成冰盖。另一些人则认为,太阳发出的光强度的变化可能大到足以解释主要的气候变化。还有更多的人认为,太空尘埃或1883年喀拉喀托火山这样的巨大火山爆发可能是罪魁祸首。
与此同时,一小群人赞成一种来自天文学殿堂的理论。在19世纪60年代和70年代,有一个引人注目的故事,一个名叫詹姆斯·克罗尔(James Croll)的看门人进入格拉斯哥安德森学院和博物馆的图书馆,发现了显示地球轨道如何随时间变化的文字。他认为地球与太阳距离的变化可能会影响冬天和夏天的相对寒冷或温暖。
克罗尔的想法未能获得主流的支持,部分原因是他们在细节上是错误的。克罗尔推测,轨道造成的寒冷冬季会使大陆上巨大的冰盖积聚起来,直到它们足够大,能够经受住温暖的夏季融化。然而,事实证明,在夏季保持天气寒冷更重要,这样积累的积雪就不太容易融化。温暖的冬天也很重要,因为它们会导致空气中更多的水分,从而导致更多的降雪来形成冰川。
米兰科维奇的关键见解是将温和季节的重要性与地球轨道上的三个不同变量结合起来。首先是偏心率周期——衡量地球绕太阳公转的周期。当轨道不那么圆的时候,就像现在,地球在一年中的一部分时间远离太阳,另一部分时间离太阳更近。当这种情况发生时,北半球的夏季比冬季长4.5天。当轨道更圆时,这种季节长度差异就消失了。这种偏心周期每10万年左右重复一次。
米兰科维茨定义的第二个变量是倾角,这个术语描述了地球自转轴相对于平坦轨道平面的角度。当地轴更倾斜时,极地地区的冬天更冷,夏天更温暖。更垂直的轴减少了季节的极端,而且,正如米兰科维奇所提出的,那些温暖的冬天和凉爽的夏天有助于促进冰盖的生长。地轴大约每4万年进行一次倾斜和矫直的完整周期。
最后,岁差周期是第三个变量。岁差是地球自转轴方向上的摆动,有点像一个玩具陀螺在减速时旋转的大圆圈。这种摆动增强了一个半球的季节性极端,同时削弱了另一个半球的季节性极端。当地轴摆动使北半球的季节变暖时,这有助于冰盖的生长。周期以大约23000年的时间尺度变化。
离心率、倾角和岁差的周期共同作用,改变了不同纬度入射阳光的总量。当变量以正确的方式排列时,这可能导致全球冰河时代,甚至导致最大的冰川融化。
因此,在第一次世界大战期间,米兰科维奇被限制在布达佩斯,他利用这些周期的数学方法,计算出地球上每个纬度在那个时刻会接收到的太阳辐射量。他能够准确地预测全球各地的平均温度,证明他的方法的基本原理是正确的。然后,他将他的计算回溯到60万年前,预测了多个大范围冰川作用的事件,这些事件似乎与当时可用的地质证据相匹配。
但当时的科学家并不欣然接受他的观点,尽管他在整个欧洲都受到尊重,但直到1958年他去世很久之后,他的工作才被证明是正确的。与此同时,气候科学家甚至对他有些鄙视。
比利时鲁汶大学(University of Louvain)的气候学家安德烈·伯格(andrev Berger)表示:“在米兰科维奇去世前一年,有一位地质学家公开表示,米兰科维奇的理论是垃圾。”
即使到了20世纪60年代,科学家们也对他的观点不屑一顾。伯杰回忆起当时在一次会议上了解到米兰科维奇和他的理论。“气象学家和地质学家都在强烈批评一个我不认识的人,他的名字叫米卢廷·米兰科维奇。他们发现他仍然是一个彻头彻尾的傻瓜。”伯杰决定亲自调查米兰科维奇的工作,并尽可能为他辩护。从那时起,他一直致力于完善和扩展米兰科维奇的思想。
然而,在他的一生中,这些负面反应并没有困扰到米兰科维奇。他有理由相信他的想法能经受住时间的考验。他在回忆录中写道:“由于许多比我伟大得多的科学发现多年来一直没有得到认可,我知道,如果我的工作对科学做出了真正的贡献,它将在没有任何帮助、推荐或赞扬的情况下找到自己的方式。”
到20世纪70年代,米兰科维奇的研究已经真正找到了方向,但它确实需要一些帮助。伯杰的计算完善了米兰科维奇的原始工作,并在1976年发表了一篇开创性的论文,发现了米兰科维奇计算的循环影响近50万年前深海沉积物组成的证据。
既然科学家们已经证明了米兰科维奇的观点是有价值的,地质学家就开始到处看到他的周期。米兰科维奇旋回甚至在全球各地发现的岩石地层中都可见,并激发了一个全新的科学领域——旋回地层学。例如,地质学家发现,在新泽西州、意大利和澳大利亚等偏远地区沉积的岩层与Milankovi?-even网站上描述的数十亿年前岩石的循环相吻合。
早在19世纪中期,米兰科维奇的理论就赢得了冰河期潜在原因的竞赛,在此之前,科学家们就了解了二氧化碳的温室效应,并假设大气中二氧化碳浓度的变化可能导致冰河期循环。从技术上讲,他们当时的看法是错误的。在过去的100万年左右的时间里,地质学家发现大气中的碳浓度变化不足以引发冰盖的进退。在此期间,大气中碳的浓度在百万分之150到300之间。
然而,现在,我们的浓度超过了百万分之420,不再处于米兰科维奇循环在过去200万年中导致冰河时代的条件范围内。乔治梅森大学(George Mason University)的旋回地层学家琳达·欣诺夫(Linda Hinnov)说:“我们的研究已经远远超出了图表。”事实上,上一次碳浓度像今天这么高是在大约300万年前,在一个被称为上新世的地质时期。“你知道,在华盛顿特区,”欣诺夫说,“我们在上新世的时候就在水下。”
在如此高的碳浓度下,地球的气候条件可能会导致米兰科维奇所描述的周期性冰河期的世界不可能发生。大气中有如此多的二氧化碳,即使改变照射到地球上的阳光量也无法点燃冰河时代。但是,尽管米兰科维奇试图理解的冰河期周期的未来在一个变暖的世界中可能是不确定的,但他的遗产是安全的——至少在科学家中是这样。他对气候科学的影响是巨大的,数百名研究人员依靠他开创的计算来了解我们星球的过去和未来。
在科学界之外,米兰科维奇并不广为人知。在塞尔维亚,他的名字很熟悉,他甚至出现在邮票和最常用的塞尔维亚货币之一上。但是,即使在贝尔格莱德,也很少有非科学家知道他对我们对地球如何运行的基本理解的贡献的细节。
在接下来的几十年里,米兰科维奇继续研究地球气候的数学,并在1939年春天准备写一本详述他的发现的权威著作。塞尔维亚皇家科学与艺术学院同意在米兰科维奇完成后出版这本名为《日照与冰河时代问题》的著作。
到1941年,《佳能》完成了,米兰科维奇把文本寄给了出版商。那一年的4月2日,他穿过贝尔格莱德来到印刷厂,检查第一版。在翻了几页散页后,他回家时向他保证,书会被折叠装订好,立即分发出去。但是,那一周晚些时候,德国和意大利的炸弹开始落在贝尔格莱德,到下一周结束时,这座城市被德国占领。
就像27年前一样,米兰科维奇的生活被一场全球战争颠覆了。他再也不能长时间躲在大学的办公室里,也不能在当地的会议厅里和其他科学家聊天了。相反,他在回忆录中写道:“我在后花园挖了一个垃圾坑,从500米远的中央水龙头里把水装进罐子里,然后砍木头给废弃已久的厨房炉子添燃料。我们的文明生活已经瓦解为一种艰苦的生活。”
过了好几个月,他才回到打印机旁,发现他的佳能打印机只有几页还在,那台打印机是被一枚爆炸炸弹从废墟中挖出来的。1941年秋天,第一批手稿被完全印刷并装订好,准备送给世界各地的科学家,几十年后,像伯杰这样的气候学家最终把它们重新拾起。
对米兰科维奇来说,他觉得《经典》的出版标志着他科学生涯的结束。他对儿子瓦斯科(Vasko)说,“你知道,一旦钓到了大鱼,就不会再为小鱼烦恼了。”“我花了将近30年的时间研究我的太阳辐射理论,现在它已经完成并出版了,我觉得自己太老了,不能再开始新的东西了。这么重要的理论不是从树上长出来的!”