为什么除水星之外行星椭圆轨道的偏心率都很小?

偏心率(离心率) （eccentricity） 椭圆两焦点间的距离和长轴长度的比值。即某一椭圆轨道与理想圆环的偏离，长椭圆轨道“偏心率”高，而近于圆形的轨道“偏心率”低。 离心率定义为椭圆两焦点间的距离和长轴长度的比值。 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0<e<1时椭圆 当e=1时抛物线 当e>1时双曲线 所谓偏心率就是描述轨道的形状，是立体几何中的学说。认为是圆投影。 公式是c：a=e 行星的偏心率 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。尽管开普勒定律阐明的是行星绕太阳的轨道运动，它们可以用于任意二体系统的运动，如地球和月亮，地球和人造卫星等。 点卫星在点中心体场中的轨线称为开普勒轨道。点中心体位于一焦点。开普勒轨道是圆锥曲线，当极坐标原点在实焦点时的方程为 其中p为半参量，而e为偏心率。 太阳系八大行星的轨道偏心率如下： 行星偏心率 水星0.206 金星0.007 地球0.017 火星0.093 木星0.048 土星0.056 天王星0.046 海王星0.008 注：偏心率（即离心率e=c/a）越大，椭圆越扁。 由上面数据可知，行星的偏心率与距日远近应该没有直接联系，而主要是由入射初始条件决定。

中更新世气候转型是第四纪气候变化中的最重要的特征之一，它是指全球气候的主导周期在中更新世时由41ka转变为100ka，且气候波动的幅度也加大。对此，众说纷纭。

本文对中更新世气候转型进行探讨。地球气候是由地球接受到的有效阳光辐射所决定的。青藏高原的隆起导致全球冰量的增加，减少了地球接受到的有效阳光辐射。全球气候的主导周期在中更新世时由41ka向100ka的转变是由于全球冰量的增加及其分布对地球轨道偏心率引起的地球近日点变化所作出的呼应。极地冰盖对阳光的反射能力在极昼强，极夜弱。低纬度冰川对阳光的反射能力很强。何况低纬度冰川的出现就是全球冰量的增加。青藏高原的隆起，增加了全球冰量、增强冰盖对全球气候的影响力，引起中更新世气候转型。因海陆分布状况，有利于北半球冰盖扩张的地球轨道阶段，是冰期周期的冷期（最甚者是盛冰期）；不利于北半球冰盖扩张的地球轨道阶段，是冰期周期中的暖期。大的地球轨道偏心率时与小的地球轨道偏心率时相比地球的近日点离太阳较近；地球处其它地点时离太阳较远。低纬度冰川对近日点变化敏感。极地冰盖对地球自转轴倾斜度变化敏感。地球处于小的地球自转轴倾斜度、大的地球轨道偏心率、地球的近日点在北半球的冬至时，地球处于冷期。大的地球自转轴倾斜度、大的地球轨道偏心率、地球的近日点在北半球的夏至时，地球处于暖期。“100ka”周期是地球的近日点周期。

关键词：中更新世气候转型、100ka周期、地球轨道偏心率、冰期、低纬度冰盖、近日点

1、青藏高原的隆起与中更新世气候转型

在近二百多万年来地球屡次发生冰川的大面积扩展及其消融事件，地球的一切当然也相应随之变化，这就是通常所说的更新世大冰期。

如同许多事情一样,人们的意见是不一致;对更新世的年代划分也是如此,虽然大家都同意更新世大冰期的提法.长更新世240万年,与黄土有关。短更新世约100万年以至更短(相当于长更新世的中更新世到约1万年前,作者所使用的是长更新世),当然也有其依据。地球演化到中更新世,全球气候的主导周期由早更新世的41ka转变为此后的100ka周期。与此气候转型相对应，全球冰量在这一时期增加了约15%。[1]中更新世,全球气候才可以名副其实称为大冰期,早更新世只是气候波动而已！

何种原因导致了中更新世气候转型是第四纪气候演变中一个根本性的问题。现有许多解释，但都不能令人满意。

地球的一切变化都是有其现实基础。在更新世地球的一个重大事件是青藏高原的快速上升。二叠纪后冈瓦纳大陆解体，印度板块北上。始新世中期（距今4000万年左右）新特提斯洋消亡，印度次大陆与亚洲主大陆碰撞，把喜马拉雅地体焊接到亚洲大陆上，统一的青藏高原才告完成。此次运动一般称为第一期喜马拉雅运动。此次运动不很强烈，但喜马拉雅地区完全露出海面成陆。青藏高原的海拔还很低。新第三纪早期（距今2500～1000万年），青藏高原地壳运动较为活跃，开始缓慢抬升。此次运动一般称为第二期喜马拉雅运动。第二期喜马拉雅是一次十分强烈而又影响很广的运动。第二期喜马拉雅运动以后，西藏地区保持相对稳定约达一千万年之久。上新世时高原海拔高度在一千米左右。自上新世末开始青藏高原进入以大幅度分阶段的强烈隆起的新时期。上新世以来近200万年间，青藏高原强烈隆起的幅度达3000～4000米。晚更新世以来的十多万年中上升量达1000多米，平均每年上升达10mm以上。此次运动称为第三期喜马拉雅运动。此次运动使青藏高原展现出真正的高原面目。[2][3]

中更新世气候转型是由于第三期喜马拉雅运动使青藏高原在中更新世达到相当高度进入冰冻圈,展现高原冰盖面目，使地球气候表现出低纬度青藏高原冰盖的影响。

高原气候严寒不是由于阳光辐射的不足,相反高空的阳光辐射总是高于同地低地。高原气候严寒主要是由于高原空气稀薄保存热量的能力不高,加之地面植被情况不佳保存热量的能力也不高。较强的高原风加速了热量的散失，也是高原气候严寒原因。青藏高原进入冰冻圈后,因冰的反射能力与冰热容量很高而成为负热量的保存地。

低纬度的青藏高原冰盖大大增强了地球的反射能力,减少了地球所接收的阳光辐射。一方面是低纬度冰盖的出现本身就是全球冰量的增加。更重要的是低纬度冰盖的反射能力比极地冰盖强。原因是由于极地冰盖(极地圈内,地球自转轴倾斜度较大时面积较大)在极夜期间无阳光照射,自然无反射。低纬度冰盖常年反射且低纬度阳光辐射较强。而且至今还未停止的第三期喜马拉雅运动使青藏高原更多的进入冰冻圈。此外，低纬度青藏高原冰盖的加入减少了地球所接收的阳光辐射，也促使极地冰盖及其自身发展。北极冰盖就是在中更新世时才达到目前规模。

在中更新世低纬度青藏高原冰盖与极地冰盖相促相成，共同发展使地球接受到的有效阳光辐射减少，地球温度下降，地球名副其实的进入大冰期！

但只谈青藏高原只能解决地球温度波动幅度增大的问题，而不能解决中更新世全球气候主导周期由早更新世的41ka转变为此后的“100ka”周期转型的问题！而不解决周期转型的问题则根本谈不上解决中更新世气候转型问题！

2、关于中更新世气候周期转型

中更新世全球气候的主导周期由早更新世的41ka转变为此后的“100ka”周期转型似乎是很难彻底解决的问题。许多假说之不能予以令人满意的解释，即是在此问题上。

但以地球轨道要素变化与地理要素相结合是可以对此问题做出圆满解释的。

让我们从研究地球轨道要素开始。由于地球自转轴的倾斜，地球的夏半球与太阳接近而冬半球与太阳远离，因而地球有了春、夏、秋、冬四季。地球自转轴的倾斜运动中黄赤交角大地球夏半球与太阳更接近而冬半球与太阳更远离，黄赤交角小则情况相反。黄赤交角加大时，阳光在各纬度间的分布差异加大。地球岁差是太阳与月亮引力作用使太阳视运动中太阳每年通过春分点的时刻总比回到恒星年同一位置的时刻早些。回归年短于恒星年的现象就是岁差。岁差导致地球春分等时刻变化，实际就是地球南、北半球的夏季时刻与地球的近日点在那个半球的夏季。岁差周期中，地球南、北半球各有半个周期时间里地球的近日点在该半球的夏季。地球的轨道偏心率之大小实际就是地球与太阳的距离之大小，轨道偏心率大地球的近日点与太阳接近，轨道偏心率小地球的近日点与太阳远离；对于非地球的近日点阶段而言，轨道偏心率大时地球与太阳远离接近，轨道偏心率小时地球与太阳接近。地球天文轨道运动就是如此影响太阳辐射量的变化。

由于南极区域（包括周边而不是仅指极点）大陆面积较小且周边环海，海域面积远大于陆地，可以说南极的热容量很高；与北半球冰川发展的源头北极相比，北极区域陆地面积较大，热容量较小；相同的负热量在北极区域所能形成的冰川要远远大于南极区域。与北极区域相比，南极区域的热容量状况不利于冰川的发展。南、北半球的热容量状况与南、北极状况是相类似的。北半球冰川容易发展，南半球冰川不易发展。

有利于北半球冰盖扩张的地球轨道阶段，是冰期周期的冷期（最甚者是盛冰期）；不利于北半球冰盖扩张的地球轨道阶段，是冰期周期中的暖期。地球黄赤交角与地球的近日点及其近日程度的时间变化导致的太阳辐射量波动与地球地理要素对有效太阳辐射量的调制组合形成了地球冰期运动。

地球冰川即受冬季的负热量制约又受夏季正热量制约;正热量大于负热量冰川消耗,反之增长。但是由于冰体对阳光的反射率很高,对冰期运动而言阳光辐射量的增长幅度并不直接等同于正热量的增长幅度。

王会军在《古气候模拟与气候模式》一文中介绍:“地球公轨道偏心率在此0.0与0.07间变化。无论它的值是多大,地球接收的辐射总量保持不变,但两个半球间存在差别。现在的偏心率等于0.0174,南半球比北半球年平均多接收6.7%的太阳辐射。偏心率的最大值为0.07,此时两半球接收到的太阳辐射量相差28%。偏心率的循环周期大约是96000a,由于大行星(主要是木星和土星)的引力作用引起的轻微变化,该周期可在90000～100000a间变化。地球目前的倾斜率(即黄赤交角)是23.47度,但在40000～41000a时间里它会在21.39度～24.36度间变化。当黄赤交角加大,季节性变得显著,导致了两高纬度地区接收太阳辐射量的年变化加大。”在同文中王会军还介绍:“把轨道变化与冰期时间选择联系起来有两个矛盾。但整个周期的辐射改变是非常小的,约2w.m-2,这个量级至多能解释全球温度1～2℃的变化,远小于观测到的7～10℃的温度波动。其次,冰川作用是全球同时发生的,而促发冰期的辐射减小仅发生在北半球。”[4]这两个矛盾后者是可以用前述地球海陆分布情况对太阳能变化的呼应来解释，前者则是可以用冰、水、热关系呼应解释。因为地球气候是由地球接受到的有效阳光辐射所决定的，而冰、负热量间存在正反馈关系。

低纬度太阳辐射强烈，当近日点远离，低纬度太阳辐射减弱，低纬度的青藏高原冰盖扩张。大的地球轨道偏心率时与小的地球轨道偏心率时相比地球的近日点离太阳较近；地球处其它地点时离太阳较远。低纬度高原冰盖对近日点变化敏感。

地球自转轴的倾斜导致地球的四季变化与气候分带。黄赤交角越大，四季变化越显著，极地自身的冬、夏阳光辐射差异越大，低纬度与极地阳光辐射差异越大。反之，黄赤交角越小，四季变化越弱，极地自身的冬、夏阳光辐射差异越小，低纬度与极地阳光辐射差异越小。黄赤交角越大，极地的冬、夏阳光辐射差异越大。南极冰盖由于其地理状况及热容量状况影响，其与低纬度能量交换弱，阳光辐射强时也并不能使之大量消融，阳光辐射弱时也不能使之扩展。南极冰盖在今天可以说是地球气候变化中的确定因素。只不过南极冰盖在阳光辐射强时其反射的阳光辐射量相应增多，在阳光辐射弱时其反射的阳光辐射量相应减少而已。北极的情况则有所不同。北极的冬天越严寒，越有利于其极地冰盖的扩展；北极的夏天越温暖，越增加其极地冰盖的消融。北极极地冰盖对黄赤交角变化敏感。

全球冰盖因极地冰盖与低纬度青藏高原冰盖的微妙关系而复杂。加之低纬度的青藏高原冰盖对阳光的反射能力很强，而极地冰盖对阳光的反射能力在极昼强，极夜弱。故按以下原则考虑暖期、冷期：“黄赤交角大、大的地球轨道偏心率、地球的近日点在北半球的夏季时，地球处于暖期；黄赤交角小、大的地球轨道偏心率、地球的近日点在北半球的冬季时，地球处于冷期。在其余时段，则按诸因素强弱处中间状态。”“100ka”周期是地球的近日点周期。

在此之前，早更新世的全球冰量不足。在无低纬度冰盖的早更新世，仅有极地冰盖的扩张。故黄赤交角越大，地球温度越低。黄赤交角直接决定极地太阳辐射强弱。地球近日点在地球的时刻变化影响太阳辐射的分布。因此黄赤交角周期与影响近日点时刻的岁差周期为早更新世的主导周期。

低纬度青藏高原冰盖的加入增加了全球冰量，提高了全球冰盖对阳光的反射能力，使之对全球气候的影响力增强。但如果仅仅是全球冰量的简单增加，只能增加波动幅度，并不能改变全球气候的主导周期。青藏高原之隆升，其低纬度冰盖的特殊影响使此前作用不直接的地球轨道要素轨道偏心率显现出来。“100ka”周期是地球轨道要素轨道与地球地理要素组合所导致的全球冰量周期。

更新世大冰期运动实际上并非周期性运动而是一种旋回性运动，更新世各次大冰期均各有其特点。所谓中更新世全球气候的主导周期由早更新世的41ka转变为此后的“100ka”周期，也只是准周期；短的周期84ka，长的如易为我们所了解的末次大冰期为125ka周期。表现的是诸要素影响！

邬光剑等（2002）认为中更新世气候转型不是一个快速事件，而是几十万年的长期过程。的确应该是如此。由量变到质变是符合青藏高原的隆起过程。

3、讨论：

有研究者（如dh-11的研究者）认为有些记录与米兰柯维奇假说不一致。我这认为很正常，在冰期运动中，某些地域、在某些时段是很可能存在地域性表现的。丁仲礼、刘东生（1998）指出东亚季风变化的主导周期与印度季风不同，前者以0.1ma周期为主，后者则以41和23ka周期为主。印度季风不具备特征的0.1ma“冰量周期”，意味着它变化的主要驱动因素不是全球冰量，而可能是低纬度太阳辐射。[5]况且我们所面对的是全球气候变化，而不是65纬度或其它什么纬度的太阳辐射计算。前者是真实发生，后者即使再好也只是工具而已！更新世大冰期运动是因极地冰盖、低纬度青藏高原冰盖而生，必须按全球状况出发！这决定大冰期运动不是简单的线形问题。

此外，低纬度青藏高原冰盖状况并不只取决于青藏高原隆起高度。冰盖发展的两个最基本条件是负热量与水分的补充。高原之隆起影响负热量，但水分补充可绝不会是随着高原隆起高度升高而越加充足。很可能是高原之隆起达某一高度与面积时，负热量与水分补充的结合最有效，促成青藏高原达到最大冰盖规模。今天的青藏高原状况代表不了青藏高原的昨天、明天！

水星
水星是九大行星中最靠近太阳的行星，：它是太阳系中运动最快的行星。水星公转平均速度为每秒48公里，公转周期约为88天。它的半径为2440公里，是地球半径的38.3％。水星的体积是地球的5.62％，质量是地球的0.05倍。水星外貌如月，内部却像地球，也分为壳、幔、核三层。天文学家推测水星的外壳是由硅酸盐构成的，其中心有个比月球还大的铁质内核。
水星的自转周期为58.646日，自转方向与公转方向相同。由于自转周期与公转周期很接近，所以水星上的一昼夜比水星自转一周的时间要长得多。它的一昼夜为我们的176天，白天和黑夜各88天。

金星
金星是距太阳的第二颗行星，是天空中最亮的星，亮度最大时为-4.4等，比著名的天狼星还亮14倍。金星是地内星系，故有时为晨星，有时为昏星。至今尚未发现金星有卫星。由于金星和地球在大小、质量、密度和重量上非常相似，而且金星和地球几乎都由同一星云同时形成，占星家们将它们当作姐妹行星。然而不久前科学家们发现，事实上金星与地球非常不同。金星上没有海洋，它被厚厚的主要成份为二氧化碳的大气所包围，一点水也没有。它的云层是由硫酸微滴组成的。在地表，它的大气压相当于在地球海平面上的92倍。
由于金星厚厚的二氧化碳大气层造成的“温室效应”，金星地表的温度高达482°c左右。阳光透过大气将金星表面烤热。地表的热量在向外辐射的过程中受到大气的阻隔，无法散发到外层空间。这使得金星比水星还要热。金星上的一天相当于地球上的243天，比它225天的一年还要长。金星是自东向西自转的，这意味着在金星上，太阳是西升东落的。
金星的表面随机布满了许多小型陨石坑。由于金星的浓厚大气，直径小于2公里的陨石坑几乎无法保留下来。而当大型陨石在小型陨坑形成前撞击金星表面，其产生的碎片在地表产生了例外的陨石坑群。火山及火山活动在金星表面为数很多。至少85%的金星表面覆盖着火山岩。大量的熔岩流经几百公里，填满低地，形成了广阔的平原。除了几百个大型火山，100000多座小型火山口点缀在金星表面。从火山中喷出的熔岩流产生了长长的沟渠，范围大至几百公里，其中一条的范围超过7000公里。

地球
地球简单介绍:依照太阳由近及远，地球是第三颗行星,与太阳的平均距离约1．496亿千米；地球围绕太阳公转的轨道是椭圆的；地球公转速度以在近日点为最大，每秒30．3千米，在远日点为最小，每秒29．78千米，平均速度为29．79千米／秒。地球绕太阳公转1周的时间为1年，自转1周的时间为1日。由于地球内部和外部的原因，地球的转动非常复杂，表现在自转轴方向的变化及自转速度的变化上。
它最显著的特征就是有生命（在太阳系内可能是唯一的现象）等等。

火星
火星是一颗引人注目的火红色星球。他荧荧如火，位置不定，亮度时有变化，中国古代称之为“荧惑”，古罗马用战神马尔斯命名它。1877年，意大利天文学家斯基亚帕雷利观测到火星上密布有规则的线条，他说那是“运河”，在火星上发现了人工开凿的运河成了当时轰动世界的新闻，此后，人们纷纷幻想有“火星人”。20世纪以来，对于火星有无生命的争论始终没有停止。瑞士物理学家马孛·比孛夫分析了从火星上拍回来的照片后说：在这个红色星球的表面，建筑了纵横交错的运河，河里还挤满了无数的鱼类。1976年美国的两个“海盗”号探测器在火星上着陆，它们在火星表面上进行了预定的考察和实验，确认火星上根本不存在“运河”，大概没有生命。苏联在62-73年间也多次发射了“火星”号探测器。
火星是一个直径为6787千米的寒冷荒芜的星球。大气非常稀薄，二氧化碳占了96%。又少量的水气和氧。表面气压相当于地球30-40公里高空的气压。温差很大，赤道中午时可达20。c，两极在漫长的极夜，最低-139。c。火星上有云，分为干冰云、水冰云、尘埃云。大尘暴是火星大气中独有的现象，这种笼罩整个火星的大尘暴，几乎在每个火星年里都要发生一次，而且是发生在火星运行到轨道的近日点前后。科学家们认为，这是因为此时太阳对火星表面的加热作用比较大，热空气上升尘埃扬起尘暴很快蔓延开来，并从南半球发展到北半球，甚至把整个火星都笼罩在尘暴之中。形成全球性大尘暴后，太阳对火星表面的加热作用开始减弱，火星上温差减小，尘埃逐渐平息下来，回降到表面。火星上也有四季变化。它的最引人注目的地形特征是干涸的河床。它们多达数千条，长度从数百千米到10000千米以上，宽度也可达几千米到几十千米，蜿蜒曲折，纵横交错，极为壮观。它们主要集中在火星的赤道区域附近。河床的存在使科学家们认为，现在干燥异常的火星曾经有过大量的水。火星上最壮观的特征是位于南半球的大峡谷其中尤以水手谷更为突出。水手谷由一系列峡谷组成，绵延5000米以上，宽500千米，深也达到6千米左右，这样的峡谷是地球上任何峡谷无法比拟的。奥林匹斯火山更为神奇，这个直径达600千米的大火山口竟比周围地区高出26千米，是地球上珠穆朗玛峰的3倍。像水手谷和奥林匹斯火山这样的特大地貌，在整个太阳系里都是绝无仅有的。火星两极有白色极冠，是干冰和水冰，水冰如果全融化，可在火星表面形成10米的均匀水层。火星离太阳的距离变化较大，若冲日（从地球看，火星和太阳反相的日子，这时火星傍晚东升次日凌晨西落，整夜可见）发生在火星离日最远时，火星距地一亿公里；最近时，只5500公里（这时称大冲），是观测的最佳时机。大冲每15或17年一次。

木星
木星是被浓密气体所包围的太阳系中最大的行星，其质量是地球的318倍，体积超过地球的1300倍。它的大气主要由氢、氦、氨、甲烷组成。推测它有石质的内核。
木星的质量约为所有其他行星质量总和的两倍。如果木星质量再大一些，它的内部温度就会增高到足以使其产生热核聚变的程度，它就会转变为另一个太阳。
木星自转很快，在木星上的一天还不到10个小时。由于离心力的作用，木星赤道上有一个明显可见的隆起部分。当我们观察木星时，看到的不是一个固体表面，而是一层相当稠密的、不透明的、湍动的气体。木星飞速的自转和变化着的表面特征，使它成为最迷人的行星之一。
大红斑是木星的一个特征。它大到足以圈下三个地球。1660年人们对这块大红斑作了首次描述，300多年来，人们一直在观察它。它已经改变了颜色和形状，但它却从来没有完全消失过。目前普遍认为，它是木星上层大气中一次持久的风暴。
木星被称为小太阳系，它的卫星有16颗，其中直径与月球相似甚至更大一些的有4颗。这4颗卫星中，最靠近木星的是爱奥（io），之后依次是：欧罗巴（europa），加里梅迪（ganymede）与卡里斯脱callisto）。

土星
土星是太阳系九大行星之一，按离太阳由近及远的次序是第六颗；按体积和质量都排在第二位，仅次于木星。它和木星在很多方面都很相似，也是一颗“巨行星”。从望远镜里看去，土星好象是一顶漂亮的遮阳帽飘行在茫茫宇宙中。它那淡黄色的、橘子形状的星体四周飘拂着绚烂多姿的彩云，腰部缠绕着光彩夺目的光环，可算是太阳系中最美丽的行星了。
土星是扁球形的，它的赤道直径有12万公里，是地球的9.5倍，两极半径与赤道半径之比为0.912，赤道半径与两极半径相差的部分几乎等于地球半径。土星质量是地球的95.18倍，体积是地球的730倍。虽然体积庞大，但密度却很小，每立方厘米只有0.7克。
土星内部也与木星相似，有一个岩石构成的核心。核的外面是5000公里厚的冰层和8000公里的金属氢组成的壳层，最外面被色彩斑斓的云带包围着。土星的大气运动比较平静，表面温度很低，约为零下140摄氏度。
土星以平均每秒9.64公里的速度斜着身子绕太阳公转，其轨道半径约为14亿公里，公转速度较慢，绕太阳一周需29.5年，可是它的自转很快，赤道上的自转周期是10小时14分钟。
土星的美丽光环是由无数个小块物体组成的，它们在土星赤道面上绕土星旋转。土星还是太阳系中卫星数目最多的一颗行星，周围有许多大大小小的卫星紧紧围绕着它旋转，就象一个小

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