地球自转与厄尔尼诺现象

魏洋1

目录：
1.厄尔尼诺现象的动力分析
1.1厄尔尼诺现象与拉尼娜现象
1.2厄尔尼诺现象的动力
2.地球自转与厄尔尼诺现象的关系
2.1地球自转的季节性变化
2.2地球自转与行星运动
摘要：厄尔尼诺现象和拉尼娜现象是重要而复杂的固体地球-海-大气相互作用。固体地球的弹性形变和受摄运动会改变自转速度，进而以刹车效应和科里奥利力作用于行星风带和海洋的运动过程中，自转速度的突变是厄尔尼诺现象和拉尼娜现象的可能原因。
关键词：厄尔尼诺现象、拉尼娜现象、科里奥利力、引潮力、行星冲日。
正文：
厄尔尼诺现象的动力分析
1.1.厄尔尼诺现象与拉尼娜现象
厄尔尼诺现象是南美秘鲁和厄瓜多尔附近尺度几千公里的赤道太平洋海面上海面温度异常上升现象。目前已有的研究和解释认为，东南信风异常减弱甚至转为西风是厄尔尼诺现象发生的主要原因。同理，拉尼娜现象，即反厄尔尼诺现象是由于东风异常增强，赤道东太平洋异常降温。
因此，无论是厄尔尼诺现象还是拉尼娜现象，都是通过赤道东太平洋地区表层海水温度异常表现出来的，厄尔尼诺是正距平、拉尼娜是负距平。正常情况下，赤道东太平洋地区的表层海水向西运动，引起南美秘鲁和厄瓜多尔沿岸较深的海水上涌以及更高纬度的海水补偿。而无论是较深的海水还是较高纬度的海水，其受太阳辐射相对较少、温度相对较低，低温的海水作用于上方气团，造成附近地区空气干燥且稳定。向西运动的海水在太平洋西岸堆积使区域海平面上升，一定程度上抑制了深层冷海水的上翻，并向高纬度地区输送暖流。因太平洋西部赤道两侧海面温度为全球海面温度的峰值，人们称此地为西太平洋暖池。相应的，有人称太平洋东部地区赤道附近为东太平洋冷舌。当发生厄尔尼诺现象或拉尼娜现象时，异常温度的海水将重塑所处地区气团的物理性质，对气候造成影响。
1.2 厄尔尼诺现象的动力
那么究竟是什么驱动着赤道附近太平洋表面向西的海流呢？一方面，固体地球自西向东的自转并不会直接带着流体海洋同步自转，这将造成海水整体相对地壳向西运动。虽然崎岖不平的地壳像盆一样承载着海水，在长时间的作用下使海洋也具备了和地球几乎同步自转的角动量，但地球自转并不均匀，固体地球时刻变化着的角动量会造成海洋的相对运动。另一方面，海洋表面的风也会长期作用于海洋表层海水，形成风洋流。地球表面接受太阳辐射不均匀，南北纬35°之间为辐射平衡正值区，即热源。该区域温度较高气压较低，相对的，高纬极地则温度较低气压较高，高低纬间形成气压梯度并驱动着单圈环流。大气相对旋转的地球参考系运动需要引入科里奥利力，它满足公式：
F（矢量）=-2m（角速度叉乘速度）
即单位质量物体所受科里奥利力的大小，正比于旋转体系的角速度和被研究物体速度的外积。不难看出，纬度越高、风速越大，风所受科里奥利力越大。在气压梯度力、科里奥利力、引力、离心力和各种阻力共同作用下，地球形成了目前可观察到的三圈环流。
赤道两侧上空低层大气水平运动形成了东风带，东风对表层海水的摩擦力，或风力是赤道太平洋地区表层海水向西运动的主要动力。此外，东太平洋冷舌和西太平洋暖池的气温差又产生东西方向的沃克环流，对两地间的海水迁移和两地气候的形成都起到了正反馈的作用。
除此之外，巢纪平利用赤道太平洋地区的海水表层、次表层水温分析1997-1998年厄尔尼诺-拉尼娜现象发现，厄尔尼诺暖水团和拉尼娜暖水团在西太平洋暖池次表层150米深度的温跃层中形成，在东移过程中逐步增强、扩大、上升，在东太平洋冷舌露出海面造成厄尔尼诺-拉尼娜现象。这提示我们海流的产生还可能有其他原因。例如叶叔华提出，西太平洋暖池地幔对流非常显著，可能存在一个裂隙或热幔柱形成热源，形成厄尔尼诺现象。
综上所述，驱动赤道海流的动力可归结为太阳辐射产生的气压梯度力、在不均匀旋转地球参考系中的惯性力（包括相对运动产生的科里奥利力）和地热等可能存在的热力。
2.地球自转与厄尔尼诺现象的关系
在上述已有理论的启发下，笔者认为，地球自转是厄尔尼诺-拉尼娜现象中不容忽视的影响因素。一方面，当地球自转较大幅度变化时，海洋的整体运动变化滞后，即“刹车效应”。地球自转加速将对赤道海流产生西向的惯性力，有利于西太平洋暖池热海水的堆积和东太平洋冷舌表层海水的离岸运动，增强两岸表层海水气温差甚至发生厄尔尼诺现象；地球自转减速则产生拉尼娜现象。与此同时，如果忽略不同年份间太阳辐射极小的变化引起的风速变化，科里奥利力也正比于地球自转角速度，地球自转较快的年份赤道两侧东风较强，也有利于厄尔尼诺现象的产生，地球自转较慢的年份则有利于拉尼娜现象的产生。郑大伟等的研究表明,地球自转的年际变化与表征厄尔尼诺事件的东太平洋赤道带，海面水温的月距平曲线存在相当好的一致性。在赤道带海温增暖时期(厄尔尼诺形成时期),地球自转年际速率减慢;海温减暖时期(非厄尔尼诺时期),地球自转速率加快。每次厄尔尼诺事件几乎都发生在地球自转年际速率由加速变为减慢之后。自1962年到1991年,两次海温最大增暖的强厄尔尼诺事件发生在1972年和1982～1983年间,日长增长达0.3 ms。用全球带风气象资料(至1989年7月)归算的大气角动量年际变化的极值点时间与△LOD和SST年际变化的分析结果是一致的。上海天文台也利用地球昼长的年际变化、地球自转速度变化和赤道太平洋海温变化的一致性成功预报了1990年及其后三次的厄尔尼诺现象。
地球自转变化随时都在发生，到底多大幅度的变化会产生厄尔尼诺现象或拉尼娜现象？发生大幅度变化的原因又是什么？
2.1 地球自转的季节性变化
地球自转每年4月9日～7月28日(110天)及11月18日～1月23日(66天)为加速阶段;1月25日～4月7日(72天)及7月30～11月16日(109天)为减速阶段。快慢时段的昼夜时间长短差别约几千分之一秒，但这微小的变化会产生可观测的影响。据统计，一年中首先在地球自转最慢时，其次在最快时，地震频率较大。
地球自转的季节性变化由太阳位置相对赤道面的上下摆动产生。当太阳位于赤道面时，太阳引潮力使地球扁率变大。根据转动惯量公式：
dI=r2dm
地球扁率增大将引起转动惯量增大，地转减慢。具体到可观测的现象上，则是春分和秋分左右，太阳位于地球赤道面附近，地球自转减慢；夏至和冬至左右地球自转则加快。这个理论的定性讨论和观测数据、计算的结果吻合得很好（具体数据和计算过程见参考文献[3]）。同理，月亮位于赤道面也会引起地球扁率增大。
地球扁率增大不仅会减慢地球自转速度，还会产生地壳张裂和地下物质喷发，这便是地球自转速度与地震频率的潜在关系。同理，虽然厄尔尼诺不会同地球自转季节性变化一样每年都发生，但据统计，70%以上的强厄尔尼诺年都为火山活跃年，可能是因为地球自转较慢的年份赤道区域膨胀形变最大，火山活动强烈，进而造成海洋深部水温骤增，提供厄尔尼诺现象产生的热力条件。因此，一年之内多次发生日食、月食是厄尔尼诺可能发生的重要预兆。如1997-04～1998-07发生了20世纪最为强烈的厄尔尼诺事件。其天文条件是1997年3月9日发生日全食, 9月1日发生日偏食, 3月24日发生月偏食, 9月17日发生月全食;1998年2月27日日全食, 8月22日日环食。
2.2 地球自转与行星运动
除了日月这两个天体能通过引潮力持续影响地球自转外，太阳系内其他大天体也能通过引力对地球自转产生影响。例如上述提到的1997～1998年厄尔尼诺现象，1997年3月火星冲日, 8月木星冲日, 10月土星冲日且为黄纬极值年。相对于日月对地球周期性的引潮力和三天体之间长期的角动量传递，其他天体对地球自转主要以短期、强烈的引力摄动来作用。叶更新计算了1950～2050年太阳系内各大行星运动情况并与已发生厄尔尼诺的年份比较，发现二者之间强烈的相关性，其中以火星、木星、土星和天王星最为明显（详见参考文献[2]）。截至1997年，所有厄尔尼诺事件都发生在四大行星冲日时日心黄纬极值年或翌年。他还预言了未来50年厄尔尼诺发生的可能年份：1997～1999,2004～2005,2007,2010～2012,2017～2019,2022～2024,2027～2029,2034～2035,2040～2041,2046～2048。截至2020年12月31日，其预测年份与发生厄尔尼诺的的年份吻合较好。
结论：地球本身各个圈层的性质和所处的宇宙空间是其一切自然现象产生的根本原因，自转既是地球本身的属性，也是地球受外界影响的重要方式，地球自转的突变有可能是厄尔尼诺现象在内许多反常而复杂现象的重要原因。
参考文献：
[1] 叶叔华. 人类对地球的新认识[J]. 科学, 1999(01):4+27-31.
[2] 叶更新. 厄尔尼诺与行星运动的联系及其预测[J]. 气象学报,1998(05):3-5.
[3]杨学祥,陈殿友.构造形变、气象灾害与地球轨道的关系[J].地壳形变与地震,2000(03):39-48.
[4]杨学祥.厄尔尼诺事件产生的原因与验证[J].自然杂志,2004(03):151-155.
[5]穆明权,李崇银.西太平洋暖池次表层海温异常与ENSO循环的相互作用[J].大气科学,2000(04):447-460.