人类文明的气候天文学与外星人的星球之间

骑UFO看外星人

本文选自《中国国家天文》杂志：公元1788年的法国，是欧洲人口最众庶的国度，国王、贵族和教士统治着这片土地，平民们以名目繁多的封建税和教会的什一税供养着统治者。王国政府此时债台高筑，在北美独立战争中，法国人耗费了不计其数的金钱和物资，漂洋过海去援助美国。三年前的大旱灾迫使农民宰杀了大批牲畜。没有牲畜，就没有农家肥料，许多农田因此不得不休耕。三年后，农业尚未完全恢复。

　　然而就在这一年，法国农业再度遭到春旱的打击。面包价格飞涨，平民们饥肠辘辘，却仍须缴纳重税。7月13日，一场罕见的大冰雹重创法国农村，英国外交官描述道：“在降下巨大的冰雹以前，天上传来恐怖的巨响……四五百个惨遭破坏的法国村庄如果得不到救助，村民们将大量死亡；葡萄藤全被打断，未来三四年将彻底绝收……”
　　雪上加霜的是，这年的冬天特别寒冷。河流冻结，水磨无法运转，粮食无法运输，面包短缺的形势更加严峻。饥饿的民众开始聚集起来抢劫粮食。恶劣的气候激荡起法国大革命的风暴，随后的历史举世皆知：1789年召开的三级会议；攻占巴士底狱；砍下国王的头颅；资产阶级掌权；自由、平等、博爱的新价值观动摇着整个欧洲的王权统治和贵族政治……
　　这段历史，只是气候与人类历史这一永恒话题中的一个篇章。

　　气候变迁中的历史

　　2007年1月4日，英国《自然》杂志的一篇论文引发了关于气候与唐朝灭亡原因的又一场争论。德国科学家G·H·Haug等通过研究中国雷州半岛的岩心，发现大约在公元700年～900年间，东亚地区的冬季风强劲，而夏季风较弱，并形成了“冬季风强-夏季干旱”的对应关系。Haug等认为：“最终造成盛唐衰败的是长期干旱和夏日极其少雨的气象原因，因为连年干旱造成谷物欠收，激起农民起义，并最终导致唐朝在907年灭亡。”
　　Haug的观点遭到了一些中国科学家的反对，例如张德二认为：“唐朝灭亡前的最后30年正处于多雨期而不是干旱期”，“寒冬一湿夏的对应关系才是唐朝后半期的气候特点”，冬季风强与夏季干旱的对应关系并不成立。
　　无论气候是否唐朝灭亡的原因，它对于人类历史的影响力都是显而易见的。在大自然的威力面前，人类只是渺小的存在。而气候，正是大自然掌控人类命运的利器之一。特别是在科学技术尚不发达的时期，大自然几乎决定着历史的走向。
　　民族大迁徙是世界史上最震撼的一类事件。学者许靖华发现，约4000年来有4个全球变冷时期，分别在公元前2000年、前800年、公元400年及1600年前后，其间有3次冷暖的周期性交替。他认为，民族大迁移是由于庄稼歉收和大面积饥荒，而不是逃离战争，例如公元2和3世纪的日尔曼部落大迁移。伴随着这种冷暖交替，古代各民族经历了一幕幕长途迁徙、兴亡更替的悲喜剧。
　　许靖华系统梳理了4000年来气候变迁背景下的世界历史。他于1998年发表的《太阳、气候、饥荒与民族大迁移》是这方面值得一阅的一篇文献，下面是其中部分案例：
　　公元前2000年左右的全球变冷给北部欧洲带来了寒冷湿润的夏天……但寒冷气候到来，气候过分寒冷潮湿，养牛所需干草供应不足，所以德国北部和斯堪的纳维亚南部的印欧人不得不迁移。他们带着陶器和战斧，到达俄罗斯南部，从那里又去东南欧、安纳托利亚半岛、波斯、印度甚至到中国的西北部。
　　有历史学家认为，位于今天中国新疆的楼兰古国的祖先就是这次迁徙来的古印欧人。
　　在公元初几个世纪，气候进一步恶化，引起了更大的饥荒：一个又一个日尔曼部落离开他们在德国北部的家园……而最寒冷的年份就是发生日尔曼民族大迁移的4世纪末到6世纪初。
　　中国第一次向较冷气候的转变发生在公元前后。王莽是一个有能力的统治者，但当寒冷与干旱引起大面积的饥荒时，他强有力的政府也不能阻止农民起义。在东汉王朝期间，很少有和平和繁荣。气候继续明显恶化，纷乱最终导致了汉王朝崩溃。
　　在6世纪末中国再次统一之后，隋、唐和宋初又是繁荣时期。中国这段繁荣年代总体来说是暖和的400年（公元600～965年）。
　　在中世纪气候最适期，随着全球变暖，很多沙漠变成了绿洲。温度上升带来降水增加，中国新疆塔克拉玛干沙漠边缘的丝绸之路上的汉朝古城被重建。10世纪在宁夏建立的伟大的西夏王国现在已是一片沙漠……
　　这种“气候史观”改变了许多传统的史学观点，它虽然受到了许多质疑，但是将气候因素引入史学研究无疑是必要的。气候对于人类命运有着如此深远的影响，那么，气候变迁的动力是什么？
　　

太阳与气候变迁

　　除了对于地球及其大气本身的研究之外，很多智者也将目光投向更高远的太空，去那里寻找影响气候变化的因素。
　　这种思想的起源很早。在气象与天象之间建立某种经验的或者神秘的联系，是中外历史上都有的文化现象。中国春秋时期的《诗经》说：“月离于毕，俾滂沱矣。”意思是当月亮运行至毕宿的时候，地上就会大雨滂沱。而在西方，古希腊的亚里士多德也有类似的思想。公元1世纪的托勒玫著有《至大论》，是地心说的集大成者，这部书也提到了如何通过星象来预测气候变化。中世纪的星占家发展了一整套预测气象的占星法。在英格兰，约克的罗伯特于1325年出版了一部关于气象预测的星占书，据说他是英国最早的“星占气象学家”。而牛津大学的“星占气象学家”莫利（故于1347年）是第一位详细记录天气的英国人。 　　近代科学出现后，一部分科学家也将气候变化与天文因素相联系，其中的首要因素是太阳活动，尤其是太阳黑子的活动。最早注意到太阳活动会影响气候的近代学者是英国著名天文学家赫歇尔。1801年，他注意到太阳黑子较少时，地球上的雨量也会减少，并进而影响农业与经济。
　　200多年来，有许多科学家在利用地质资料和历史文献重构气候变迁史。例如，许靖华将数千年来的气候划分为：现代气候最适期A（公元1820年后）、小冰期B（1280年～1820年）、小气候最适期C（600年～1280年）、小冰期D（前60年～公元600年）、小气候最适期E（希腊罗马时代，前700年～前60年）、小冰期F（荷马时代，前1275年～前700年）、小气候最适期G（商朝，前1800年～前1250年）、小冰期H（前2200年～前1800年）、小气候最适期I（前2900年～前2200年）、小冰期J（前3400年～前2900年）。气候最适期往往也是人类文明的繁荣期，例如最适期C正是唐宋时期，是中国封建社会的文明高峰；而小冰期往往是动荡期，例如小冰期D，在中国对应于三国魏晋南北朝的分裂动荡期，在西方正是罗马帝国因蛮族入侵而崩溃的时期。
　　根据太阳黑子记录和极光记录，以及地质学资料，几千年的太阳活动也可划分为多个时期：蒙德最小期（1645年～1715年）、斯波勒最小期（1402年～1516年）、元朝最小期（1350年～1387年）、乌尔夫最小期（1275年～1340年）、宋朝最大期（1076年～1278年）、唐朝最小期（579年～807年）、北魏最大期（478年～513年）、六朝最小期（401年～477年）、东晋最大期（296年～400年）、东汉最小期（20年～295年）。
　　许靖华认为，这些气候期与太阳活动期可以建立对应关系，例如公元1275年～1715年，太阳活动经历了蒙德最小期、斯波勒最小期、乌尔夫最小期，这段时期正对应于气候小冰期B；公元478年～1278年经历了北魏最大期、宋朝最大期，对应于小最适期C；公元20年～477年经历了东汉最小期、六朝最小期，对应于小冰期D。
　　不同学者对于气候变化和太阳活动的阶段划分并不一致，例如，有人将12世纪以来的太阳活动划分为：12世纪极大期（1110年～1210年）、宋元极小期（1280年～1360年）、明初极大期（1360年～1390年）、15世纪极小期（1420年～1510年）、17世纪极大期（1590年～1670年）、18世纪极小期（蒙德极小期，1670年～1730年）、19世纪极大期（1835年～1885年）。
　　太阳活动与气候变化之间的关联曾经被科学界长期质疑，1994年有人发现证据表明，太阳活动的细小变化可对气候造成较大影响。目前，在这方面已经取得了一些较有影响的研究成果。例如，竺可桢等学者指出，12世纪初中国气候加剧转寒，1111年冬太湖结冰，可以供大马车通行，而此时正对应于太阳活动的12世纪极大期开端。此外，1280年前后的太阳活动与气候都出现了明显的阶段性转变。
　　太阳活动是如何影响气候的呢？首先，太阳活动会引起太阳热辐射的变化，虽然这种变化很微弱，但是却完全有可能影响地球气候。其次，太阳活动在可见光波段造成的辐射强度变化虽不大，但紫外波段的强度变化却可能很剧烈。而紫外辐射对于地球高层大气有显著影响。2008年前后，太阳活动非常微弱，日面上黑子稀少，地球上也出现了近年难得一见的寒冬。有科学家认为，这就是因为太阳紫外辐射强度降低，导致高层大气环流改变，进而影响了全球气候。
　

　行星轨道与气候

　　太阳黑子的活动周期可以解释几千年来的气候变迁，但是在更加漫长的地质时期，还有过更加巨大的气候变化，这似乎仅仅靠太阳黑子活动的周期变化是无法解释的。
　　根据恒星演化模型，在数十亿年前，新生太阳的亮度远较现在微弱，而紫外辐射则比现在更强。这就使整个太阳系的气候条件都与今天有着显著不同。而在将来十多亿年中，太阳的亮度还将大幅上升，地球的温度将比现在更高，海洋或许将不复存在。但是这样一种理论又很难解释数千万年来的气候变化。
　　面对这一难题，近代出现了天文气候学。它的主要观点是：全球性的气候变迁是由不同地区、不同季节获得的太阳热量变化引起的，而地面所受太阳热量的变化是由地球的几何轨道的缓慢自然变化造成的。
　　据说，以博学多才著称的美国第三任总统、《独立宣言》的主要起草者托马斯·杰弗逊最早提出了这一观点。而天文气候学的真正建立，则塞尔维亚科学家米兰科维奇（公元1879年～1958年）当居首功。
　　米兰科维奇早年曾在维也纳担任建筑工程师，后来转入科学界。第一次世界大战前，他就致力于研究第四纪内冰期与间冰期反复交替的原因。“一战”爆发后，他被奥匈帝国当局拘禁在布达佩斯，在此期间他对气候变迁与天文因素的关系进行了更加深入的研究，建立了地表太阳日辐射量的数学模型。20年代至30年代，他建立了米兰科维奇循环理论。1939年，他开始编著专书，系统整理其研究成果。1941年4月，德军轰炸贝尔格莱德，已经印刷好的书籍付之一炬，只余一本幸存。不久，米兰科维奇委托两位德国友人将这本烬余之作送往德国保存。第二次世界大战期间，这本书终于在塞尔维亚出版。
　　米兰科维奇的贡献可归结为两个方面：第一，他建立了关于各行星日照的学说，该学说指出了太阳系各行星的气候特征。第二，他以地球和太阳的相对位置变化成功解释了地球的气候变迁，并可以预测未来气候。在米兰科维奇理论中，气候会随着行星轨道的离心率（地球受此因素影响不明显）、黄赤交角、自转轴指向进动（岁差）等三大要素，以及轨道拱线进动等因素而发生周期性变化。后人进一步指出，地球轨道平面还会以7万年的周期上下移动，丰富了这一理论。
　　1976年，CLIMAP计划的科学家公布了对于深海钻探岩心的研究结果：在50万年的古温度变化曲线中，存在着平均长度分别为4.2万年、2.3万年和10万年的三种周期变化。而地球黄赤交角、岁差、轨道偏心率的平均变化周期为4.1万年、2.1万年和10万年。这两组时间周期数据几乎完全相同。这就证实了米兰科维奇循环。
　　目前，地球的黄赤交角以41000年的周期，在22.1度至24.5度之间变化。在解释远古气候变化时，科学家们还曾经提出过一些有趣的假设，例如，有人提出大约450万年前，地球黄赤交角仅为5度；还有人在地质学证据的基础上假设，大约8亿年以前，黄赤交角大于54度。
　　

宇宙射线、小天体撞击与气候

　　除了太阳辐射的变化，其它一些天文因素或许也在气候的变化中起着作用。
　　1378年3月，教皇格里高利十一世去世，新教皇的推选会议在罗马举行。当时，法国人和意大利人在争夺教会的控制权，法国人在会场上人数占优，但会场外聚集着大批意大利教徒。这时，恰好有来自天空的一道闪电劈入会场，法国人在上帝的旨意和会场外的压力下终于屈服，选举了一位意大利籍教皇。不久法国人便反悔了，他们重新选举了一位法国籍教皇，结果导致了一次教会大分裂。

　　科学界很早便确认，闪电现象是由于大气摩擦起电。然而，随着研究的深入，宇宙射线在闪电现象中的作用逐渐浮现。十多年来，科学家在多数闪电中都观测到了X射线辐射，甚至伽马射线辐射。没有宇宙射线这种接近光速的带电粒子参与，是不会出现这些辐射的。宇宙射线似乎可以强化大气中的电场，促使闪电形成。
　　对于一些远古灾变的研究，也引入了天文因素。恐龙灭绝被普遍认为是小行星撞击的结果，然而，小行星撞击这样的局域事件是如何导致全球性灾变的呢？于是科学家们借鉴了核冬天理论后认为，是小行星导致的气候剧变导致恐龙灭绝。
　　12900年前，地球气候突然急剧转冷，北美的年均气温下降了6度，随后是持续1400年的冰川期，猛犸象等大型哺乳动物和当时的早期印第安文化在这段时期中消失，这就是神秘的“新仙女木”事件。早已有人提出，这是由于冰河融化突然冲垮了北美的冰坝，释放出大量淡水，洪水进入海洋，阻断了洋流的循环，特别是将热量从赤道地区向北运送的墨西哥湾流。随之而来的就是全球性变冷。2009年，有人进一步提出，冰川崩溃的原因是一颗彗星撞击了北美洲。这一观点或许并不正确，但是它启示人类，地球的气候系统非常复杂，也非常脆弱，并不巨大的小天体就可能导致一场气候灾变。
　　

外星人的星球气候会是怎样的？

　　米兰科维奇在1914年“一战”爆发后被拘禁于布达佩斯时，被安排在匈牙利中央气象研究所工作。此后两年中，他建立了火星气候变迁的数学模型，1916年他发表了相关研究成果。他计算了火星所受的太阳日辐射量，以及火星地表与低层大气的年均温度。数十年后，他的计算结果被火星着陆器所证实。他对于其它行星的气候也进行了研究。
　　如今，空间探测器给我们带来了关于太阳系各星球的第一手气候资料。人们已经知道，木星上有着亘古不息的强烈风暴，这些风暴还会不时地合并或分裂，在望远镜中鲜艳夺目的木星大红斑就是一个巨大风暴。木星上还有远比地球强烈的闪电。在火星上，则有着分明的四季，还会发生全球性的沙尘暴，当沙尘暴来临时，可以将整个火星覆盖。在土卫六上，则会出现甲烷雨。在对太阳系各星球气候的研究中，甚至对于系外行星的研究中，源自地球的气候学知识，例如米兰科维奇循环，都发挥了巨大作用，成为探索宇宙奥秘的有力工具。
　　地球上的气候变迁可以改变人类的历史，而地球气候只是宇宙万象中的沧海一粟。天文学与气候学正在相互借鉴，共同探索地球和宇宙的奥秘。