一、冰期旋回的研究历史
冰川只大规模出现在今天地球的南极和格陵兰岛，并零星分布在高海拔地区。但在18世纪，欧洲地质学家们通过对阿尔卑斯山脉中巨石（实为冰川漂砾）的观察，提出欧洲冰川曾经分布得更广。这一派观点被瑞士学者Louis Agassiz （后移居美国并在哈佛大学执教）采纳集成，并在19世纪30年代提出：
地球历史上曾经出现过大范围的冰川扩张事件。
这就是我们今天所熟知的冰河时期（Ice Age）。地质学家随后发现，冰河时期在历史上可能不止存在一次，并按照德国南部河流的名称将四次冰期命名为Günz（恭兹）、Mindel（明德）、Riss（里斯）和Würm（玉木）。
但从定性描述冰期的出现到定量刻画冰期出现的规律之间相隔了100多年。1940年前后，塞尔维亚数学家米兰科维奇（Milutin Milanković）发表了一系列文章[1]，提出决定地球是否进入冰期的关键参数是北纬65度地区的夏季太阳辐射量。这便是我们今天所熟知的米兰科维奇冰期旋回理论，它基于三点思考：
1. 大部分适合冰川发育的陆地集中于北半球；
2. 冰川出现在高纬的寒冷地区；
3. 冬季降雪会导致冰川体积增大，因此关键在于夏季温度是否能高到融化降雪。
当然，需要说明的是米兰科维奇并非第一个提出轨道理论的学者。例如苏格兰物理学家James Croll在参考了Joseph-Alphonse Adhémar的观点后，于1864年提出冰期应当出现在北半球冬季处于远日点之时[2]。只不过彼时缺乏验证这些理论的地质记录，这导致不论是米兰科维奇还是Croll（抑或是更早的学者）的观点都只能被称之为是假说。米兰科维奇的理论就并未受到他同时期科学家的认可。
图1 James Croll（左）与Milutin Milanković（右）
科学的发展往往不是线性的。对于冰期理论而言，突破点出现在20世纪60年代末开展的深海钻探计划（Deep Sea Drilling Program），也即现代大洋钻探的前身。与此同时，科学家们还发现了能够指代冰期旋回的指标，古海洋学家成功观测到了冰川前进和后退在海洋中留下的化学痕迹，恰好能与米兰科维奇20多年前预测的周期对应。
这一发现重燃了人们对米兰科维奇理论的热情，今天米兰科维奇的知名度也远高于Croll和Adhémar等学者。但可惜的是米兰科维奇本人未能看到这一天，他在1958年去世，因此今天人们对于米兰科维奇的赞誉都是追授的。
二、米兰科维奇理论面临的问题
米兰科维奇冰期旋回理论预测了三组重要的周期：2万年左右的岁差（地球自转轴的指向）、4万年左右的斜率（地球自转轴与黄道平面的夹角）、10万年左右的偏心率（地球绕太阳公转轨道的形状）。时间更长的周期对于200多万年以来的第四纪冰期-间冰期旋回影响有限。科学家在深海沉积物中提取出有孔虫，它们的碳酸盐壳体记录了当时海洋的化学组成，从这些有孔虫壳体的同位素中，岁差、斜率、偏心率的周期清晰可见[3]。
图2 270万年来深海沉积物中底栖有孔虫壳体氧同位素记录[3]及其小波分析的结果。小波分析由Acycle软件（2.6版本）完成
但很快米兰科维奇理论就面临了三个挑战：首先，120万年以前冰期周期为4万年，虽然可以与斜率周期很好地对应，但是太阳辐射中非常强的岁差周期却未在冰期旋回中显现。其次，80万年以来的冰期旋回主导周期是10万年，但偏心率周期在北半球高纬夏季太阳辐射中其实非常弱。最后，在80至120万年之间的中更新世，冰期旋回的周期出现了变化，但同期太阳辐射和地球的轨道周期并无显著变化。
这三个问题分别被称为“4万年周期问题”“10万年周期问题”“中更新世转型事件”，至今都未得到圆满解决。
在这三个问题当中，“4万年周期问题”相对而言受到的关注更少，一方面是因为可供研究的对象较少，另一方面是该问题的特征：“10万年周期问题”和“中更新世转型事件”研究的都是一种现象为何会出现；而“4万年周期问题”讨论的是一种现象为何没有出现，而人们往往更善于解释存在的现象。
三、“4万年周期问题”的两种回答
对于早更新世冰期旋回为何不存在岁差周期，目前有两派主流观点。
2006年，美国哈佛大学气候学家Peter Huybers提出，决定早更新世冰期旋回的关键参数是北半球高纬地区夏季累积太阳辐射（Integrated Summer Insolation）[4]。这一观点是从能量的视角出发的：冰川消融需要消耗大量的热量，因此对一段时间内太阳辐射强度进行积分也许比某一天的太阳辐射强度更为合理。
夏季累积太阳辐射的特点在于它的岁差周期很弱，几乎都由斜率的4万年周期主导。这一现象可以用开普勒第二定律来理解：在相同的时间内，地球与太阳的连线扫过的面积相等。因此当岁差变化使北半球夏季处于近日点时，地球的公转速度也最快，因此更热的夏天也是更短的夏天，总的能量不受影响。
这一观点非常优雅地解决了为何早更新世的冰期旋回不存在岁差周期，Peter Huybers本人也因为这一理论和他关于晚更新世冰期旋回的工作获得了2009年的美国麦克阿瑟基金会“天才”奖。但是这一理论难以解释80万年以来冰期旋回、特别是冰消期中岁差周期起到的重要作用。
同样是2006年，美国哥伦比亚大学古海洋学家Maureen Raymo等人提出了与Huybers不同的观点。她认为在早更新世的冰期旋回中，南极冰盖体积较小，末端没有进入海洋。这样一来南北两个半球的冰盖受到本地太阳辐射驱动。由于南北半球的夏季太阳辐射在岁差上是反相的（例如今天南半球夏季在近日点，北半球夏季在远日点），因此两个半球的冰量信号一叠加，岁差就消失了[5]。
Raymo观点一个吸引人的点在于它可以自洽地解释80万年以来岁差周期的出现：在中更新世转型事件之后，南极冰盖变大，并且末端进入了南大洋，因此北半球的冰盖体积变化可以通过海平面的涨落传递到南半球，因此两个半球的冰量同步变化，并且受到北半球主导。但需要指出的是，南极冰盖的体积变化只是Raymo等人的猜想，并未得到地质学证据的证实。
图3 Peter Huybers（左）与Maureen Raymo（右）
比较Huybers和Raymo两人的观点，不难发现它们的区别在于岁差究竟有没有对高纬地区的冰量产生影响，因此检验二者的一种思路就是寻找高纬度地区的气候记录，并在其中寻找岁差的信号。迄今已有的研究围绕湖泊沉积物[6]、海洋沉积物[7]、冰芯[8]展开分析，并在其中发现了可能是受岁差周期调控的信号。但是这些信号只能间接反应当地环境，目前还没有能连续示踪单个冰盖体积变化的古环境指标。
四、“4万年周期问题”的再思考
与古气候学界层出不穷的关于“10万年周期问题”的假说相比，在将近20年的时间里，没有出现对“4万年周期问题”的第三种回答，或许这才是“4万年周期问题”的让人惊讶之处。如果深入思考不难发现，不论是Huybers还是Raymo的观点，都聚焦于高纬地区，区别仅仅在于南半球高纬地区有没有起作用。
但是从全球能量的视角来看，低纬地区才是地球接收太阳辐射的主要区域，并且通过水、热循环将能量向高纬输送，因此低纬过程有可能在全球气候演化的进程中扮演了重要的作用，这便是由我国学者提出并发展完善的“气候变化低纬驱动”假说[9]。
事实上，早在“4万年周期问题”被提出之际，就有一种本质上是基于低纬过程的解释：斜率可以影响地球低纬与高纬之间太阳辐射强度的梯度，从而使得经向上的水汽和能量传输受到4万年周期主导。但后续模式表明水热传输的强度可能不足以诱发冰盖体积的变化，因此这一观点逐渐淡出了人们的视野。但在古环境研究中，水汽是很难定量重建的，因此模式中关于水热传输的结果并未得到地质记录的检验。
综上，要解决冰期旋回的“4万周期问题”，低纬过程或许是未来研究可以尝试的方向：如果低纬地区在冰期旋回中起到了作用，那么全球尺度上就不再是北半球高纬唱“独角戏”，而是像围棋一样，有两个玩家。这样一来，岁差周期的缺失以及4万年周期向10万年周期的转变也许就可以通过高-低纬之间的相互作用加以解释，能够涵盖第四纪冰期旋回演变机制的统一理论也许就孕育于其中。
参考文献
[1] Milankovitch M K. Kanon der Erdbestrahlung und seine Anwendung auf das Eiszeitenproblem[M]. Belgrade: Royal Serbian Academy, 1941.
[2] Croll J. XIII. On the physical cause of the change of climate during geological epochs[J]. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 1864, 28(187): 121-137.
[3] Lisiecki L E and Raymo M E. A Pliocene-Pleistocene stack of 57 globally distributed benthic δ18O records[J]. Paleoceanography, 2005, 20(1): PA1003.
[4] Huybers P. Early Pleistocene glacial cycles and the integrated summer insolation forcing[J]. Science, 2006, 313(5786): 508-511.
[5] Raymo M E, Lisiecki L E, Nisancioglu K H. Plio-Pleistocene ice volume, Antarctic climate, and the global δ18O record[J]. Science, 2006, 313(5786): 492-495.
[6] Francke A, Wennrich V, Sauerbrey M et al. Multivariate statistic and time series analyses of grain-size data in quaternary sediments of Lake El’gygytgyn, NE Russia[J]. Climate of the Past, 2013, 9(6): 2459-2470.
[7] Reilly B T, Tauxe L, Brachfeld S et al. New Magnetostratigraphic Insights From Iceberg Alley on the Rhythms of Antarctic Climate During the Plio-Pleistocene[J]. Paleoceanography and Paleoclimatology, 2021, 36(2): e2020PA003994
[8] Yan Y, Kurbatov A V, Mayewski P A et al. Early Pleistocene East Antarctic temperature in phase with local insolation[J]. Nature Geoscience, 2023, 16(1): 50–55.
[9] 徐建, 刘珺, 陈漪馨等. 浅述低纬过程在全球气候变化中的重要性[J]. 第四纪研究, 2020, 40(3): 595–604.
作者简介:
颜余真（同济大学海洋地质国家重点实验室，同济大学海洋与地球科学学院）：准聘教授，极地冰芯与古气候。
基金项目：
中央高校基本科研业务费专项项目(批准号：同济大学22120230112)资助。
本研究刊登在《第四纪研究》2023年第43卷第6期：
颜余真. 2023. 米兰科维奇冰期旋回理论中的“4万年周期问题”：回顾与展望. 第四纪研究, 43(6): 1722-1729.