地球/1h. 米兰科维奇循环：地球自转和公转的振荡
厚重的铁门在我身后关上了……我坐在床上，环顾四周，开始适应新的社会环境……我随身携带的手提箱里，放着我已打印或刚开始着手研究的宇宙问题；甚至还有一些空白纸张。我翻阅着我的作品，拿起我忠实可靠的墨水笔，开始写作和计算……当午夜过后，我环顾房间，需要一些时间才能意识到自己身在何处。这间狭小的房间，在我看来就像是在宇宙航行途中，一个夜晚的临时住所。——米卢廷·米兰科维奇，1914 年夏季
1914 年夏季，米卢廷·米兰科维奇在蜜月归途中被捕入狱，独自一人被关押在牢房里。作为一个成功的工程师和混凝土桥梁建筑专家，米卢廷很有钱，深爱着他的新婚妻子，并且沉迷于一个宇宙科学计划，这个计划困扰着他的思想，即使他被关押在监狱里也是如此。米卢廷出生在塞尔维亚，在奥匈帝国的布达佩斯，担任数学系主任。那一年，也是塞尔维亚人加夫里洛·普林西普刺杀奥匈帝国王储弗朗茨·斐迪南大公的那一年。这起刺杀事件，将地球推入了第一次世界大战。作为一名返回奥匈帝国的塞尔维亚人，米卢廷被捕入狱。他的新婚妻子克里斯蒂娜·托普佐维奇恳求当局释放她的丈夫，但随着夏季各国间敌对行动升级，他获释的机会越来越渺茫。米卢廷·米兰科维奇对一个科学问题着迷，这与地球在太空中的运动有关。在 1914 年之前的几年里，科学家们发现，地球在其最近的过去经历过大规模的冰河期。寒冷时期，冰川变长，雕刻山脉，沉积巨石，覆盖了北欧和北美的景观，形成了巨大的冰盖。北半球的地理学家发现了这些先前冰河期存在的强有力地质证据，但气候学家尚未发现它们发生的原因。米卢廷思考过这个问题，想知道这是否与地球轨道长期循环有关。
冬夏月份是由于地球 23.5 度的倾斜，因此，当地球在 6 月、7 月和 8 月绕太阳公转时，北半球指向太阳，延长了太阳日。而 12 月、1 月和 2 月，南半球指向太阳，延长了南半球的日照时间。米卢廷想知道，地球是否有一个类似的，但周期更长的轨道循环，会导致地球长期冰河期的循环。
在入狱之前，米卢廷开始研究一种叫做地球岁差的东西。近两千年来，绘制星空的星象学家们注意到，夜空中星星的位置发生了一些细微的移动。地球轴线相对于北极星（北极星）的位置，似乎在夜空中以圆形路径移动，估计需要**25,772 年**才能完成一个圆周。这种奇怪的现象也有助于解释一个奇怪的事实，即恒星年，即一颗恒星在绕太阳公转一圈后，再次回到夜空中完全相同的位置，而太阳年（也称为回归年），即太阳在白天天空中的位置再次回到完全相同的位置（两个夏至之间的正午），比恒星年短约 21 分钟。这个短了 21 分钟的太阳年，反映了地球轨道上的这种轻微的摆动，称为岁差循环。25,772 年后，星星的位置和冬至将回到它们最初的起始位置。
解释轴向岁差循环的最好方法是观察一个旋转的陀螺或陀螺仪，它在旋转过程中往往会摆动，因此从上面看，旋转轴在一个圆周内旋转。米卢廷意识到，这个循环可能是解开地球过去冰河期原因的关键，因为它是一个长期轨道循环的例子，但它不是唯一的例子。
这种地球轨道的岁差，首先被发现与春分和秋分有关，称为春分岁差。当地球自转时，太阳的路径形成一个大圆，被称为黄道，围绕地球。天球赤道是由地球赤道向星空投射的一个大圆。这两个大圆之间的角度为 23.5°，即地球轴线的倾斜角。当这两个大圆相交时，通过观察升起的太阳相对于背景恒星的位置来确定，定义了春分。春分发生在当地球倾斜与指向太阳的方向垂直时，地球上的白天长度相等。这发生在 3 月 21 日左右和 9 月 23 日左右。然而，天文学家们注意到，预测春分到来的背景恒星正在移动。导致夜空中出现春分岁差。当然，这是轴向岁差的结果，它也使黄道相对于天球赤道移动。
米卢廷意识到，在这个循环中，地球的轴线会在一年中的不同时间，更多地指向太阳，或更多地远离太阳。例如，在数千年的时间里，北半球会在夏季更多地朝向太阳摆动（使它更热），而在数千年的时间里，北半球会在冬季更多地远离太阳摆动（使它更冷）。
在大学的帮助下，米卢廷的妻子安排他被调到匈牙利科学院的图书馆。战争期间，他不被允许离开，并且处于警卫的监视之下，但可以继续他的研究。
地球的岁差并不是地球轨道中唯一的长期变化。地球轨道倾角在 24.57° 和 22.1° 之间振荡，目前的倾角为 23.43677°，并且正在缓慢减小。这种轴倾角的变化大约每 **41,000 年** 完成一个周期。这被称为地球的倾角。对地球倾角的第一次准确测量是由乌鲁伯格（الغ بیگ）确定的，他建造了伟大的撒马尔罕天文台，位于现在的乌兹别克斯坦。他 1437 年的计算结果为 23.5047°，表明在 583 年内减少了 0.06783°，这意味着 **地球倾角的完整周期为 42,459 年**。地球倾角的振荡将在地球倾角更大的几千年长周期内导致更剧烈的冬季和夏季。
红色=0.0 绿色=0.2 蓝色=0.4 黄色=0.6 和 粉色=0.8
米卢廷研究的地球轨道的第三个长期变化是地球绕太阳运行的椭圆轨道的形状。在地球每年绕太阳运行的轨道中，地球在 **近日点**（大约在 1 月 4 日发生）最靠近太阳，而在 **远日点**（大约在 7 月 5 日发生）最远离太阳。数学上我们可以定义一个称为**偏心率**的圆形术语。当偏心率为零时，圆形将是一个完美的圆形，圆形最宽部分和最窄部分之间的距离差为零。如果我们将圆形定义为实际上是一个椭圆形而不是一个完美的圆形，那么椭圆形的最宽部分和最窄部分之间的距离差将大于零，我们将这个差称为 **偏心率**。
要测量地球的偏心率，我们需要观察一年中太阳阴影的每日路径，并确定它到达天空最高点（每天最短的阴影）的确切时间。当地正午时间与观察到的最高点时间之间的差异将在一年中略有变化。这是因为地球相对于太阳的路径在一年中沿着这条椭圆路径绕太阳运行时，速度会略有差异。有时地球会更慢，在宽度较窄的日子里，有时会更快，在宽度较宽的日子里。当地正午时间的差异和观察到的太阳路径可以用来确定地球的偏心率，**目前为 0.0167。** 它几乎是一个圆形，但并不完全是一个圆形。
另一种测量地球偏心率的方法是测量一年中**日行迹**的宽度和形状。这是太阳在每一天到达最高点时的天空位置。日行迹的形状取决于地球绕太阳运行的椭圆路径，对于小于 0.045 的偏心率，将导致一条看起来像数字 8 的路径。但是，当地球的偏心率接近或大于 0.045 时，它将变得更像泪珠状，并且没有交叉点。
地球的偏心率在 0.057 和 0.005 之间振荡，这意味着有时地球绕太阳运行的路径将更接近圆形，有时将更接近椭圆形。当偏心率更大时，地球在轨道上的这些点将更远或更靠近太阳。在北半球，近日点发生在冬季，导致冬季较温和，而远日点发生在夏季，导致夏季较凉爽。当偏心率较小时，北半球的冬季和夏季将更冷和更热，但在南半球则相反。然而，到太阳的距离只振荡了几千公里，对气候的影响相当轻微。偏心率每 92,000 年在两个极值之间循环一次，尽管它以一种奇怪的方式振荡，因为这些偏心率的变化是由于地球与太阳系中其他行星，特别是火星、金星和木星的相互作用造成的，它们拉扯着地球，拉伸着地球每年绕太阳运行的轨道路径。像木星和土星这样的最大行星也会拉扯太阳。因此，天文学家定义了称为太阳系质心的东西。质心被定义为两个或多个相互绕轨道运行的天体的质量中心。当两个天体的质量相似（例如两颗恒星）时，质心将位于它们之间，并且这两个天体都会围绕它运行。然而，由于太阳比太阳系中的行星大得多，因此质心是一个靠近太阳核心的移动点。这就是造成偏心率变化的原因，因为木星和土星（以及其他行星）拉扯着地球和太阳，导致太阳系的中心不完全位于太阳的正中心。
米卢廷·米兰科维奇在战后获释，并运用他的数学知识更好地理解地球过去的气候。他通过观察这三个主要轨道因素对地球的影响的数学总和来做到这一点。通过结合这三个长期轨道变化，他为科学家制定了一个预测，以确定地球在其漫长的历史中气候的振荡。他关于地球运动及其与长期气候关系的出版物和笔记在 1941 年以德语出版成书，名为 _Kanon der Erdbestrahlung und seine Anwendung auf das Eiszeitenproblem_（地球辐射的规范及其在冰川期的应用）。米兰科维奇在数学上预测了地球气候的振荡和长期周期，这些周期已在冰芯数据和古代沉积岩中得到反复验证，这些沉积岩显示了地球轨道的这些长期周期，今天我们称之为**米兰科维奇周期。**
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