天文新發現修正地質年代表

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天文新發現修正地質年代表

作者：駐法科技組　現職：駐法科技組

文章來源：New astronimical results refine the Geological Time Scale http://www.physorg.com/news1698.htm

發佈時間：94.01.11

由賈克•雷克斯卡(Jacques Laskar)主導的天體結構與星曆計算協會(IMCCE：Institue de Mécanique Céleste et de Calcul des Ephémérides)與巴黎天文台共同發表了地球軌道暨旋轉運動長期演進的最新計算結果。根據米蘭科維奇(Milankovitch)的古氣候理論，氣候的巨大改變是受到天文事件的影響。這次的計算結果校正了新第三紀(Neogene)的沉積層紀錄，這段時間相當於地質年代二千三百萬年前。

雷克斯卡等人的研究已被國際地層學委員會(ICS：International Commission of Stratigraphy)與國際地質科學協會(IUGS：International Union of Geological Sciences)採用，來重新定義地質年代表(Geologic Time Scale)。這是首次應用天文計算來建立地質年代表中的一個完整時期。

由於行星間重力的擾動，地球的軌道與旋轉軸角度會隨著時間而改變，進一步導致地球接受太陽輻射的改變，而這項改變又與過去氣候的巨大變化有關。在塞爾維亞數學家米蘭科維奇1947年的古氣候理論中，首次描述了天文現象對地球氣候的影響。直到1976年，米蘭科維奇的理論才獲得海斯(Hays)、英柏瑞(Imbrie)與沙克爾頓(Shackleton)實驗證實。

我們已經知道，大陸冰帽體積會隨著海洋沉積物中氧的同位素比(isotropic ratio)變化。這三位科學家針對這項變化進行量測，發現冰河時期延續到更新世（Pleistocene，介於十萬年至一百八十萬年之間）時期的原因，和地球軌道與旋轉參數的週期變化有關。這項實驗證實了米蘭科維奇的理論：地球軌道參數影響地球上某些巨大的氣候轉變。

因此，對於試圖瞭解地球氣候的人來說，行星軌道的演化是最有興趣的問題。米蘭科維奇應用天文學家提供的計算結果來建立古氣候理論，例如勒威耶(Le Verrier)於1856年所做的軌道計算。勒威耶曾經擔任巴黎天文台台長，於1846年發現冥王星而著名。，巴黎天文台研究團隊也因此投入相當長的一段時期在計算行星軌道的變化。

行星軌道的計算除了有助於瞭解地球重大的氣候改變之外，也可以讓地質學家們用來修正地質年代表。建立完整、精確的地質年代紀錄是瞭解地球歷史的首要工作之一。

地質年代表與兩項地質紀錄的時間推算有關。首先要收集世界各地的沉積層紀錄，並依照重大事件將其連結，例如物種的生存與絕滅、古代地磁倒轉等。沉積層紀錄可藉此對應到地質年表上的相對位置。

接下來則是計算地質紀錄的日期，並對應到地質年表上的絕對位置。其中一個方法是放射性同位素法，利用元素在樣本中的放射性衰減來計算。這個方法廣用於計算超過一億年的地質紀錄，但是使用天文計算結果能夠更精確地決定年輕沉積層紀錄的年齡。利用天文推算的原則如下：地球過去的軌道參數經過計算之後可以推得地球接受太陽能量的變化。接著，核對日照改變週期與從沉積層紀錄計算而得的古氣候週期，藉此就能得到沉積層紀錄的絕對年齡。

自從米蘭科維奇首次使用勒威耶的計算結果來建立古氣候週期理論之後，巴黎天文台的研究團隊一直對於天文計算的工作十分投入，這對於古氣候的研究有相當貢獻。幾十年來，古氣候學家也一直使用巴黎天文台天文學家的計算結果來校正地質年代表。十年前，賈克•雷克斯卡與他的同僚們計算了地球過去一千萬年的軌道演進，從此使得地質資料的收集更加正確，地質研究也因此需要更多完整的天文計算。

賈克•雷克斯卡與他的研究團隊精確地重現地球軌道的過去與未來，約是四千萬年前至五千萬年前的時期。這是史上第一次利用過去地球軌道的推算來校正整個新第三紀（起於二千三百萬年前）的地質年代。這個計算針對新第三紀做出重要的修正，地質科學協會(Union of Geological Sciences)採用了這個結果，並發表在新版的地質年代表(GTS 2004)。

這個新年表還要歸功於世界各地的沉積層學家，因為他們提供了過去三十八億年來遍佈全球的地質資料。由於這項天文計算結果修正了新第三紀的地質年表，古氣候學家才能夠更精確地計算該時期地質事件發生的時間。

事實上，過去與未來前後二億五千萬億年間的地球軌道早已計算出來。但是如賈克•雷克斯卡在1989年所指出的一大問題：行星軌道的混沌行為導致計算誤差，只要每一千萬年這項誤差就增為十倍。因此，我們無法精確地計算出超過十億年前的地球軌道，但是這些計算結果仍有其價值。

研究團隊特別研究了地球軌道二億五千萬年來的奇特之處：地球軌道的調變週期為四十萬五千年。相較於此，地球也有二萬年或四萬年等較短的軌道調變週期，可用於校正新第三紀時期的地質年表。但是，這些週期隨著地球軌道混沌行為而改變，較短的調變週期並不適用來校正更古老的地質時期。四十萬五千年的週期則較為穩定，因為這是受木星與土星重力擾動的結果，在侏儸紀(Jurassic)與三疊紀(Triassic)的沉積層紀錄中都顯示出這個週期。

目前，天文學家能夠比較精確地推算地球軌道奇特的調變週期，並建議使用四十萬五千年的軌道週期來校正中生代(Mesozoic)末期（二億五千萬年前）為止的地質年代表。這將提昇地質年代表在該時期的精確度至原來的十倍。

最後，賈克•雷克斯卡證明了近未來地球黃赤交角(obliquity：赤道與地球軌道夾角)將有重要變化。由於地球—月球間的潮汐效應逐漸減弱，地球自轉亦隨之趨緩，月球則以每年三點八二公分的速度遠離地球，進而造成黃赤交角的逐年變化。賈克•雷克斯卡的研究團隊指出，這個效應導致黃赤交角每一億年增加二度。但在不久的將來，當地球的進動率(precession rate)超過共震點後，黃赤交角將在未來的數百萬年之內減少零點四度，屆時可能影響氣候甚鉅。

令人驚訝的是，通過共震點所造成黃赤交角的驟減竟然是地球五億年間唯一巨大的變化。即將發生的黃赤交角驟減與地球—月球間的距離有關，並非是週期性的行為，可是其他影響地球動態形狀(如兩極冰山體積的增加，或地幔對流等)演進的效應也有可能造成共震點穿越(resonance crossing)。賈克•雷克斯卡的研究團隊因此試著找尋過去發生過的類似事件，但卻一無所獲。因此，除非地球動態形狀演化的新研究結果顯示過去可能也發生過共震點穿越，目前只能當作是巧合來解釋。

多虧於這些新的天文計算，地質年代表的新第三紀時期已多有更新，精確度達四萬年。改善地質年代表的下一步將是以天文計算資料校正古第三紀(Paleogene)，大約是二千三百萬年前至六千五百萬年前之間的一段時期。這將需要更多的地質資料以及地球軌道計算模型的修正。

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