在过去几十万年间，地球多次在极为寒冷的冰期与相对温暖的间冰期之间往返。约2万年前，末次冰期正处于鼎盛时期，北美洲和北欧的广大土地被厚厚的冰层覆盖，大量海水被锁在冰中，海平面也比现在低了100米以上。
如此巨大的气候变化为何会反复出现，长期以来一直是一个未解之谜。如今最被广泛接受的解释是：地球绕太阳运行的轨道和自转轴在非常缓慢却有规律地变化。这种有规律的变化以整理出这一规律的科学家的名字命名，被称为“米兰科维奇循环（Milankovitch Cycles）”。
本文将依次梳理米兰科维奇循环产生的背景、构成它的三种变化、支持这一理论的海底证据，以及这一理论的局限和它对我们看待当今气候的意义。
米兰科维奇循环的原理与意义
理论的诞生与夏季阳光这把钥匙
米卢廷·米兰科维奇（Milutin Milanković）是塞尔维亚的数学家和地球物理学家。20世纪初，他不借助计算器，花了几十年时间用手计算出：当地球的轨道和自转轴发生变化时，各纬度接收的阳光量会如何变化。
轨道变化会引发冰期，这一想法本身在他之前就已出现。19世纪，法国的约瑟夫·阿德马尔（Joseph Adhémar）和苏格兰的詹姆斯·克罗尔（James Croll）就提出过类似的主张。米兰科维奇用精密的计算完善了这一想法，并于1941年将成果整理成《日射规范与冰期问题》一书。
他找到的钥匙不是冬季的寒冷，而是北半球高纬度地区夏季的阳光。在北纬65度附近这样陆地广阔的地区，夏季阳光一旦减弱，冬天积下的雪就无法完全融化而残留下来。这样的年份持续下去，积雪便年年累积，逐渐长成巨大的冰盖；反之，夏季阳光增强时，冰盖就会融化后退。
轨道与自转轴造成的三种变化
米兰科维奇循环由三种节拍各不相同的变化叠加而成。
（1）偏心率（Eccentricity）
地球的公转轨道并不是正圆，而是略扁的椭圆，其扁平程度以约10万年和约40万年为周期变化。轨道越扁长，地球离太阳最近时与最远时所接收的阳光差异就越大。
（2）自转轴倾角（Obliquity）
地球的自转轴相对于公转平面是倾斜的，其角度以约4.1万年为周期在22.1度到24.5度之间来回变化。目前约为23.4度，并在逐渐减小。倾角越大，夏季就越热，冬季就越冷。
（3）岁差（Precession）
自转轴像陀螺一样缓慢地画着圆圈改变方向。因此，地球离太阳最近的时刻与哪个季节重合，会以约2.3万年为周期发生变化。目前，地球在北半球冬季的1月初离太阳最近。
这三种变化改变的与其说是整个地球一年接收的阳光总量，不如说是这些阳光在季节和纬度之间如何分配。正是这种分配的变化，决定了冰盖是扩张还是缩小。
海底泥土揭示的证据
米兰科维奇的计算长期以来一直是难以证明的假说，因为当时没有办法准确测定几十万年前的气候。改变这一局面的，是堆积在深海海底的泥土。
海底沉积物中层层堆积着微小浮游生物有孔虫的外壳。外壳中氧同位素的比例，成为记录当时陆地上有多少冰的档案。1976年，詹姆斯·海斯（James Hays）、约翰·因布里（John Imbrie）和尼古拉斯·沙克尔顿（Nicholas Shackleton）分析了这一记录，并将成果发表在学术期刊《科学》（Science）上。
- 约10万年周期（100,000 years）：与偏心率的节拍相吻合。
- 约4.1万年周期（41,000 years）：与自转轴倾角的节拍相吻合。
- 约2.3万年和1.9万年周期（23,000·19,000 years）：与岁差的节拍相吻合。
这篇论文将地球轨道的变化称为“决定冰期节拍的定调者（Pacemaker of the Ice Ages）”，此后米兰科维奇循环成为解释气候变化的核心理论。从南极冰盖中钻取的冰芯记录也显示出同样的节拍。
理论的局限与当今的气候
米兰科维奇循环并不能解释一切。具有代表性的谜题就是所谓的“10万年问题”。在过去约80万年间，冰期与间冰期主要以10万年的节拍交替，但偏心率所改变的阳光量在三种变化中是最小的。在更早的时期，4.1万年的节拍更为明显，至于节拍为何发生改变，至今仍有争论。
科学家认为，轨道的变化起到了扳机的作用，而地球内部的反馈则放大了它的效果。
- 冰与反照率（Ice-Albedo Feedback）：白色的冰面积越大，反射的阳光就越多，地球也就越冷。
- 温室气体（Greenhouse Gases）：冰芯记录显示，冰期时大气中的二氧化碳较少，间冰期时较多。
- 海洋环流（Ocean Circulation）：海水的流动一旦改变，热量在全球各地分配的方式也会随之改变。
米兰科维奇循环在数千年到数万年的时间尺度上缓慢起作用。因此，过去一百多年间快速上升的气温无法用这一循环来解释，人类排放的温室气体被认为是主要原因。理解了轨道缓慢的节拍，也就能更清楚地看出当今的变化有多么迅速和异常。
归根结底，米兰科维奇循环提醒我们，地球的气候与地球在宇宙中所处的位置有着深刻的联系。将天空缓慢的节拍与地球内部的反馈结合起来解读，正是理解气候漫长历史的第一步。
