学文网摘 要：许多科学家都怀疑温室气体的排放是全球变暖的主要因素，他们认为自然驱动才是全球气候变化的主要因素，但他们并未找出具有说服力的自然驱动力。于是作者研究了各种可能引起气候变化的自然驱动力， 发现火山活动能改变地球的轨道，因而是引起气候明显变化的关键因素。其中主要推导了火山喷发改变地球转速的公式以及地球变速引起地球变轨的公式。根据这些公式，通过计算机的高精度计算可以发现一定规模的火山喷发确实能使地球变轨，从而使全球变冷或变暖，甚至进入冰期或间冰期。因此，解决了气候变暖以及冰期与间冰期交替的成因问题，并找出了相应的对策。
关键词：全球气候变化 火山活动 地球变轨 冰期 间冰期 原因 对策
中***分类号：N3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（b）-0117-05
在过去的一个世纪里全球气候发生了明显变化。地球表面平均气温升高了0.8 ?C（或1.4 ?F），其中升高的2/3是发生在1980年以后。全球变暖产生了一系列严重后果，如冰川消退、海平面上升、降水量重新分配、沙漠扩展等，并对人类及全球生态系统产生了显著影响，包括由于作物产量减少造成的食物紧缺的威胁以及由于洪水淹没造成的居民住房的损失[12]。全球气候的变暖及其严重后果引起了许多人的关注，而且对于如何应对气候的变暖，引起了全球广泛的***治争论、公开辩论以及各种学术研究[15]。
为了有效地应对全球气候的变化，首先必须弄清楚全球气候变化的原因，然后再找出有效的对策。气候的变暖已经确定无疑，且许多人认为这主要是由于人类燃烧化石燃料、砍伐森林等活动造成的。但是，科学界对此结论仍有争议，以非***府间国际气候变化专门委员会（NIPCC）为代表的许多专家用大量的证据驳斥了这一观点[5-6]，并认为自然驱动是全球气候变化的主要因素，但他们并没有找出具有说服力的自然驱动力。于是，作者研究了各种可能引起气候变化的自然驱动力，发现火山活动能改变地球的轨道，因而是引起气候明显变化的关键因素。
1 气候变化的原因
根据现有的研究结果可知，能影响气候变化的因素主要有。
（1） 地球轨道的变化：地球轨道的微小变化就能改变阳光在地球表面上的季节性分布和地理性分布。地球轨道的变化对气候的变化影响较大，而且与冰期和间冰期显著相关[4]。
（2）太阳辐射：自1978年以来，人们已用卫星精确地测量了太阳辐射。这些测量表明自1978年以来太阳辐射并未增加，所以在过去30年中，气候变暖不能归因于太阳辐射的增加[11]。
（3）火山活动：火山喷发可释放气体和微粒到大气层中，从而能在一定时空范围内影响气候的变化[13]。
（4）磁场的强度和海洋的变化：一些近来的分析显示全球气候的变化还与磁场的强度[2]和海洋的变化[1]有一定的关系。
（5）人类的影响：有人认为气候变化在很大程度上是由于人类活动造成的。在这些人类因素中最值得关注的是燃烧化石燃料所排放的CO2 浓度的提高[9]，其次是制造水泥所产生的飘尘的增多，此外还有土地利用、臭氧层破坏、畜牧业和农业活动、森林砍伐等都会对气候有不同程度的影响，并成为气候变化的因素。
可见目前有些人偏向于认为温室气体是全球变暖的主因，但许多科学家仍然持怀疑态度。IPCC的第4次评估报告AR4也承认全球增温研究存在许多不确定因素，许多预测没有给出定量判断的科学依据[5-7]。2007年成立的非***府间国际气候变化专门委员会（NIPCC）就针对AR4进行了逐条反驳，认为自然驱动是全球气候变化的主要因素[16]。许多学者也研究发现火山活动是影响气候变化的重要因素，火山喷发所导致的气候变化在一定程度上能超过温室气体对气候变化产生的影响[13]。他们的论据是：火山喷发可释放大量气体和微粒到大气层中，这些气体和微粒可以阻挡太阳辐射到达地球表面，从而导致在相当长的时间内地球气候变冷。他们常举的例子有：1991年的皮纳***博火山（Mount Pinatubo）的喷发[3]，实质性地影响了全球气候，使全球气温降低了大约0.5 ?C（0.9 ?F）；1815年的坦博拉火山（Mount Tambora）喷发[8]导致了无夏之年；但被称为“大火成岩省”的大得多的火山喷发每隔亿年才出现几次，可能造成全球变暖和大规模的物种灭绝[10]。可见，他们还不能确定火山爆发到底是使地球变暖还是变冷，还没有找到火山爆发改变地球气候的真正原因。
事实上，作者近来的研究发现巨大火山爆发改变气候的主要原因是这些火山喷发能够改变地球公转的速度，从而改变地球的轨道，最终导致全球气候变冷或变暖甚至出现冰期或间冰期。这一理论可以分述如下。
推广“卫星变轨原理”[14]得到地球变轨的计算模型，并推导出地球变速引起地球变轨的公式。
其中又可分两种情形来讨论。
①地球增速引起地球轨道扩大。
假设太阳的质量为Ms，地球的质量为M，地球原先在半径为r1的圆形轨道1上绕太阳做匀速圆周运动，如***1所示，则速度V1=。
若地球在A点受到推力作用得到加速，则由于太阳对地球的万有引力小于地球以加速后的速度绕太阳做匀速圆周运动所需的向心力，从而做离心运动，进入椭圆轨道。故假设地球在A点的速度由V1增大到VA2 时，地球可进入近日点距太阳中心为r1，远日点距太阳中心为r2的椭圆轨道2，则根据机械能守恒定律可知，地球从近日点A运动到远日点B时应有
MVA22=MVB2+ΔEp （1）
ΔEp=（2）
又由开普勒第二定律可知
VA22t・r1=VBΔt・r2 （3）
由式（1）～（3）可求出
VA2==V1
（4）
类似地，欲使地球从半径为r1的圆形轨道进入近日点距太阳中心为r1，远日点距太阳中心为r3的椭圆轨道3，则地球在A点的速度应由V0增大到VA3 ，其
VA2=・=V1
（5）
由（4）～（5）式可求
VA3=・・VA2=
VA2 （6）
VA3-VA2=（-1）・VA2 （7）
这意味着若在椭圆轨道2的近日点A地球的公转速度由VA2增加至VA3，则地球可从椭圆轨道2变轨到椭圆轨道3。
当今地球处于间冰期，它运行在一个椭圆轨道上，近日点距离r1=147098074000 m，远日点距离r2=152097701000 m，近日点处的公转速度VA2=30287m/s。根据公式（7），用计算机可算出，欲使地球从现有的椭圆轨道变轨到远日点距离r3=r2+0.020的椭圆轨道，地球在近日点的公转速度应增加9.75134e-10 m/s。
一般地，如下***3（a）所示，对于椭圆轨道2上的任一点D，假设D与太阳之间的距离为r4，地球在D点的线速度为VD，则由开普勒第二定律可知
VA2・r1=VD・r4 （8）
假设地球在D点受到推力作用得到加速，使VD变为V4，能使地球变轨到更大的椭圆轨道4。如果该椭圆轨道的近日点距离不变，则其远日点距离必增加。假设当地球在轨道2 的A点由速度VA2增大到VA4 时，地球也可进入轨道4，则
VA4・r1=V4・r4 （9）
由式（8）和（9）可得
VA-VA2=（V4-VD） （10）
V-VD=（VA4-VA2） （11）
即如果地球在轨道2 的A点发生ΔV的增速能使地球轨道的远日点距离增加，则地球在轨道2的D点只需发生ΔV（
类似地，如***3（b）所示，对于从远日点B出发驶向近日点E的半椭圆轨道2上的任一点D，如果地球在D点受到推力作用而被加速，则能使地球变轨到近日点距离增加的椭圆轨道4。
②地球减速引起地球轨道缩小。
如前面***2所示，欲使地球从椭圆轨道3变轨到椭圆轨道2就应该使地球在A点的速度VA3减少至VA2，由式（6）可得
VA3-VA=（1-）・VA3 （12）
即地球的公转速度VA3应减少（1-）・VA3 便可使地球从轨道3变轨到轨道2。
当今地球运行在一个椭圆轨道上，近日点距离r1=147098074000 m，远日点距离r2=152097701000 m，近日点处的公转速度VA2=30287 m/s。欲使地球从现有的椭圆轨道变轨到远日点距离r3=r2-0.02的椭圆轨道，地球在近日点的公转速度应减少9.78497e-10 m/s。
一般地，如下***4（a）所示，对于从近日点A出发驶向远日点的半椭圆轨道4上的任一点D，假设地球在点A的线速度为VA4，D与太阳之间的距离为r4，地球在D点的线速度为VD，则由开普勒第二定律可知
VA4・r1=VD・r4 （13）
如果地球在D点受到反向推力作用被减速，使VD变为V2，能使地球变轨到更小的椭圆轨道2。由于该椭圆轨道的近日点距离不变，则其远日点距离必缩短。假设当地球在轨道4的A点由速度VA4减小到VA2 时，地球也可进入轨道2，则
VA2・r1=V2・r4 （14）
由式（13）和式（14）可得
VA4-VA2=（VD-V2） （15）
VD-V2=（VA4-VA2） （16）
即如果地球在轨道4的A点发生ΔV的减速能使地球变轨到更小的椭圆轨道2，则地球在轨道4的D点只需产生ΔV（
类似地，如上***4（b）所示，对于从远日点B出发驶向近日点E的半椭圆轨道4上的任一点D，如果地球在D点受到反向推力作用而被减速，则能使地球变轨到近日点距离缩短的椭圆轨道2。
（2）推广“火箭飞行原理”得到地球火山喷发改变地球转速的计算模型，并推导出火山喷发改变地球转速的公式。
这也可分两种情形来讨论。
①火山喷发降低地球公转速度。
如***2和***5所示，在地球绕太阳公转的过程中，当地球上有火山口朝着与地球公转切线方向相同的方向连续不断地喷出大量的高速气体及其他火山物质时，可使地球受到与公转方向相反的作用力，从而使公转速度降低。因此，可参考火箭飞行原理[17]来计算地球公转切向速度负增量。
设在某一瞬时t，地球质量为M，速度为v，在其后t到t+dt时间内，地球喷出了质量为dm的物质，这些物质喷离地球的速度为u，使地球的速度增量为dv，所以在时刻t+dt，地球的质量为M+dM，速度为v+dv，喷出物质的质量为dm（当dt很小时，比如当dt≤1 s时，可以认为这些物质此刻飞行在空中），速度为（v+dv+u）.由于地球在绕太阳公转的过程中所受的外力仅有太阳对地球的引力和地球绕太阳旋转的离心力，两个力互相抵消，使外部合力为0，因此根据动量守恒定理有
Mv=[M+dM]（v+dv）+dm（v+dv+u）]
注意到dM=-dm，上式可化简为
dv=u*dM/M
设在某一时刻ti，地球的质量为Mi，公转速度为vi，在其后ti到tj时间内地球喷出了一些物质，到了时刻tj，地球剩余质量为Mj，公转速度变为vj，则对上式积分可得：
=u
vj-vi=-uln（Mi/Mj）
设地球原有质量与第1s火山喷发后剩余质量比为N1，地球剩余质量（包括落回物质的质量）与第2 s火山喷发后剩余质量比为N2，・・・，以此类推。设火山喷发前地球原有速度为v0，第i秒火山喷发射出物质的速度为ui，第i秒火山喷发后地球获得的速度为vi， 则
v1-v0=-u1ln（N1）
v2-v1=-u2ln（N2）
v3-v2=-u3ln（N3）
vk-vk-1=-ukln（Nk）
一般可认为u1=u2=・・・=uk=u且N1= N2=・・・=Nk=N（其中u>0，N>0），于是
vk-v0=-kuln（N）
在计算火山活动时，应该参照统计数据。现在世界上约有1500座活火山，其中每年有50～80个火山会喷发。历史上著名的维苏威火山持续喷发了10多个小时，每秒能喷出1.54321万t碎石、熔岩、灰烬和气体。被人们誉为“地中海灯塔”的意大利斯通博利火山几乎连续喷发了至少100年之久。武尔卡诺式火山喷发能将各种物质以超过350 m/s的速度抛射到几千米之上的空中。旅行者1号发现木卫一上的火山喷射速度也可达1000 m/s。地球上还有许多猛烈的火山喷发能将火山灰、岩石碎屑喷射到几十公里以上的高空，形成遮天蔽日并环绕地球旋转的“火山云”，月球就是由这种“火山云”凝聚而成的。可见，有些火山喷射物质的速度可达第一宇宙速度（7.9 km/s）以上的速度。
火山喷发还与时间有关系。由于凌晨气温低，凌晨下雨的概率一般高于白天其他时间下雨的概率。如果某一天地球上有些火山口在凌晨6：00左右连续喷发了4 h，则在这个时间段的火山喷射方向差不多与地球公转方向相同，使地球受到与公转方向相反的阻力，从而使地球公转速度降低。假设这些火山每秒喷物总量为1.54321e9 kg（相当于一个维苏威火山口每秒的喷发量），而且火山喷射物质的速度为350 m/s，则经过4个小时的连续喷发，可使地球公转减速9.75134e-10 m/s。这个减速可以使地球变轨到远日点距离缩短0.02 m的轨道上。
正如（1）中公式（15）和（16）所表明的那样，在从近日点出发驶向远日点的半椭圆轨道上的任一点D发生同样规模的火山喷发都能使地球获得差不多相同的减速效果，因而可使地球发生差不多相同规模的变轨。由于地球上每年都有几十座活火山喷发，因此在这条漫长的轨道上发生上50次这样的变轨的概率是很大的，所以一年之内因地球变轨使远日点距离缩短1 m是很自然的。假设在历时一百年的过程中，平均每年地球变轨使远日点距离缩短1 m，则在一百年中地球远日点距离可缩短100 m。同理，地球近日点距离也可能缩短100 m。因而地球气温上升0.8 ℃也就不足为怪了。
下表1还列出了用计算机算出的多种不同规模的火山喷发可引起的地球缩轨数据。
②逆向火山喷发提高地球公转速度。
如前面***1和***6所示，在地球绕太阳公转的过程中，当地球上有火山口朝着与地球公转切线方向相反的方向连续不断地喷出大量的高速气体及其他火山物质时，可使地球获得巨大的动量，提高公转切向速度。因此，可参考火箭飞行原理来计算地球公转切向速度的增量。
设太阳的质量为Ms，在某一瞬时t，地球质量为M，速度为v，在其后t到t+dt时间内，地球喷出了质量为dm的物质，这些物质喷离地球的速度为u，使地球的速度增加了dv，所以在时刻t+dt，地球的质量为M+dM，速度为v+dv，喷出物质的质量为dm（当dt很小时，比如当dt≤1秒时，可以认为这些物质此刻飞行在空中），速度为（v+dv-u）.由于地球在绕太阳公转的过程中所受的外力仅有太阳对地球的引力和地球绕太阳旋转的离心力，两个力相互抵消，使外部合力为0， 因此根据动量守恒定理有
Mv=[M+dM]（v+dv）+dm（v+dv-u）]
注意到dM=-dm，上式可化简为
dv=-u*dM/M
设在某一时刻ti，地球的质量为Mi，公转速度为vi，在其后ti到tj时间内地球喷出了一些物质，到了时刻tj，地球剩余质量为Mj，公转速度变为vj，则对上式积分可得：
d=-ud
vj-vi=uln（Mi/Mj）
设地球原有质量与第1秒火山喷发后剩余质量比为N1，地球剩余质量（包括落回物质的质量）与第2秒火山喷发后剩余质量比为N2，・・・，以此类推.设火山喷发前地球原有速度为v0，第i秒火山喷发射出物质的速度为ui，第i秒火山喷发后地球获得的速度为vi，则
v1-v0=u1ln（N1）
v2-v1=u2ln（N2）
v3-v2=u3ln（N3）
・・・・・・
vk-vk-1=ukln（Nk）
一般可认为u1=u2=・・・=uk=u且N1= N2=・・・=Nk=N（其中u>0，N>0），于是
vk-v0=kuln（N）
在计算火山活动时，应该参照统计数据。现在世界上约有1500座活火山，其中每年有50～80座火山喷发。历史上著名的维苏威火山持续喷发了10多个小时，每秒能喷出1.54321万t碎石、熔岩、灰烬和气体。被人们誉为“地中海灯塔”的意大利斯通博利火山几乎连续喷发了至少100年之久。众所周知的武尔卡诺式火山喷发能发产生猛烈的爆炸，各种火山物质以超过350 m/s的速度抛射到几千米高空；这类火山爆发可能会反复喷发，持续几天、几个月甚至几年。旅行者1号发现木卫一上的火山喷射速度也可达1000 m/s。地球上还有许多猛烈的火山喷发能将火山灰、岩石碎屑喷射到几十公里以上的高空，形成遮天蔽日并环绕地球旋转的“火山云”，月球就是由这种“火山云”凝聚而成的。可见，有些火山喷射物质的速度可达第一宇宙速度（7.9 km/s）以上的速度。
火山喷发还与时间有关系。对于同一地区来说，白天气温高，气流运动活跃，不容易形成雨滴；傍晚气温开始降低，容易形成雨水。因此傍晚下雨的概率高于白天下雨的概率。当降水量很大时，降落到地面上的雨水可通过地表裂缝渗入地壳下面的岩浆囊，从而引起火山喷发或地震。因此，对于同一地区来说，傍晚发生火山喷发的概率高于白天的概率。如果某一天地球上有些火山口在傍晚6：00左右连续喷发了几个小时，则在这个时间段的火山喷射方向差不多与地球公转方向相反，能加速地球公转。
由于有些火山群有多个火山口同时喷发，因此可以不过分地假设有一个火山群每秒喷物总量为1.54321e9 kg（相当于1个维苏威火山口每秒的喷发量），而且火山喷射物质的速度为350 m/s，则经过4个小时的连续喷发，可使地球公转增速1.1191e-9 m/s（>9.75134e-10 m/s）。这个增速可以使地球变轨到远日点距离增加0.020 m的轨道上。正如（1）中公式（10）和（11）所表明的那样，在从近日点出发驶向远日点的半椭圆轨道上的任一点D发生同样规模的火山喷发都能使地球获得差不多相同的增速效果，因而可使地球发生差不多相同规模的变轨。由于地球上每年都有几十座活火山喷发，因此在这条漫长的轨道上发生上50次这样的变轨的概率是很大的，所以一年之内因地球变轨使远日点距离增加1.0 m是很自然的。在历时100000年的间冰期中，地球从现有的椭圆轨道变轨到远日点距离增加100 km的椭圆轨道也是自然的，这就会地球进入小冰期；在历时1000000年以上的间冰期中，地球从现有的椭圆轨道变轨到远日点距离增加1000 km的椭圆轨道也是自然的，这就会地球进入大冰期，从使地球覆盖上辽阔的冰川。
表2还列出了用计算机算出的多种不同规模的火山喷发可引起的地球扩轨数据。
2 结语
全球气候变化问题是世界日益关切的问题。尽管许多人半信半疑地接受了温室气体是全球气候变化的主要因素这一观点，但许多科学家仍然持怀疑态度，他们用大量的证据驳斥了这一观点，并认为自然驱动是全球气候变化的主要因素。近来作者的研究也表明尽管温室气体能使局部地区短期出现变暖现象，但火山活动能改变地球的轨道，因而是引起气候明显变化的关键因素。当地球受到火山喷射力的作用而增速时，地球轨道变大，使全球气候变冷；当地球受到火山喷射力的作用而减速时，地球轨道缩小，使全球气候变暖。可见，地球气候变冷或变暖都是自然现象，冷暖可以交替出现。由此，我们可以找到挽救气候变暖的对策是使一些猛烈的火山喷发尽量发生在凌晨时段，挽救气候变冷的对策是使一些猛烈的火山喷发尽量发生在傍晚时段。我们再也不怕因气候变化引起的世界末日的到来。
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