[论文解读] An additional planet as a model for the Pleistocene Ice Age

W. Woelfli, W. Baltensperger+1 more|ArXiv.org|Mar 30, 2002

Geology and Paleoclimatology Research参考文献 20被引用 9

一句话总结

本文提出，在距今300万年至11500年前，一颗被命名为Z的火星大小的行星在高度偏心的轨道上运行，其通过星际气体云导致地球接收到的太阳辐射减少，从而引发长期冷却。约11500年前的一次近距离飞掠触发了地球的潮汐形变，导致地理极点从格陵兰迅速移至现今位置，冰河时代因此结束，当时Z已碎裂并蒸发。

ABSTRACT

We propose a model for the Pleistocene Ice Age, assuming the following scenario: Between 3 Myr and 11.5 kyr BP a Mars-sized object existed which moved in a highly eccentric orbit. Originating from this object, gas clouds with a complex dynamics reduced Earth's insolation and caused a drop in the global temperature. In a close encounter, 11.5 kyr ago, tidal forces deformed the Earth. While the shape of the gyroscope Earth relaxed, the North Pole moved geographically from Greenland to its present position. During this close encounter, the object was torn to pieces, each of which subsequently evaporated or plunged into the sun. These events terminated the Ice Age Epoch.

研究动机与目标

• 解释更新世冰河时代的长期且不对称冷却现象，该现象无法仅通过米兰科维奇循环完全解释。
• 解释末次最大盛冰期期间北极地理位置位于格陵兰而非现今极点的原因。
• 解释约11500年前冰河时代突然终止的原因，该事件与全球地质异常和大规模灭绝事件同时发生。
• 通过模拟与大质量外部天体近距离飞掠期间地球的潮汐形变，建立快速极移的物理机制。
• 调和西伯利亚冻犸身上千年来保存完好的现象与轴向重定向相关的突发性气候灾难之间的关系。

提出的方法

• 假设存在一颗火星大小的行星Z，其轨道高度偏心，近日点约400万公里，导致强烈加热和气体喷发。
• 将由此产生的星际气体云建模为一种动态、随时间变化的介质，通过减少地球的太阳辐射来降低气候温度。
• 使用潮汐力公式计算地球在近距离接近时的形变，其中力 F(z) = 2MZGz/R³。
• 应用地球形变的动态松弛模型，包含能量最小化和松弛时间 τ = 1000 天。
• 求解欧拉方程以模拟形变过程中自转轴的地理迁移。
• 对地球的惯性张量和角速度的时间演化进行数值积分，以模拟极移动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 在米兰科维奇模型存在局限性的前提下，何种外部因素可解释更新世冰河时代的长期且不对称冷却？
• RQ2 为何末次最大盛冰期时北极地理位置位于格陵兰，其移动至现今位置的机制是什么？
• RQ3 何种物理事件可解释约11500年前冰河时代突然结束，且该事件与全球沉积异常和大规模灭绝事件同时发生？
• RQ4 一颗大质量、近距离飞掠的天体Z如何在数百万年内持续减少地球的太阳辐射？
• RQ5 冻犸象为何在西伯利亚被完好保存，其与突然气候剧变之间有何关联？

主要发现

• 该模型将冰期-间冰期10万年周期归因于行星Z轨道能量和角动量的逐渐减少，导致气体云密度随时间增加。
• 约11500年前的一次近距离飞掠（距离小于300万公里）引发地球潮汐形变，最大形变幅度 H₀ = 6.45 公里。
• 从格陵兰到现今位置的地理极点位移在数年内完成，与地球形状恢复平衡的松弛时间1000天一致。
• Z在飞掠后碎裂并蒸发，消除了冷却机制，从而结束冰河时代，使稳定温暖的全新世气候得以形成。
• 该模型解释了西伯利亚冻犸象的迅速冻结是快速极移和气候剧变的直接后果。
• Z今日的消失与它在多次近日点通过过程中被太阳加热而摧毁的假设一致，其远日点位于地球轨道之外。