编制地球的“万年历”

汪品先　编制地球的“万年历”

汪品先　编制地球的“万年历”^[1]

今人不见古时月，

今月曾经照古人。

古人今人若流水，

共看明月皆如此。

——［唐］李白

引言：四千岁还是四十亿岁

“今人不见古时月，今月曾经照古人”，说的是“人”和“月”虽然同时入诗入画，时间尺度上却大不相同。“朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋”，说的是可怜的小型生物寿命有限，听不到晨钟暮鼓，看不见寒往暑来。其实，你我有幸生而为人，既识晦朔又历春秋，比朝菌蟪蛄神气得多；但要和月亮比起资格来，实在是无地自容。

现在知道，月亮和地球大体上同庚，都已经是四十多亿年的高龄。但这是现在的认识，几百年前，人类或者认为世界永恒、根本没有年龄这一说，或者认为地球、世界的历史不过几千年。流传最广的是爱尔兰大主教James Ussher的说法，他在1650年指出世界是上帝在公元前4004年10月23日星期天创造的。其实，这“四千年”并非这位大主教的创新，耶稣降生时地球只有四千岁是当时流行的看法。要等到19世纪末发现放射性元素的衰变，才找到了通过矿物测年的物理学方法求取地球年龄的新途径，再经过几十年的努力，得出地球形成于45亿年前的数据，和Ussher的说法相差五个量级。如今，人类对时间的视野还在拓宽，不仅认识到宇宙大爆炸发生在137亿年前，而且进一步探讨宇宙大爆炸是否属于周期性现象。

海洋地质学家汪品先

当然，人类最为关心的还不是宇宙或者地球的年龄，而是和自己生命活动相关的时间尺度。最简单的计时参考系，莫过于昼夜交替和季节更新，这就是日和年，也就是以地球自转和公转为基础的天文计时。再要细一点就可以在日的基础上进一步划分，我国古代就有利用太阳角度定时的日晷，看不见太阳的时候可以用沙漏、水钟定时。不仅中国自古就分时辰，在巴比伦时代还分出了时、分、秒，而且分、秒的六十进位制一直流传至今。

随着社会的进步，尤其是科学技术的发展，人类需要关心的时间幅度已经大为扩展，短到亿分之一秒，长到数十亿年。计时的方法和标准也随之大为变化，只是行外人士对时间的概念变化不大，一说到时间，想起的不是手表就是日历。本文就是想从计时概念与技术的进步入手，漫谈人类对时间认识的发展；而且“三句不离本行”，重点放在研究地球历史用的时间概念和计时单元。

从天文钟到原子钟

时间的流逝，推进着人类对时间的认识，提高着对时间分辨率的需求。当古人不能以日晷和沙漏为满足的时候，就出现了种种机械计时的尝试，其中一个重大进展是钟摆的发明。尽管伽利略早就注意到用摆锤计时的潜力，第一个钟摆还是要等到17世纪中叶，由荷兰人惠更斯来发明。与以前任何计时装置相比，摆钟的精确度提高了上百倍，而他随后发明的螺旋平衡弹簧，又进一步提高精度、减小体积，导致了怀表的出现。然而再好的摆钟，其精度也只能达到每年误差不超过一秒，再要提高就需另辟蹊径。

测时的原理是运用时间上稳定的周期性过程，其实物理学上周期性过程的时间范围极大，短到普朗克时间的10^-43秒，长到天文上的10¹⁷～10¹⁸秒，为测时提供了广阔的空间。因此完全可以跳出机械运动的范畴，发展其他的物理测年方法。果然，1939年出现了利用石英晶体振动计时的石英钟，每天误差只有千分之二秒，到二次大战后精度提高到30年才差一秒。很快，测年的技术又推进到原子层面，1948年出现第一台原子钟，1955年又发明了铯原子钟，利用Cs¹³³原子的共振频率计时，现在精度已经高达每天只差十亿分之一秒。

原子钟的发明，从根本上改变了计时的标准——从原来依靠天体运动的天文标准，发展到依靠原子运动的物理标准。按照天文定义，一秒的时间应当从年、日、时、分、秒的关系求得，一秒等于31 536 000（=365×24×60×60）分之一年。但是天文计时的单位，无论年月日，其实都不稳定。为此，1956年全球约定：一秒钟的定义是1990年1月1日12时回归年长度的31556925.9747分之一。到1967年，这种定义已被原子钟的定义所取代：一秒钟是Cs¹³³原子在两个能态之间周期性振荡9 192 631 770次的时间。

天文钟和原子钟既然原理不同，计时当然也有差异。由于天文周期有不稳定性，时间久了，“原子时”和天文的“世界时”之间产生差异，只好用“闰秒”的办法来解决：2005年末、2006年初增加一个闰秒，就是这个道理。

从化石定年到同位素测年

时间概念，不仅向着越来越精细、越短促的高分辨率方向发展，而且也在向长久、遥远的大尺度方向发展，朝着地球历史的早期推进。

地质计时，经历了曲折的历史。地质学的建立就从地层学开始，本身就与时间不可分割；然而那时用的是相对年代序列，指的是地层形成时间先后的定性序列，并不在乎定量的具体年代。识别相对地层年代的依据，主要是生物化石，比如三叶虫的出现是寒武纪的开始，恐龙的灭绝是白垩纪的结束，而这寒武纪、白垩纪无非是科学家命名的一种代号，究竟距离今天有多少年并没有测定，而且对于早期的地质学来说也并不重要。当时地质学的任务在于找矿，重要的是识别某个时代的地层，比如石炭纪地层含煤矿，而鳞木化石指示石炭纪，找到有鳞木化石的地层，就有可能找到煤矿。发展到现在，地质学的任务已经从找矿勘探扩展到环境保护与预测，性质也从现象描述进展到机理探索，定量的时间概念变成了关键，测年的重要性也提升到空前的高度。

地质学产生的早期，确实缺乏手段以定年龄，无从猜测地层的形成究竟花了多长的时间，只能从今天的地质过程提出自己的推想。比如海水的盐分来自大陆化学风化的溶解物质，那么根据今天河流向海洋输送溶解物质的速率，就可以计算出世界大洋存在的年龄。同样，根据现代的岩石剥蚀作用和沉积作用的速度，可以推算剥蚀出今天的地形、堆积起今天的地层需要花多长的时间。前提是这种种地质作用的速率不变，就是所谓“均变论”。地质界的“均变论”，也为当时的生物学革命所接受，比如对生物界的进化，就估计有十亿年历史。达尔文在《物种起源》中专门讨论了岩石风化的缓慢，推论出地质年代数以亿年计。相反的是当时的物理学界，从热力学角度推算太阳的年龄，以及地球从炽热熔融状态冷却固化的年龄，认为地球年龄只有几千万年，绝不会上亿。地学界与物理学界的争论，到了19世纪末期放射性元素发现之后方有结论：因为太阳的能量还在不断产生，不能用简单的热量消耗来计算其年龄，所以地质界的估算要比物理界来得正确。

就在1895年X光发现之后的第二年，发现了铀的放射性，为利用放射性元素的半衰期测定矿物年龄开辟了途径：1904年E.Roservelt首次从一种铀矿物测得五亿年的放射性年龄。现在放射性测年不仅是地质年代学的基本方法，而且也被天文界用来测量陨石追索太阳系的历史，考古界用来测量出土文物的年龄。

日、月、年以上的天文周期

归纳起来，人类计时有两种系统：一种是天文计时，一种是物理计时。前面说到，计时是从天文方法开始的，然而天文上的周期性并不像我们外行人想象的那样规则。以太阳为标准的天文“日”长度并不相等，现在一年之中就可以差51秒；更不用说根据珊瑚化石生长纹判断，四亿年前一年有四百多天，在地质尺度上来讲地球自转速度是在减慢的。如此看来，用独立的物理方法计时，避免天文计时中的不稳定因素，是极为重要的。

但是话又得说回来，尽管有精确物理定义的“秒”，我们日常使用仍然是天文计时，仍然是按昼夜作息、按年度预算。因为天文周期实际上也是人类生活环境的周期，其精度一般讲也足够我们日常使用。即使有了原子钟，仍然需要有历法的天文计时。时间长度的不同等级有不同的用途，论资历用“年”，发工资按“月”，住旅馆算“日”，打电话计“分”。基于天文周期的年、月、日，和由此派生出来的世纪、星期、小时等，能够满足人的生命长度与生命活动的需要，使用方便。可是在地质计时中，这些天文周期都显得太短，动不动就要用几亿甚至几十亿年来表示，既不科学、又不方便。不科学是我们根本达不到“年”的分辨率，不方便是无缘无故用那么大的数字，就像平时生活中不用年只用秒，每人要数三千多万秒过一次生日，活到将近十九亿秒才可以退休，那就非乱了套不行。

地质科学产生至今差不多两百年的历程里，我们习惯于“推己及物”，把自己计年龄的单位加给地球。可是既然知道有“今人不见古时月”的尺度差异，我们能不能找一找：在日、月、年之上，还有没有更长一点的天文周期，适宜于地球和月亮使用？回答是有的。这种周期确实有，而且已经开始使用，这就是地球在太阳系里运行轨道几何形态变化的周期，简称轨道周期。

地球绕太阳公转，遵照牛顿定律是极其规则的运动。但是太阳系里还有其他行星，地球身边还有月亮做伴。相互干扰的结果，地球的运行轨道，包括绕太阳公转的黄道和地球自转的赤道面，就会周期性地出现偏差。周期性变化的轨道参数有三种：岁差，斜率与偏心率。地球自转轴呈陀螺般的晃动，叫做岁差；地球赤道和黄道之间的夹角叫做斜率，也在周期性变化；黄道呈椭圆形，但有时更圆些、有时更扁些，这就是偏心率。轨道参数不断地在变，只不过我们不加注意罢了。但是地球运行这种几何形态上的微小变化，都会影响太阳辐射量在地球表面的分布，通过地球气候系统的放大效应，最终可以导致冰期的重复发生。

地球运行的轨道参数

三个参数中最先发现的是岁差。所谓“岁差”就是岁岁有差别，我国晋朝的虞喜就发现冬至点每年有所移动，五十年沿黄道西移一度。现在知道这是21 000年的周期，具体表现是地球在黄道上到达近日点的日期逐年变化。从气候角度说，如果地球在夏至到达近日点、冬至到达远日点，一年内季节的差异就会加强；相反，如果冬至到达近日点，夏至到达远日点，气候的冬夏差别就会减少。岁差周期影响气候季节性，所以季风强弱就会有两万年左右的周期。

地球的斜率也在变。现在回归线在23.5°，这是今天地球的斜率；但是它在22.2°与24.5°之间变动，41000年一个周期。现在斜率每年减少0.5°，所以北回归线正在南移。比如台湾的嘉义县1908年建造的北回归线标志，到1996年已经落在北回归线以北1.27 km，到9 300年后更要相差90 km。斜率角度增大会使太阳辐射量在高纬区的份额加大，所以对高纬度的气候有重要影响；假如斜率一旦大于54°，极地就会比赤道还热。

第三个轨道参数偏心率，它反映黄道圆不圆，随着黄道短轴的长度伸缩，椭圆形的黄道有接近100 000年周期的变化，导致不同季节地球与太阳距离的不同。但由于这种变化幅度太小，对于气候的直接影响可以不计。偏心率影响气候，主要依靠调控气候岁差变化的幅度，偏心率越大，岁差造成的气候变化越大。道理很简单：假如偏心率小到为零，黄道成了圆形，也就谈不上什么近日点、远日点，和岁差的气候效应了。

这样，二万年的岁差，四万年的斜率和十万年的偏心率周期，通过太阳辐射量的时空分布变化影响着地球上的气候。但是与日、月、年不同，这类天文周期时间长、变化小，只有靠地质时期里的长期积累才会有显著的效果。果然，这类天文周期的发现，是在近几十万年来的冰期记录里。

地球轨道和冰期旋回

地质学界会对轨道周期发生兴趣，原因就在于大冰期。两万年前，世界大陆有三分之一压在几千米厚的冰盖下面，而且这种大冰期曾经在最近一百多万年来的第四纪里重复出现，什么原因却并不清楚。经过长期争论，终于发现原因在于地球运行轨道的周期性变化。20世纪早期，塞尔维亚的米兰克维奇（Milutin Milankovitch）以北纬65°N的高纬区为标准，计算夏季接受太阳辐射量的周期性变化，如果夏季辐射量不太大，北半球高纬区的积雪不会融化，就可以逐渐堆积而形成大冰盖。这项假设提出后遭到几十年的冷遇，直到半世纪之后的20世纪70年代，深海沉积物的氧同位素分析证明冰期旋回与轨道周期相符，方才得到学术界的承认，这就是所谓“米兰克维奇理论”：冰期旋回的原因在于地球轨道参数的变化。

既然冰期按轨道周期发生，就可以拿冰期作为计时的标准。全球冰盖的大小反映在海水的氧同位素上，因此深海沉积的地层年代就采用氧同位素分期（MIS）来表达，今天属于MIS1期，2万年前的大冰期是MIS2期，一直数到一百多期。但是每次冰期旋回的长度并不一致：早先的旋回四万年，是斜率周期；最近六七十万年以来又变为十万年一次冰期。更大的问题是在地质历史的长河里，极地有大冰盖、气候有冰期旋回的只是少数，多数时间里没有冰期。因此，依靠冰期旋回表达的轨道周期，只能有局部的应用价值。

西西里岛南岸石灰岩和腐泥层的交替，纪录了四百万年前地球轨道的周期变化

好在地球轨道参数影响太阳辐射量的分布，并不限于高纬区。前面说过，岁差影响气候的季节性，当近日点在夏至的时候季节性加强，季风和季风雨也就特别强盛。在非洲，强大的季风雨可以造成尼罗河特大规模泛滥，洪水流到地中海引起浮游生物的勃发，海底形成富含有机质的“腐泥层”。季风洪水随着岁差变，所以两万年出现一次的“腐泥层”，就是岁差的标记。岁差两万年一个周期可以编号，现在近日点靠近冬至，是岁差的高峰，编为1号；一万年前近日点在夏至前后，是岁差的低谷，编作2号。这样从现在向古代上推，一个岁差周期编两个号（岁差高峰单号，低谷双号），大约180万年前的第四纪开始就编到176号，此前的上新世就从176号编到530号，相当于180.6万年到533.3万年以前的一段历史。今天意大利南方的地层，从前就是地中海海底的沉积，里面保留着这些腐泥层，上面说的编号就是在那里应用，成为地质年代天文计时的一个样板。

但是，两万年的岁差周期只是近几百万年来的事。由于地球受潮汐摩擦的原因，岁差周期是在变长的。据计算，今天平均21 000年的岁差周期，在五亿年前只有17 000多年。斜率也一样，今天41 000年的斜率周期当时也只有29 000年。即便在近几百万年，由于冰期时地球受冰盖载荷的影响，岁差和斜率周期的长度也会受到影响。上面说的用岁差周期作为地质计时单位，只能适用于最近几百万年。由于其时间长度不稳定，岁差和斜率难以成为整个地质时代计年的“钟摆”；这种“钟摆”，得靠第三个轨道参数——偏心率。

地质计时的“钟摆”——四十万年偏心率长周期

前面介绍地球轨道参数时只说有10万年的偏心率，其实偏心率还有40万年的长周期，它们都不受潮汐影响，具有稳定性；尤其是40万年的偏心率长周期，是天文上最为稳定的轨道参数。上面说过，偏心率主要通过调控岁差的变化幅度影响气候，而岁差变化幅度越大，气候的季节性变化越强。所以偏心率增大，就会加强气候的季节性变化；假如偏心率等于零，岁差对季节性的影响也就等于零。这种作用在低纬度区最为明显，比如地中海按岁差周期出现的“腐泥层”，偏心率最小的时期不能形成，只有石灰岩的连续沉积，因此从远处就可以看出地层的轨道周期来。谓予不信，请到西西里岛一游。那是意大利著名的旅游点，崖岸上石灰岩和腐泥层的韵律，就是轨道周期的记录，其中游泳之后享用日光浴的厚层灰岩，就是40万年周期偏心率最小时候的产物。

在较老的地质年代里，最容易辨认的是40万年长周期，一方面这种长周期造成的气候变化幅度大，便于识别；另一方面时间长度大，对时间分辨率的要求低，容易确定。因此在不同年代的地质记录里都可以适用，被誉为地质计时的最佳“音叉”。现在，40万年长周期不仅在三亿多年前美国东北的湖泊，或者一千多万年来的贝加尔湖沉积中有发现，而且世界大洋的碳储库普遍存在40万年的长周期。学术界终于开始明白：这40万年周期，是地球上气候变化一种最基本的“节律”。地球上大部分时间没有大冰盖，那时候气候变化主要受低纬度区控制，因此岁差和调谐岁差变幅的偏心率周期，就显得格外重要。过去轨道周期的研究大多局限于第四纪晚期的冰期旋回，那是地球历史上非常特殊的时期，而且总共只有几十万年，当然看不到长周期。

于是，有人建议将地质时期按40万年偏心率周期编年，具体说是用偏心率最低值作为一个40万年周期的标记，从新到老编号排序。从最近一个偏心率最低值、也就是一万年前起算，编号为“1”，那么往前数，北半球冰盖的形成应当在第“7”期，地中海变干发生在第“16”期，如此等等。再往前，6 500万年前白垩纪末恐龙灭绝，按偏心率长周期就是“162”期；距今14 500万年的侏罗纪末，就是“360”期。

总之，地质界已经在日、月、年之上，提出了更长的天文周期用来计时，一个是大约两万年的岁差，一个是大约40万年的偏心率。其中40万年周期适用于整个地质历史，是最有希望的地质计时单位。当然这里的计时全是指地质尺度，无论是人寿保险，还是工程设计都决不会采用这种计时单元，但是对于地质历史和环境演变的研究说来，却是找到了自己的“钟摆”。

结束语——翻开地球的“万年历”

就像现在有了原子钟，还要有历法一样，地质历史的同位素测年，无法替代天文周期的计时。因为同位素测年可以求出时间长度，却提供不了天文周期反映的环境变化韵律。不管短到日、年，还是长到岁差、偏心率，都是环境韵律的标志。古人“日出而作，日入而息”，因为白天便于耕种，黑夜宜于睡眠。岁差低谷时地中海形成“腐泥层”，偏心率低值时堆积石灰岩，这也是天文周期，只是你我寿命太短，不通过专家的研究看不出来，和“朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋”是一个道理。因此，将天文周期引进地质年表，其意义不仅在于提高地质年代学的精度，还有助于理解地质过程的机理。

可以预见，未来的地质年表，既有同位素测年的数据，也有天文周期、主要是偏心率长周期排序的“年龄”。只有理清地质历史上的周期性，才能编制地球的“万年历”。一旦掌握了这种“万年历”，其影响将远远超出地质学的范围，因为人类对于大大超过自己生命长度的变化了解实在太少。今天面对“温室效应”、疾呼“全球变暖”的学术界，三十年前曾经鼓吹过“下次冰期”即将降临；直到现在，下次冰期究竟什么时候来，预测仍然大相径庭，有的说还得五万年，有的却说已经在来临。分歧的原因是不了解轨道变化究竟如何影响地球上的气候，尤其对于如何影响碳储库，至今众说纷纭。40万年偏心率既是季风的周期、风化作用的周期，又是大洋碳储库的周期，很可能还是海平面升降的周期。今天的地球正在经历着40万年偏心率周期的低值期，大洋碳储库的反应也早已出现，当务之急是要去解读这种长周期变化的环境意义。不认识地质时期里冰期旋回、碳储库变化周期与轨道参数的关系，要对未来环境长期变化趋势做出科学的预测，是不现实的。

研究天文长周期，不单是地质学请教天文学；相反，天文学也会得益于地质学。天文周期的计算，在时间上有着一定的极限；过于古老的天文周期，天文学已经无能为力，只能将来从地质纪录里去寻找，靠地质学提供。利用地质纪录推测轨道周期的做法，不但有了初步尝试，而且还在地外星球的航天探测中使用。火星极地上发现有2 500米厚的冰盖，冰盖上的亮、暗条带表明有冰雪与尘埃的互层，应当和地球上一样是轨道驱动下冰期旋回的产物。经过计算，求出了火星的轨道周期是：岁差51 000年，斜率120 000年，偏心率95 000年至99 000年。至于这结论的准确程度将来如何验证，恐怕你我都不见得等得到。

进一步讲，计时和周期的问题同样存在于生物学。演化生物学本来和地质学一样探讨时间问题，而生物大分子进化速率稳定性的发现，为生物演化研究的计时提供了标准，为建立演化的“生物钟”创造了条件。对于天文周期，生物界和地球气候系统一样，也会作出自己的反应。现在已经知道，生物个体内要有“生理节奏钟”响应昼夜与季节的变化，要有内在的“发育钟”机制协调个体发育的生长过程。那么，在生物界的高层次上，是不是也会有生物圈对于天文长周期的响应呢？这样的问题也许提得过早，在基因层面上研究生物与天文周期的关系，目前还刚刚起步。可以肯定的是，地球“万年历”的编制，天文长周期在不同学科中的引入，必将开拓人类认识世界的时间范围，提高预测长期变化的能力。到那时，尽管还是“不见古时月”的“今人”，却能够有声有色地开讲包括地球在内的“太阳系演义”。

【注释】

[1]本文选自《自然杂志》2006年第1期。作者汪品先系中国科学院院士，曾任同济大学海洋地质国家重点实验室主任、中国海洋科学研究委员会主席。