被遗忘的天文气候学家 ——詹姆斯·克罗尔

  • 发布时间:2019-07-05 23:01:06

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  说起历史上著名的天文学家或者气候学家,很少有人会想到詹姆斯·克罗尔。这位19世纪的英国科学家揭示了地球为何出现周期性冰期的奥秘,是天文气候学最早的奠基者。而且,在英国的维多利亚时代,克罗尔曾受到查尔斯·达尔文、威廉·汤姆逊(即开尔文勋爵)等科学巨匠的极力推崇,但他最终在贫困中死去,他的名字也很快变得鲜为人知。这样一位有着杰出学术成就的科学家,为何会被世人遗忘呢?

  1821年,克罗尔生于苏格兰的佩思郡,他的父亲是位农场的石匠。克罗尔从小在乡间长大,常常需要帮父母干活,只能断断续续地去学校听课。然而,即使是这样非正式的学校教育也没能持续多久,11岁时,克罗尔早早地退学,专心在农场里干活。恰在1832年,英国诞生了世界上最早的廉价期刊——《一便士杂志》,这本杂志内容丰富,浅显易懂,深受英国大众欢迎。无书可读的克罗尔只能常常阅读《一便士杂志》,他很喜欢其中的哲学版和科学版,从中了解了许多有趣的自然现象,知识面大开。

  14岁时,克罗尔已经对科学有了初步的认识,他意识到,自然现象背后存在着严格的法则,这些法则让他感到惊奇。为了探寻这些法则,克罗尔开始自学力、热、光、磁等物理学科,一学就是几十年。虽然克罗尔对科学充满着憧憬,但他毕竟没有文凭,也没有钱,只能找些别的工作自谋生路。

  在成为一名科学家之前,克罗尔几乎什么都干过。16岁时,年轻的克罗尔走出家门,成为一个居无定所的零工工匠,每天辗转于苏格兰各地的农场仓库。25岁的时候,克罗尔肘部患上了难以治愈的炎症,无法继续从事体力劳动,于是转行贩卖茶叶、推销保险、经营旅馆,但每一次都只赔不赚,最终破产。不知不觉,克罗尔已经30多岁了,他又找到一份新工作,在格拉斯哥市的斯特拉斯克莱德大学当起了门卫。这份工作虽然不足以改善经济状况,却能让克罗尔有机会进入大学的图书馆。在那里,克罗尔继续自学物理、数学、天文学、流体静力学以及其他一些新兴学科,并结识了大名鼎鼎的科学家——威廉·汤姆逊。

  威廉·汤姆逊当时任教于格拉斯哥大学,是物理学界的权威。汤姆逊在鼓励克罗尔学习科学知识的同时,也建议后者要勇于独立地进行科学研究。没多久,克罗尔在图书馆中碰巧看到了约瑟夫·阿德马尔的天文学著作,对地球冰期产生了研究兴趣。

  19世纪时,欧洲的地质学家已经发现,欧洲大陆曾经多次经历冰期,被冰川覆盖,然后每隔一段温暖的时间,冰期又会返回。科学家试图找到冰期出现的原因,而法国人约瑟夫·阿德马尔就是首次尝试用天文学来研究这个课题的天文学家。阿德马尔提出,由于岁差的存在,地球在绕着太阳做椭圆运动的时候,南北半球的季节会出现长短不一的情况,只要某个半球的夏季短、冬季长,那么这个半球就会遭遇冰期。不过,其他科学家很快证明,阿德马尔的观点是错误的,虽然南北半球季节的长短会由于岁差而变化,但南北半球实际接受的热量是大致相同的——或者是较短、较热的夏季,或是较长、不太热的夏季。

  克罗尔觉得,阿德马尔的理论过于简单粗糙,但研究方向其实是正确的。所以,克罗尔继续试着用地球和太阳之间的天文变化来解释冰期。通过大量的数学计算,克罗尔终于提出了关于地球冰期的偏心率理论。他发现,地球绕太阳运动的轨道是椭圆的,如果将椭圆轨道的长轴视为远日轴,短轴视为近日轴,那么远日轴比较稳定,而近日轴的长短一直在伸缩,导致公转轨道会从椭圆变成近圆再变成椭圆。也就是说,地球公转轨道的偏心率一直在周期性地变化。

  然而,考虑到太阳、月亮、岁差等诸多因素的影响,在公转轨道从椭圆变成近圆再变成椭圆的每一次周期中,偏心率变化的最大幅度也是不同的。在某个特定的时间,比如3亿年前的二叠纪和200万年前的更新世,地球公转轨道会达到罕见的极高的偏心率。这种情况下,南北半球气候将出现巨大的差异,一方极端寒冷,出现大量冰川,反射太阳光,另一方非常温暖,改变洋流的方向,减少热量传到另一半球。这些效果综合起来,会导致某个半球完全被冰川覆盖。

  1864年,克罗尔将自己的理论发表于当时的顶级科学期刊——《哲学杂志》,立即在科学界引起轰动。在克罗尔之前,从未有人从天文学的角度对冰期做出过富有说服力的解释。当学者们了解到论文的作者并不是大学中的教授,而是一位民间科学家的时候,他们在认可之余,也感到非常惊讶。

  1867年,克罗尔得到赏识,在苏格兰地质勘查局谋得了一个职位,终于可以全心全意研究科学。这时,克罗尔已经和查尔斯·达尔文建立了友谊,两人常常交流思想。在达尔文的鼓励下,克罗尔自己著书,于1875年写完《气候与时间》一书。在这本著作中,克罗尔提出了一些开创性的研究——冰川如何运动、洋流如何产生、南极洲冰盖有多厚,受到好评。《气候与时间》出版几个月后,克罗尔被伦敦皇家学会以及纽约科学学会吸纳为会员,并获得了斯特拉斯克莱德大学的荣誉学士学位。

  虽然克罗尔已经非常有名,但由于他出身贫寒,在英国派系林立的科学家圈子里没有太多朋友。1880年,克罗尔的健康状况已经很差,不得不退休。达尔文、汤姆逊等人多次为克罗尔争取公务员退休金,但两任英国首相都拒绝了他们的请求。10年后,克罗尔在贫病交加中去世,他的葬礼很简单,讣告对他的评价只有短短几个字——“最重要的,同时也是最早用物理研究气候的科学家”。很快,英国科学界再没有人谈论克罗尔。

  1930年,米卢廷·米兰科维奇,一位南斯拉夫地球物理学家,在克罗尔的基础上进一步明确了地球轨道的不规则变化与冰期之间的关系,那就是著名的“米兰科维奇循环”。米兰科维奇之后,知道克罗尔的人更少了。如今,苏格兰皇家地理学会在英国帕斯市为克罗尔立有一个塑像,这是人们对克罗尔表示的唯一一份纪念。返回搜狐,查看更多