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地球自轉變快 我們要“加速”過新年了?

2021年01月19日08:13 | 來源:科技日報
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原標題:地球自轉變快 我們要“加速”過新年了?

  今年年初,來自中國科學院國家授時中心、英國國家物理實驗室時間頻率組等機構的研究人員表示,從2020年的年中以來,地球的自轉速率呈加快的趨勢。我們知道,地球自轉會逐漸變慢,怎麼突然變快了呢?難道說地球也想讓2020年快點過去,早些進入2021年?

  潮汐使地球自轉變慢

  地球為什麼會有自轉?在太陽系形成之初,新生的太陽周圍圍繞著旋轉的氣體和塵埃盤。塵埃微粒最開始因摩擦起電而聚集成團,后來又在引力作用下,通過碰撞吸積而增大,這個碰撞的過程,使行星產生了自轉。對珊瑚化石生長線的研究表明,在遠古地質年代,地球自轉速率比現在更快。3.2億—4億年前的泥盆紀,當時的1年差不多是400天﹔6500萬年前,1年約為376天。並沒有証據表明年長(和地球的公轉周期相關)會發生大的變化,因此天數的減少表明在遙遠的過去,地球自轉得更快。此外,日長由寒武紀時的不足21小時,逐漸增加到了現在的24小時。

  導致地球自轉變慢的因素是潮汐,它是由於月亮、太陽對地球的引潮力造成的。月亮引發的潮汐要比太陽顯著得多。古人很早就發現,第二天漲潮的時間比前一天平均要推遲大約50分鐘,這正是每天月亮升起推遲的時間。東漢王充在《論衡》中曾指出:“濤之起也,隨月盛衰,大小滿損不齊同。”

  潮汐傳播的方向為自東向西,與地球自轉方向相反。它會引起海水和淺海海底摩擦,也引發地球內部固體物質的內摩擦。摩擦產生熱量並散發出去,消耗了地球自轉的動能,就像給地球踩了“剎車”一樣,使得自轉逐漸減慢。日長每過100年大約增長0.00164秒,而且這一趨勢仍在繼續。由於地月系統的角動量守恆,在地球自轉變慢的同時,地月距離正以每年3.8厘米的速率遞增。

  什麼使地球自轉變快

  除了極長時間尺度上的變慢趨勢以外,在19世紀20年代,人們發現地球自轉還存在短期的不規則變化,時快時慢,一年當中日長的變化幅度可以達到2毫秒。這種變化的原因目前還沒有定論,可能來自地幔與地核之間的角動量交換或海平面變化等因素,以及由太陽風力矩或與地磁場耦合等因素引起。

  按照角動量守恆定律,地球的自轉角動量基本上是不變的。所以如果地球的質量分布發生變化,就可能改變它的自轉速率。以花樣滑冰來做類比:當冰面上張開手臂旋轉著的運動員把手臂縮回時,她的旋轉速度會加快。地球也一樣,當物質向更中心聚集時,自轉就會變快。例如地震通常會使得大量物質沉積到地下更深處,2011年日本沿海發生9級地震,使日本本州島向東移動了大約2.4米,並使得日長縮短了1.8微秒。

  從2020年的年中開始,地球自轉正在加快,一天的時長經常短於86400秒。2020年7月19日這天短了1.4602毫秒——這是有記錄以來最短的一天。地球可能正在經歷時間跨度為幾年到幾十年的不規則變化,這些變化或許是地表質量分布的變化引起的。以冰川和冰蓋的融化為例,南極冰蓋是地球上最大的單體冰塊,含有約3000萬立方千米的冰,重量大約3萬萬億噸,海拔大約在2400米—2700米。當冰蓋融化進入海洋時,地球的質量就進行了重新分配,物質相比於之前更靠近中心,地球自轉就會變快一點兒。當然,這個影響是非常微弱的,不會改變自轉長期變慢的趨勢。

  會不會引發負閏秒

  日常生活中,我們手機、手表等使用的時間,叫做“協調世界時”(UTC)。它的秒長來源於原子時,指位於海平面上的銫133原子基態的兩個超精細能級間在零磁場中躍遷振蕩9192631770個周期所持續的時間為1秒。原子時由原子鐘產生,是目前為止最均勻的計時系統。現在的鍶原子光晶格鐘,穩定度已達10-18的量級,相當於160億年不差一秒!

  盡管以地球自轉為基礎的天文時間(也就是世界時)不如原子時均勻,但我們在導航定位、天文測量和深空探測等各個領域以及日常生活中,還是離不開天文時間。所以天文台在用原子鐘保持原子時的同時,還在不斷地通過天文觀測確定世界時。當它們的時差預測值超過0.9秒時,就在國際原子時中插入1個閏秒,以使二者一致。這個時間系統就是協調世界時。可以這麼理解,我們的鐘表時間,在宏觀上是天文時,在微觀上是原子時。秒針以原子時的頻率跳動,卻必須時刻不離天文時左右。這樣協調的意義在於,兩種時間的差距始終不會超過1秒,可以使人們的作息與自然節律步調一致。

  根據中國科學院國家授時中心竇忠研究員的統計,從1958年1月1日以來,協調世界時相對於國際原子時慢了37秒。從1972年協調世界時誕生以來,一共實施了27次閏秒,而且都是“正閏秒”——增加1秒。也就是說,近50年間,地球自轉速率一直在減慢。

  這次地球自轉變快會不會導致史上第一次“負閏秒”?還要看這個過程會不會持續。盡管從2020年年中開始,地球自轉比此前略快了一些,而且變快的幅度和持續時間比以往都更大,但截至2020年12月6日,協調世界時仍然比原子時慢了大約200毫秒。而“負閏秒”要求它比原子時快將近900毫秒時才可能實施,可見現在下結論還言之過早。2021年1月7日,國際地球自轉服務組織(IERS)發布第61期C公報,稱在2021年6月底不會產生“閏秒”。未來究竟會不會發生負閏秒呢?我們拭目以待。

  (作者系北京天文館副研究員)

(責編:趙竹青、呂騫)

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