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  地球自转变快 我们要“加速”过新年了?

  身边的天文学

  今年年初,来自中国科学院国家授时中心、英国国家物理实验室时间频率组等机构的研究人员表示,从2020年的年中以来,地球的自转速率呈加快的趋势。我们知道,地球自转会逐渐变慢,怎么突然变快了呢?难道说地球也想让2020年快点过去,早些进入2021年?

  潮汐使地球自转变慢

  地球为什么会有自转?在太阳系形成之初,新生的太阳周围围绕着旋转的气体和尘埃盘。尘埃微粒最开始因摩擦起电而聚集成团,后来又在引力作用下,通过碰撞吸积而增大,这个碰撞的过程,使行星产生了自转。对珊瑚化石生长线的研究表明,在远古地质年代,地球自转速率比现在更快。3.2亿—4亿年前的泥盆纪,当时的1年差不多是400天;6500万年前,1年约为376天。并没有证据表明年长(和地球的公转周期相关)会发生大的变化,因此天数的减少表明在遥远的过去,地球自转得更快。此外,日长由寒武纪时的不足21小时,逐渐增加到了现在的24小时。

  导致地球自转变慢的因素是潮汐,它是由于月亮、太阳对地球的引潮力造成的。月亮引发的潮汐要比太阳显著得多。古人很早就发现,第二天涨潮的时间比前一天平均要推迟大约50分钟,这正是每天月亮升起推迟的时间。东汉王充在《论衡》中曾指出:“涛之起也,随月盛衰,大小满损不齐同。”

  潮汐传播的方向为自东向西,与地球自转方向相反。它会引起海水和浅海海底摩擦,也引发地球内部固体物质的内摩擦。摩擦产生热量并散发出去,消耗了地球自转的动能,就像给地球踩了“刹车”一样,使得自转逐渐减慢。日长每过100年大约增长0.00164秒,而且这一趋势仍在继续。由于地月系统的角动量守恒,在地球自转变慢的同时,地月距离正以每年3.8厘米的速率递增。

  什么使地球自转变快

  除了极长时间尺度上的变慢趋势以外,在19世纪20年代,人们发现地球自转还存在短期的不规则变化,时快时慢,一年当中日长的变化幅度可以达到2毫秒。这种变化的原因目前还没有定论,可能来自地幔与地核之间的角动量交换或海平面变化等因素,以及由太阳风力矩或与地磁场耦合等因素引起。

  按照角动量守恒定律,地球的自转角动量基本上是不变的。所以如果地球的质量分布发生变化,就可能改变它的自转速率。以花样滑冰来做类比:当冰面上张开手臂旋转着的运动员把手臂缩回时,她的旋转速度会加快。地球也一样,当物质向更中心聚集时,自转就会变快。例如地震通常会使得大量物质沉积到地下更深处,2011年日本沿海发生9级地震,使日本本州岛向东移动了大约2.4米,并使得日长缩短了1.8微秒。

  从2020年的年中开始,地球自转正在加快,一天的时长经常短于86400秒。2020年7月19日这天短了1.4602毫秒——这是有记录以来最短的一天。地球可能正在经历时间跨度为几年到几十年的不规则变化,这些变化或许是地表质量分布的变化引起的。以冰川和冰盖的融化为例,南极冰盖是地球上最大的单体冰块,含有约3000万立方千米的冰,重量大约3万万亿吨,海拔大约在2400米—2700米。当冰盖融化进入海洋时,地球的质量就进行了重新分配,物质相比于之前更靠近中心,地球自转就会变快一点儿。当然,这个影响是非常微弱的,不会改变自转长期变慢的趋势。

  会不会引发负闰秒

  日常生活中,我们手机、手表等使用的时间,叫做“协调世界时”(UTC)。它的秒长来源于原子时,指位于海平面上的铯133原子基态的两个超精细能级间在零磁场中跃迁振荡9192631770个周期所持续的时间为1秒。原子时由原子钟产生,是目前为止最均匀的计时系统。现在的锶原子光晶格钟,稳定度已达10-18的量级,相当于160亿年不差一秒!

  尽管以地球自转为基础的天文时间(也就是世界时)不如原子时均匀,但我们在导航定位、天文测量和深空探测等各个领域以及日常生活中,还是离不开天文时间。所以天文台在用原子钟保持原子时的同时,还在不断地通过天文观测确定世界时。当它们的时差预测值超过0.9秒时,就在国际原子时中插入1个闰秒,以使二者一致。这个时间系统就是协调世界时。可以这么理解,我们的钟表时间,在宏观上是天文时,在微观上是原子时。秒针以原子时的频率跳动,却必须时刻不离天文时左右。这样协调的意义在于,两种时间的差距始终不会超过1秒,可以使人们的作息与自然节律步调一致。

  根据中国科学院国家授时中心窦忠研究员的统计,从1958年1月1日以来,协调世界时相对于国际原子时慢了37秒。从1972年协调世界时诞生以来,一共实施了27次闰秒,而且都是“正闰秒”——增加1秒。也就是说,近50年间,地球自转速率一直在减慢。

  这次地球自转变快会不会导致史上第一次“负闰秒”?还要看这个过程会不会持续。尽管从2020年年中开始,地球自转比此前略快了一些,而且变快的幅度和持续时间比以往都更大,但截至2020年12月6日,协调世界时仍然比原子时慢了大约200毫秒。而“负闰秒”要求它比原子时快将近900毫秒时才可能实施,可见现在下结论还言之过早。2021年1月7日,国际地球自转服务组织(IERS)发布第61期C公报,称在2021年6月底不会产生“闰秒”。未来究竟会不会发生负闰秒呢?我们拭目以待。

  (作者系北京天文馆副研究员)

【编辑:叶攀】
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