身邊的天文學(xué)

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

潮汐使地球自轉(zhuǎn)變慢

地球為什么會有自轉(zhuǎn)?在太陽系形成之初，新生的太陽周圍圍繞著旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生了自轉(zhuǎn)。對珊瑚化石生長線的研究表明，在遠(yuǎn)古地質(zhì)年代，地球自轉(zhuǎn)速率比現(xiàn)在更快。3.2億—4億年前的泥盆紀(jì)，當(dāng)時的1年差不多是400天;6500萬年前，1年約為376天。并沒有證據(jù)表明年長(和地球的公轉(zhuǎn)周期相關(guān))會發(fā)生大的變化，因此天數(shù)的減少表明在遙遠(yuǎn)的過去，地球自轉(zhuǎn)得更快。此外，日長由寒武紀(jì)時的不足21小時，逐漸增加到了現(xiàn)在的24小時。

導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)變慢的因素是潮汐，它是由于月亮、太陽對地球的引潮力造成的。月亮引發(fā)的潮汐要比太陽顯著得多。古人很早就發(fā)現(xiàn)，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?！?/p>

潮汐傳播的方向為自東向西，與地球自轉(zhuǎn)方向相反。它會引起海水和淺海海底摩擦，也引發(fā)地球內(nèi)部固體物質(zhì)的內(nèi)摩擦。摩擦產(chǎn)生熱量并散發(fā)出去，消耗了地球自轉(zhuǎn)的動能，就像給地球踩了“剎車”一樣，使得自轉(zhuǎn)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(xù)。由于地月系統(tǒng)的角動量守恒，在地球自轉(zhuǎn)變慢的同時，地月距離正以每年3.8厘米的速率遞增。

什么使地球自轉(zhuǎn)變快

除了極長時間尺度上的變慢趨勢以外，在19世紀(jì)20年代，人們發(fā)現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)還存在短期的不規(guī)則變化，時快時慢，一年當(dāng)中日長的變化幅度可以達(dá)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(fēng)力矩或與地磁場耦合等因素引起。

從2020年的年中開始，地球自轉(zhuǎn)正在加快，一天的時長經(jīng)常短于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(jīng)歷時間跨度為幾年到幾十年的不規(guī)則變化，這些變化或許是地表質(zhì)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(dāng)冰蓋融化進(jìn)入海洋時，地球的質(zhì)量就進(jìn)行了重新分配，物質(zhì)相比于之前更靠近中心，地球自轉(zhuǎn)就會變快一點兒。當(dāng)然，這個影響是非常微弱的，不會改變自轉(zhuǎn)長期變慢的趨勢。

會不會引發(fā)負(fù)閏秒

日常生活中，我們手機、手表等使用的時間，叫做“協(xié)調(diào)世界時”(UTC)。它的秒長來源于原子時，原子時由原子鐘產(chǎn)生，是目前為止最均勻的計時系統(tǒng)。

盡管以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的天文時間(也就是世界時)不如原子時均勻，但我們在導(dǎo)航定位、天文測量和深空探測等各個領(lǐng)域以及日常生活中，還是離不開天文時間。所以天文臺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(dāng)它們的時差預(yù)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(tǒng)就是協(xié)調(diào)世界時。

根據(jù)中國科學(xué)院國家授時中心竇忠研究員的統(tǒng)計，從1958年1月1日以來，協(xié)調(diào)世界時相對于國際原子時慢了37秒。從1972年協(xié)調(diào)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(zhuǎn)速率一直在減慢。

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

(作者:李鑒?系北京天文館副研究員)