自轉(zhuǎn)越來越快，地球也“趕時間”？

“時快時慢”才是地球真“性格”

段鵬碩介紹，從更短的時間尺度來看，地球自轉(zhuǎn)速率的變化是非常復(fù)雜和不均勻的，表現(xiàn)出“時快時慢”以及準(zhǔn)周期振蕩的特點。

“在年際尺度上，地球自轉(zhuǎn)速率會出現(xiàn)幾年加快、而后幾年又放慢的現(xiàn)象；在季節(jié)變化上，地球自轉(zhuǎn)也會在某些月份出現(xiàn)速度增加，而在某些月份出現(xiàn)速度減慢現(xiàn)象?！倍矽i碩分析稱，這些不同時間尺度的日長變化實際體現(xiàn)了不同的地球系統(tǒng)物質(zhì)運動過程。

例如，地球自轉(zhuǎn)速率在年際尺度上的變化，與地球內(nèi)部的地核運動密切相關(guān)；而日長的季節(jié)變化則更多受到大氣、海洋等地球表層因素的影響。

“也就是說，從長期的日長變化形態(tài)來看，近兩年的地球自轉(zhuǎn)加快現(xiàn)象并不奇怪，屬于正?，F(xiàn)象?！倍矽i碩提醒，這并非意味著“地球變得更有活力”。

自轉(zhuǎn)原理類似芭蕾的形體轉(zhuǎn)

我們知道，地球本身作為一個獨立的系統(tǒng)，在不考慮外部因素的作用時，其自身的角動量（即轉(zhuǎn)動慣量與自轉(zhuǎn)角速度的乘積）是守恒的，其遵守角動量守恒定律。

段鵬碩解釋，地球自轉(zhuǎn)速度加快說明地球自身的轉(zhuǎn)動慣量減小，表現(xiàn)為地球整體物質(zhì)的“收攏”；相反，地球自轉(zhuǎn)速度減緩則說明轉(zhuǎn)動慣量增大，表現(xiàn)為地球整體物質(zhì)的“展開”。

“這個過程很類似于芭蕾舞演員在表演原地形體旋轉(zhuǎn)時，利用角動量守恒原理，通過收縮（伸展）雙臂或腿部的動作改變自身的轉(zhuǎn)動慣量，從而達到加快（減緩）自身旋轉(zhuǎn)速度的效果。”段鵬碩說。

然而，能夠引起地球自轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化的物理因素，不局限于來自地球內(nèi)部的地核（液核外核、固體內(nèi)核）運動和磁場變化，還包括一些來自地球表面的現(xiàn)象，例如：大氣運動、海洋運動、陸地水、冰川運動以及氣候變化等。

國際上有觀點認為，地球自轉(zhuǎn)加快的現(xiàn)象可能與近來氣候變化導(dǎo)致的南北極冰川融化效應(yīng)有關(guān)。“這種情況下，地球兩極承受的壓力變小，從而使地殼向上移動，地球變得更圓。而圓形有助于地球旋轉(zhuǎn)得更快。”段鵬碩分析說。

相關(guān)研究表明，來自于地球表面的因素傾向于激發(fā)5年周期內(nèi)較高頻的地球自轉(zhuǎn)速度變化，而地球內(nèi)部的因素引起的地球自轉(zhuǎn)速度變化通常表現(xiàn)為5年周期以上更低頻的變化。

對此，段鵬碩認為，理論上，實際觀測到的地球自轉(zhuǎn)速度變化是多種因素引起的，是地球內(nèi)外部物質(zhì)運動共同作用的結(jié)果，即，來自于地球外部的因素（例如氣候變化、冰川融化等）引起的日長快速變化疊加在地球內(nèi)部因素（例如地核運動）導(dǎo)致的日長趨勢變化上。最終導(dǎo)致在某一天（例如6月29日）地球自轉(zhuǎn)速度加快帶一個“峰值”，表現(xiàn)為一天長度最短。

自轉(zhuǎn)速度變化

與“錢德勒擺動”無必然聯(lián)系

此前，有觀點認為，地球自轉(zhuǎn)速度的加快和一天時間的縮短可能與“錢德勒擺動”有關(guān)?！板X德勒擺動”是由于地球本身并非嚴格的球體（也非嚴格的剛體），在旋轉(zhuǎn)時地極相對于地球表面的小幅度擺動現(xiàn)象。該擺動的周期大致為433天，屬于地球自轉(zhuǎn)軸相對于地面晃動的一種固有頻率，是地球的一種自然屬性。

“地球自轉(zhuǎn)包含地球自轉(zhuǎn)速度和極移，其中地球自轉(zhuǎn)速度被稱為‘日長’，也就是一天的長度，也并非嚴格24小時；極移是地極位置的移動，表現(xiàn)為地球自轉(zhuǎn)軸相對于地球表面的移動現(xiàn)象?！倍矽i碩表示，地球自轉(zhuǎn)速度的加快和一天時間的縮短與“錢德勒擺動”之間沒有必然聯(lián)系。因為，“錢德勒擺動”是地球的極移變化現(xiàn)象，屬于自轉(zhuǎn)軸的變化，而非地球自轉(zhuǎn)速率的變化。

不必調(diào)整手機時間

不少人好奇，地球越轉(zhuǎn)越快，我們的手機時間需要調(diào)整嗎？

為確定時間，世界上有兩種時間計量系統(tǒng)：基于地球自轉(zhuǎn)的“世界時”和基于原子振蕩周期的“原子時”。

“世界時”即格林尼治平太陽時間，是指格林尼治所在地的標(biāo)準(zhǔn)時間，是以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的時間計量系統(tǒng)，也是表示地球自轉(zhuǎn)速率的一種形式。20世紀(jì)70年代以前，它作為基本時間計量系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。“由于地球自轉(zhuǎn)速度非均勻，目前不再作為一個均勻的時間基準(zhǔn)?！倍矽i碩介紹。

1967年召開的第13屆國際度量大會決定啟用基于銫原子鐘導(dǎo)出的時間，作為時間計量標(biāo)準(zhǔn)。原子鐘是目前世界上已知最準(zhǔn)確的時間測量和頻率標(biāo)準(zhǔn)。

“‘原子時’的優(yōu)點是穩(wěn)定性好、誤差非常小，它連續(xù)運行30萬年，誤差在1秒之內(nèi)，也就是說，每一天的時間快慢誤差不超過千萬分之一秒?！倍矽i碩說。

此外，目前國際上常用的時間系統(tǒng)除了“世界時”和“原子時”外，還有“協(xié)調(diào)世界時” 。段鵬碩介紹說，“原子時”與“世界時”的時刻之差在0.9秒以內(nèi)的時間尺度即為“協(xié)調(diào)世界時”，如果大于0.9秒，就要跳秒，即閏秒。

“這里，‘協(xié)調(diào)世界時’先用調(diào)頻再用閏秒實現(xiàn)與‘世界時’的約束，這樣‘協(xié)調(diào)世界時’既能夠保持原子時的均勻特性，也能兼顧‘世界時’與地球自轉(zhuǎn)的性能?！倍矽i碩說，我們的手機等移動設(shè)備使用的正是“協(xié)調(diào)世界時”，一日時長減少1.5毫秒，還遠沒達到0.9秒，所以手機時間不需要調(diào)整。

段鵬碩說，少了1.59毫秒也算不上多特殊，因為，在一定的時間段內(nèi)，觀測的日長變化數(shù)據(jù)出現(xiàn)局部最小值點是必然的，以后比-1.59ms還小的時刻，很可能還會出現(xiàn)。

來源：科普時報

作者：史詩

編輯：吳桐

審核：王飛

終審：陳磊