身邊的天文學

        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，怎么突然變快了呢?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

        地球為什么會有自轉?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。并沒有證據表明年長(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，它是由于月亮、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。摩擦產生熱量并散發出去，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。由于地月系統的角動量守恒，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。

        什么使地球自轉變快

        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。

        按照角動量守恒定律，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，并使得日長縮短了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，物質相比于之前更靠近中心，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)。它的秒長來源于原子時，指位于海平面上的銫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?，F在的鍶原子光晶格鐘，穩定度已達10-18的量級，相當于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?？梢赃@么理解，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。這樣協調的意義在于，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，協調世界時相對于國際原子時慢了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。

《電鰻快報》