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地球自轉(zhuǎn)變快會不會引發(fā)負閏秒

2021-01-19 15:06:21來源：科技日報

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

，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(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)的減少表明在遙遠的過去

，地球自轉(zhuǎn)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(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

。”

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(fēng)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(zhuǎn)角動量基本上是不變的

。所以如果地球的質(zhì)量分布發(fā)生變化，就可能改變它的自轉(zhuǎn)速率

。以花樣滑冰來做類比：當冰面上張開手臂旋轉(zhuǎn)著的運動員把手臂縮回時

，她的旋轉(zhuǎn)速度會加快。地球也一樣

，當物質(zhì)向更中心聚集時

，自轉(zhuǎn)就會變快。例如地震通常會使得大量物質(zhì)沉積到地下更深處

，2011年日本沿海發(fā)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(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

。當冰蓋融化進入海洋時，地球的質(zhì)量就進行了重新分配

，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

，指位于海平面上的銫133原子基態(tài)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(xù)的時間為1秒

。原子時由原子鐘產(chǎn)生，是目前為止最均勻的計時系統(tǒng)?div id="4qifd00" class="flower right">

，F(xiàn)在的鍶原子光晶格鐘，穩(wěn)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(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?div id="d48novz" class="flower left">

？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(xié)調(diào)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(jié)律步調(diào)一致

。

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)生負閏秒呢?我們拭目以待。

作者：李鑒

，系北京天文館副研究員

責(zé)任編輯：孫知兵

關(guān)鍵詞：地球自轉(zhuǎn)變快

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