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时间|地球自转变快 我们要“加速”过新年了？

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来源：科技日报
2021-01-19 07:50
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 。
【时间|地球自转变快 我们要“加速”过新年了？】（作者系北京天文馆副研究员）

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