地球自轉(zhuǎn)為何也在“趕時間”？

唐芳

長期來看，地球自轉(zhuǎn)趨于變慢，科學(xué)家預(yù)計(jì)再過1億年，一天可以增加半小時;而在稍短的時間尺度內(nèi)，比如未來幾萬年或幾十萬年，隨著月球的潮汐力減弱等，地球自轉(zhuǎn)減速則會趨緩。

8月25日，第二屆中國空間科學(xué)大會在山西太原舉辦。會上，原子鐘作為一個重要話題被提及。

作為最精確的計(jì)時工具，原子鐘在人類計(jì)時史上作出了不少貢獻(xiàn)，而在不久前，有科學(xué)家利用高精度原子鐘記錄了迄今最短的一個地球日。

一般來說，一個地球日約為24個小時?？墒窃诮衲甑?月29日，地球自轉(zhuǎn)一周的時間卻比24小時少了1.59毫秒，成為原子鐘計(jì)時以來最短的一天。

地球自轉(zhuǎn)一周的時間縮短，意味著地球的自轉(zhuǎn)加速。根據(jù)《亞洲—大洋洲地球科學(xué)學(xué)會年度會議報(bào)告》，科學(xué)家們認(rèn)為此次地球的自轉(zhuǎn)加速是由錢德勒擺動導(dǎo)致的。

那么，原子鐘計(jì)時是什么原理？地球自轉(zhuǎn)真的在加速嗎？錢德勒擺動是如何產(chǎn)生的？近日，記者就這些問題采訪了相關(guān)專家。

世界上最準(zhǔn)確的計(jì)時工具

“常見的時間系統(tǒng)有3種，分別是以地球自轉(zhuǎn)周期為基準(zhǔn)的世界時（UT）、以地球繞太陽公轉(zhuǎn)周期為基準(zhǔn)的歷書時（ET）和以銫原子內(nèi)部電磁振蕩頻率為基準(zhǔn)的原子時（AT）?！敝袊教炜萍技瘓F(tuán)有限公司第五研究院510所研究員翟浩向記者介紹。

時間系統(tǒng)的發(fā)展，經(jīng)歷了從天文時發(fā)展到原子時的過程。天文時是指觀測天文現(xiàn)象，也就是日月星辰等天體的周期性運(yùn)動得到的時間，包括上面提到的世界時和歷書時。原子時指的則是利用原子鐘，以原子吸收或釋放能量時發(fā)出的電磁波為基準(zhǔn)得到的時間。

原子時萌芽于20世紀(jì)40年代末期，誕生于20世紀(jì)50年代初期。1967年，第十三屆國際計(jì)量代表大會決定，將秒的定義從天文秒改為原子秒，即將銫原子零場基態(tài)超精細(xì)躍遷的9192631770個周期所持續(xù)的時間定為1秒，稱作原子秒，并將1958年1月1日0點(diǎn)0分0秒作為原子時的計(jì)時起點(diǎn)，從而開創(chuàng)了以微觀量子躍遷為計(jì)時標(biāo)準(zhǔn)的新時代。

翟浩表示，原子鐘常用的元素有銫、銣、氫以及堿土金屬等。由于這類原子具有非常高精度的能級躍遷，因此其輸出的電磁波非常穩(wěn)定。一系列的精密儀器控制這些電磁波，使得原子鐘的計(jì)時非常準(zhǔn)確。典型的銫原子束頻標(biāo)的準(zhǔn)確度為10-14量級，比宏觀計(jì)時的天文時準(zhǔn)確度高了數(shù)個數(shù)量級。如此準(zhǔn)確的原子時，為天文、航海、航天等領(lǐng)域的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的保障。

“從工作原理看，原子鐘是基于量子力學(xué)和原子物理等物理機(jī)理，利用原子躍遷原理產(chǎn)生穩(wěn)定而準(zhǔn)確的時間頻率信號的設(shè)備?！钡院票硎?，原子鐘分為微波原子鐘和光鐘兩大類，目前作為國際時間頻率基準(zhǔn)使用的銫原子噴泉鐘，屬于微波原子鐘，其準(zhǔn)確度已經(jīng)達(dá)到很高的指標(biāo)。中國計(jì)量科學(xué)研究院的銫原子噴泉基準(zhǔn)鐘NIM6的頻率不確定度優(yōu)于5.8×10-16，相當(dāng)于5400萬年不差1秒。中國科學(xué)院國家授時中心等單位的光鐘也達(dá)到了國際先進(jìn)水平，系統(tǒng)不確定度達(dá)到了5×10-17，相當(dāng)于6億年不差1秒。

世界時與地球自轉(zhuǎn)關(guān)系密切，地球自轉(zhuǎn)加快，則世界時加快，地球自轉(zhuǎn)減慢，則世界時減慢。因此，隨著時間的遷延，原子時和世界時兩種時間尺度的差距將會越來越大。

目前國際通用的標(biāo)準(zhǔn)時間叫作協(xié)調(diào)世界時（UTC），它是以原子時的秒長為基礎(chǔ)，在時刻上盡量接近于世界時的一種國際時間計(jì)量系統(tǒng)。每當(dāng)原子時和世界時兩者之差逐年積累達(dá)到0.9秒時，協(xié)調(diào)世界時就通過正負(fù)1閏秒的方式彌補(bǔ)誤差，同時保持時間尺度的均勻。

地球自轉(zhuǎn)的平均周期是23小時56分04秒。有學(xué)者研究認(rèn)為，地球剛剛誕生的時候自轉(zhuǎn)速度非?？?，一天僅8小時;到了恐龍時代，地球的一天已有23.5小時;而恐龍時代到現(xiàn)在的1億多年時間里，地球自轉(zhuǎn)的平均周期共變長約30分鐘，即平均每年變長約16.4微秒。

地球自轉(zhuǎn)短期加快但長期減緩

當(dāng)前，地球自轉(zhuǎn)的平均周期是23小時56分04秒。有學(xué)者研究認(rèn)為，地球剛剛誕生的時候自轉(zhuǎn)速度非?？欤惶靸H8小時;到了恐龍時代，地球的一天已有23.5小時;而恐龍時代到現(xiàn)在的1億多年時間里，地球自轉(zhuǎn)的平均周期共變長約30分鐘，即平均每年變長約16.4微秒。

中國科學(xué)院國家天文臺研究員平勁松表示，伴隨著地球的動力學(xué)演化，地球自轉(zhuǎn)從幾十億年前開始就有減緩趨勢。研究表明，最近的減緩速率約為每世紀(jì)2毫秒。地月引力的固體潮汐拖拽作用，減慢了地球自轉(zhuǎn)。

根據(jù)原子鐘的精確測量結(jié)果，今年地球越轉(zhuǎn)越快，一天的時間變短了。平勁松強(qiáng)調(diào)，事實(shí)上，近半個世紀(jì)以來，地球自轉(zhuǎn)在長期放緩的趨勢下，有著短周期的起伏，即地球加速旋轉(zhuǎn)。

比如，2020年出現(xiàn)了28個最短地球日。其中2020年7月19日，地球以24小時差1.47毫秒自轉(zhuǎn)一周，創(chuàng)下當(dāng)年的最短地球日紀(jì)錄;在2022年6月29日，這一紀(jì)錄被打破。

平勁松說，一個合理的解釋是，溫室效應(yīng)加劇引發(fā)全球變暖，地球兩極和高海拔地區(qū)冰川融化，全球海平面每年上升約3毫米，地球上的物質(zhì)進(jìn)行重新分布，導(dǎo)致整體繞自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量減小，地球的自轉(zhuǎn)加速。

在感官上，人類很難感受到地球自轉(zhuǎn)速率的變化。然而，對于人類使用的各種高精度儀器和設(shè)備，這種毫秒級的變化相當(dāng)重要。例如，地球自轉(zhuǎn)速率和自轉(zhuǎn)軸的變化，對于建立精準(zhǔn)動態(tài)地球坐標(biāo)參考系統(tǒng)至關(guān)重要，也決定了衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和定軌的精確性。

長期來看，地球自轉(zhuǎn)趨于變慢，科學(xué)家預(yù)計(jì)再過1億年，一天可以增加半小時;而在稍短的時間尺度內(nèi)，比如未來幾萬年或幾十萬年，隨著月球的潮汐力減弱等，地球自轉(zhuǎn)減速則會趨緩。

錢德勒擺動的機(jī)制是百年難題

錢德勒擺動是地球自轉(zhuǎn)軸的擺動，由美國天文學(xué)家塞斯·卡洛·錢德勒于1891年通過天文觀測發(fā)現(xiàn)，擺動幅度在地球表面為3～9米，擺動周期約14個月。

“錢德勒擺動不直接導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)加速?！北本┐髮W(xué)特聘副研究員楊翼表示，二者有一定的相關(guān)性，但是二者之間的因果性還不太明確。其實(shí)，地球系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)遷移和角動量交換，均可導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)軸的位置和自轉(zhuǎn)的速率發(fā)生變化。

地球是不均勻橢球體這一特征，被視為導(dǎo)致錢德勒擺動的原因之一。但事實(shí)上，錢德勒擺動作為地球擺動的一部分，其激發(fā)機(jī)制是地球科學(xué)界的百年難題?？茖W(xué)家們提出了潮汐作用、與液態(tài)地核的動量交換、大地震等機(jī)制，也會導(dǎo)致錢德勒擺動。此外，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)錢德勒擺動的幅度，還與大氣層、海洋等有關(guān)。

美國航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的研究者曾提出，錢德勒擺動是由大氣層和海洋運(yùn)動耦合驅(qū)動導(dǎo)致的。他們的電腦模擬顯示，海底的壓力波動占總驅(qū)動的三分之二。但是至少到目前為止，還沒有哪種運(yùn)動能固定驅(qū)動錢德勒擺動。

楊翼介紹，科學(xué)家們成立了國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)協(xié)會，其任務(wù)之一就是定期測量地球自轉(zhuǎn)軸的指向，監(jiān)測錢德勒擺動。由于錢德勒擺動是地球自轉(zhuǎn)軸在地表的擺動，這樣就會引起地球緯度的變化。國際上早在1899年就成立了國際緯度觀測所，長期監(jiān)測緯度變化來獲取錢德勒擺動信息。我國天津緯度站、上海佘山天文臺等機(jī)構(gòu)均參與了該國際計(jì)劃。

◎ 來源|科技日報(bào)