本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
根據英國《每日郵報》1月5日報導，英國科學家發現地球自轉出現加速！在過去的2020年，地球自轉無論是單天還是平均，都是有記錄以來最短的，其中2020年7月19日那一天，比標準的一天縮短了1.4602毫秒！這是怎麼回事？
眾所周知，地球從形成開始就一直在自轉，這是由行星形成時的初始角動量導致的，但是在行星形成並穩定以後，角動量按理就不再增加了，當然也有例外，比如受到外力什麼的，在目前的月球形成理論中就有一種比較主流的假說：碰撞起源說。據推測在遙遠的過去，一個大約火星那麼大的天體與地球發生了大碰撞，該天體沒入了地殼還沒完全凝固的原始地球，然後濺起了大量的碎片，那些濺起的碎片的一部分落回了地面，但有另一部分慢慢凝聚成另一個天體，那就是現在的月球。
在這個過程中很顯然地球的角動量變了，這是外力造成的。但這種級別的大碰撞在地殼冷卻後就基本沒發生了，至於每年掉進來的各種小行星隕石什麼的，由於與地球自身質量相比質量太小了，動量相當有限，所帶來的角動量改變微乎其微。因此可以認為地球的角動量基本沒有再增加。
但地球自轉如逆水行舟，不進則退……嗯？這秒變勵志畫風怎麼說？這是由於周圍大質量天體的潮汐效應造成的地球自轉角動量的損失，從而導致地球自轉減速。在地球自轉過程中，由於地球並非一個標準的勻質球體，也並非堅硬的剛體，因此在周圍大質量天體的引力作用下，地球的自轉過程中會發生形變，海水的潮漲潮落就是這樣產生了，潮汐力也因此得名。
造成地球周期性潮汐的主要有兩個天體：太陽和月亮。雖然太陽的質量更大，對地球的引力也更大，但由於距離比較遙遠，對地球造成的潮汐效應不如月球大，所以我們主要討論潮汐也就以月球為例。由於地球並非剛體（不會發生形變的物體），月球的引力會導致地球發生輕微的形變，面向月球和背向月球的兩端會隆起，地球表面覆蓋著70%的海水使這種形變更加的明顯，隨著地球自轉，這隆起的兩端在地表的位置也不斷發生變化，這在我們看來就產生了每天的潮漲潮落，而這個過程中的形變會產生摩擦，這種摩擦會慢慢損耗地球自轉的角動量，導致地球自轉的減速，在足夠長的時間後，地球很可能會被潮汐鎖定而停止自轉。嗯，月球就是這樣被地球鎖定的，現在老是一面對著我們……
這麼說來，地球的自轉應該是越來越慢才對啊？在過去的幾十億年裡，整體的趨勢確實如此，地球的自轉確實在逐漸減慢。但此次英國科學家的最新研究發現，地球自轉比過去的所有年份都要快！當然，這是指有記錄以來，而對地球自轉的精確測定和記錄是由上世紀60年代開始的，科學家利用高精度計時的原子鐘對每一天的地球自轉周期進行了精確的測量。在之前，地球自轉最快的紀錄發生在2005年，然而在2020年，2005年的那次最快紀錄在一年中被打破了28次。現在最新的紀錄發生在2020年7月19日，在這一天，由於自轉的加速，使地球自轉一周的時間比標準縮短了1.4602毫秒。
上面提到「比標準縮短了1.4602毫秒」，標準是啥？從上圖你應該就已經看出來了，就是以24小時算的一日，即24x3600=24*3600=86400秒，國際天文聯合會規定的1秒就等於1/86400日，同時國際度量衡大會根據原子鐘定義的秒是銫-133原子基態的超精細能級之間的躍迀所對應的輻射的9192631770個周期所持續的時間，用人話說就是這玩意振蕩9192631770周所用的時間……
也就是說，在2020年7月19日那一天地球自轉一周只用了86399.9985398秒。其實差距微乎其微，但關鍵是過去的有記錄以來地球自轉平均時長基本上都是超過24小時的，也就是超過86400秒的，因此就有了閏秒，經常上網的同學可能都聽過閏秒，就是某一天的某一個小時的最後一分鐘的最後一秒會跳到60而不是59。上一次的閏秒就發生在2016年。
為了對人類計量時間與天文時間的精確對應，從1972年開始，人們通過閏秒的方式來修正由於地球自轉周期與計量周期（24小時整）的差異，閏秒可以正閏秒，即秒數跳到60後再跳到下一分鐘，也可以負閏秒，即秒數跳到58後即跳到下一分鐘。但根據上表你就能發現，自出現閏秒後，半個世紀以來一直都是正閏秒，即每次都是加多一秒。而且在上個世紀，幾乎每一年都加入了閏秒，也就是那些年地球的平均自轉周期都超過了24小時。
但你會同時發現，自從進入新世紀後情況就變了，本世紀過去了20年只增加了6次閏秒，傻子都看出來本世紀地球自轉加快了，不過整體還是在正閏秒，這意味著地球平均自轉周期還是比24小時稍長一點點，知道去年，這種情況逆轉了。
那麼問題來了，前面說了地球的角動量基本上已經不增加了，它的自轉速度為什麼會增加？又為什麼會時快時慢？雖然角動量不變，但是假如半徑發生變化，自轉速度也是會發生變化的。就像溜冰運動員張開雙臂旋轉後收起雙臂時，轉速會增加一樣，輕微的半徑變化也是會導致輕微的轉速變化的。
而能引起輕微半徑變化的其中一個因素就是板塊運動。另外，劇烈的地震除了會導致巖石被擠壓，也會使鬆動的土地密度增加從而也能使體積減小。用罐子裝過白糖的就會知道，當裝滿以後搖一搖，又能空出一截。
除了導緻密度增加使半徑減少，板塊運動也能使角動量在不同的地層直徑轉移。地球雖然看起來是一個球體，但實際上它的內部並非都是固體，這導致地球在自轉的時候，不同的分層轉速並不一樣，總體來說越靠近地心，轉得越快。而板塊運動核劇烈的地震則會使地幔處差異化的部分角速度轉移到地殼上來，從而導致了地面錄得的地球自轉速度發生了變化。
上面我一直在說地球自轉一周是一日即24小時，其實如果你擺渡一下會發現地球的自轉周期實際上是23小時56分4秒，那為什麼我們計時用24小時整會幾乎分秒不差呢？這篇文章寫不下了，有興趣的請關注一下明天或後天更新的文章《地球自轉周期23小時56分4秒，為何一天卻是24小時？》（暫定名）。