地球為什麼越轉越慢?

2021-01-16 中科院地質地球所

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眾所周知,一天24小時,1小時60分鐘,一分鐘60秒,這是再常見不過的認知。相信記憶力好的讀者應該記得,在2015年,英國格林尼治時間2015年6月30日晚上23點59分60秒的時候,出現了多一秒的現象。這個消息在當時引起了媒體的一波刷屏。

事實上,1972年至2015年,一共出現了25個閏秒(見下表),進入2000年以來,有四次出現「閏一秒」現象。分別在英國格林尼治時間2012年6月30日 23:59:59 增加一秒,記為 23:59:60 ,然後才是第二天的 00:00:00 。相對於北京時間,也就是7月1日 7:59 增加一秒,出現 7:59:60 的特殊現象,然後才是 8:00:00 。北京時間2012年7月1日出現 7:59:60 閏一秒現象。北京時間2015年07月01日再次出現 7:59:60 閏一秒現象。

那麼,為什麼會出現閏一秒這種情況呢?時間真的可以人為增加嗎?要想搞清楚這個問題,就要從地球自轉開始說起。

我們知道,地球自轉的周期是一個恆星日,目前其值為23時56分4秒。而地球相對於太陽的轉動一周的時間(從正午至正午)稱為真太陽日或視太陽日。這裡要注意的是,這與恆星日(旋轉360°)的定義是有所區別的,有興趣的讀者可以前往維基百科了解。

中科院南京紫金山天文臺副研究員成灼曾說:「從遠古時代起,地球上的人類就以每天太陽東升西落來計算時間。也就是說,這是將以太陽為參考點的地球自轉周期作為人們生產生活的時間判斷標準。」

這句話也就表明著,一天的長度取決於地球自轉周期長度,在古代,除了古老的日升而作,日落而息的生活方式,古代人還發明了眾多的計時工具。如桓表(除了計時和觀星,一般認為還有納諫、道路標誌和樂器等功能,其內涵逐漸演化成為中華民族的圖騰柱——華表)、日晷、漏壺等等,還有人力的更夫、鐘樓、鼓樓等用於計時,直到機械時代,鐘錶才開始出現。

對於日晷和桓表這些需要藉助太陽光的計時工具來說,它們存在一個致命的弱點——陰天用不了(就很遺憾)。

如果地球自轉周期是穩定不變的,嚴格地每日旋轉一周,那麼計量時間的世界時單位1秒(即1/86400日)就是固定不變的。當地球自轉速度減慢,自轉周期變長時,也就意味著「一天」的時間就會變長。而越來越多的證據表明,地球的自轉速度在減慢。南京大學天文學系教授蕭耐園說,大約100年後,地球上每天就要增加1.8毫秒(待考證)。

那麼有哪些證據可以證明地球確實越轉越慢呢?證據主要在天體物理學和古生物學兩個學科上體現。

在很多門類的化石的表壁上,有類似樹木「年輪」的痕跡,被稱為古生物鐘,可以用來當作計時器。因此,很多門類的化石都是地質時代的見證物。1963年,威爾斯觀察到現代珊瑚中一年生長的骨骼上有大約360條很細的生長線,並指出這些生長線實際上可能是每天生長周期的標誌。威爾斯研究了產於泥盆紀和石炭紀保存良好的標本,他發現石炭紀珊瑚年生長線為385—390圈,而泥盆紀珊瑚則有400圈左右(385—410條之間)。這與用天文學方法求得的各地質時期每年的天數大體相等。2003年,中國的學者通過在雲南發現的藍藻化石的研究得知,地球在13億年前1年大約500天。

石炭紀貴州珊瑚

根據古生物鐘的研究,在4.4億年前的晚奧陶世,地球公轉一周需要412天;到了4.2億年前的中志留世,每年只有400天;3.7億年前的中泥盆世,一年為398天。到了晚石炭世,每年約為385天;6500萬年前的白堊紀,每年約為376天,而現在每年只有365.25天。

每年的天數減少,每天的小時數增加,這也證明著地球的自轉速度越來越小。

冥古宙地球的藝術想像圖

為什麼地球會減速呢?難道古世紀就有文明想讓地球「流浪」,從而想辦法讓它減速,從而達到穿越星系的目的?原因當然沒有這麼天馬行空。地球自轉速度主要受三個因素影響,總體使其趨慢。

01

潮汐鎖定

日月對海洋的引潮力使地球自轉速度變慢,導致一年的日數減少。

地球的自轉和月球的引力有密不可分的關係,我們平常說的潮汐就是因為月球引力對於地球的影響造成的,月球會對地球的轉速產生一個拖拽的力,因為潮汐的存在,海洋不斷對地球的自轉方向產生阻礙,在萬億年的時光裡,這一點點的拖拽力形成了巨大的影響,地球自轉的能量也因此消耗,所以轉速越來越慢,如今的地球自轉速度和公轉速度相當,始終讓月球和地球保持在一個面上,科學家將這個現象稱為「潮汐鎖定」。

02

季節變化

有周年變化和半年變化。周年變化是風和潮汐的季節變化引起的,其振幅為20-25毫秒;半年變化是由日月引潮力對大氣和海洋的潮汐作用引起,其振幅約為9毫秒。

03

不規則變化

地外和地內的物質或能量交換。如隕星體對地球的撞擊等,時而使地球加速時而使地球變慢,而地震往往使地球加速自轉。

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2011年3月11日,日本本州島附近海域發生8.9級地震(後修正為9.0級),這次日本地震是1900年以後第五大強震,在一篇關於這次地震的文章中指出,根據美國宇航局(NASA)的地球物理學家Richard Gross的計算,本次地震導致地球每天的自轉速度減少了1.6微秒。類似的情況也在2010年的智利地震中出現,當時的計算結果是減少了1.26微秒,而2004年的蘇門答臘地震使自轉速度快了6.8微秒。

為什麼地幔物質的運動會對地球自轉產生影響呢?對於旋轉的地球來說,其自轉速度的快慢跟它的轉動慣量有關。簡單的來說,轉動慣量就是質量乘以半徑的平方。地殼運動(包括地震)會影響地球內部的物質分布。一般來說,物質趨向於勢能低的地方運動,如水傾向於向低處流動,地幔物質向地心方向運動後,地球的轉動慣量會減小,從而使地球的轉動速度加快。

總體來說,地球的自轉在極其緩慢地變慢,這意味著以後的白天和黑夜都會變長。除非來一顆小行星來「抽」一下地球,否則這種變緩的趨勢應該是停不下來了,因此小編有個大膽的想法,只要小編活得足夠久,每天就能有足夠時間刷b站刷微博刷番刷劇喝快樂水!

美編:王日晶

校對:陶 琴

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