在宇宙中,天體的運動是非常具有規律性的,就拿地球來說,它每天都會沿著自轉軸轉一圈,周期大約是24小時,每一個回歸年,也就是今年的春分點到下一年的春分點,周期大約是365天。
如此往復周而復始,在我們的有生之年,這樣的規律是不會發生大的變化的。但是地球的自轉、和公轉並不是一個不變的常數,這也是為什麼我要用「大約」的原因。
對於地球的自轉來說,它並不是精確的24小時(86400秒),而是會出現微小的毫秒級別的波動,自上世紀60年代,人們使用原子鐘精確的測量了地球自轉周期以來;
我們發現地球的自轉周期平均來說要比24小時多一點點,所以從1972年開始,我們會在某個時間給世界時(也就是我們的鐘表)人為加上一秒鐘,來保證計時與太陽日的準確性。
到目前為止,我們已經把鐘錶撥快了27秒,也就是人為加了27秒的時間。
對於地球公轉來說,真實的回歸年平均長度為365.242193天,如果我們總是採用一年365天的話,我們的日曆就會和節氣出現誤差,因此我們有時會在2月給日曆上多加一天(29天),這一月就是閏月,這一年就是閏年(366天),以保證日曆的準確性。
今天我們主要說的是地球的自轉周期,它為什麼會出現波動?
以往我們常說,由於太陽、月球對地球的潮汐制動效應,會減少地球的自轉動量,地球的自轉速度會一直減小,周期一直加長。
但是2020年地球的自轉卻加速了,平均來說自轉一圈的時間不到24小時(毫秒級別),最為明顯的一天是2020年7月19日,這一天地球自轉的周期比24小時短了1.4602毫秒,創下了半個世紀以來的記錄。
甚至在未來的一段時間內,科學家也預測地球自轉還會加速,2021年平均一天地球自轉的周期將會縮短0.05毫秒。
那麼地球為什麼會突然加速呢?未來會一直加速下去嗎?
首先我們說下,在天文學上,月球和太陽是怎樣給地球制動的?
我們知道地球繞著太陽轉,月球又繞著地球轉,由於它們都是直徑非常大的球形天體並非是一個質點,所以地球面向太陽、月球的一側就會受到更強的引力,而發生隆起。
這種效果最強的就是月球對地球的作用,雖然月球比太陽質量小,但是月球離地球要近了很多;
我們知道月球現在已經被地球潮汐鎖定了,總是一面朝向地球,其自轉和公轉的周期一樣大約都是28天。
那麼月球對地球的引力就會造成地球表面的海水發生隆起,由於地球自轉的周期要比月球公轉快了很多,所以月球的位置總是會滯後於地球的自轉。
這樣就會造成地球在自轉的時候海水不停的拍打海岸、且海洋的底部與海水摩擦,導致地球的自轉角動量被消耗,持續的減速。
並且地球在自轉的時候還會拉扯月球,這樣又會把一部分的自轉角動量傳遞給月球的公轉角動量上,最終導致地球是越轉越慢,而月球公轉的越來越快,目前月球正在緩慢的離開地球,速度為3.8釐米/年。
太陽的引力同樣會對地球的自轉產生制動效果,就像是地球把月球潮汐鎖定一樣。如果時間足夠長,最終地球也會總是一面朝向太陽,自轉周期等於公轉周期。
不過太陽對地球的制動效果較弱,我們根本看不到這一天的到來,就算是太陽壽終正寢,地球也不會被太陽潮汐鎖定的。
但是這個制動效果是真實存在的,且每時每刻都在進行。
平均來說,月球和太陽的潮汐作用給地球帶來的制動效果非常微小,每天自轉周期會延長一點點,一年累計下來一天也就增加14微秒。
但是如果時間足夠長的話這個效果還是相當明顯的,在大約6億年前,當時地球自轉以前所需要的時間只有22小時。
如果再往前推的話,月球地球系統誕生的時候,那是地球自轉的更快,6小時一圈,轉的飛起。一年將近有一千多天。
而這時月球也距離地球更近,滿月在天空中非常大,甚至比太陽還要大。那個時候在地球上常常會看到更為壯觀的日全食,天空更加黑暗,持續的時間也比現在的日食長很多。
總的來說,天文學上的潮汐現象在地球的歷史、以及未來將持續的主導地球的自轉周期。這一點毋庸置疑,未來地球肯定會轉的越來越慢。到時不光是定期增加閏秒那麼簡單了,我們要在時鐘上延長一天的時間。
但是在更小的周期內,例如數年這樣的小周期,還有一些因素會影響地球的自轉周期,而且這些因素會導致地球的自轉加快。
在了解這些因素之前我們需要知道一件事,在角動量守恆的情況下,一個物體的自轉速度怎樣會加快?
這裡我們可以參考下花樣滑冰運動員,當他們把手臂和腳收縮起來的時候,轉動的速度就會加快,這是因為質量更加集中在了旋轉軸上,轉動慣量就下降了,為了保證角動量不變,旋轉的速度就會加快。
同樣的,當他們張開手臂的時候轉動的速度就會減慢,這是因為質量分布在了更遠的距離上,轉動慣量增加了。
所以從以上的事情中,我們就能知道地球為何轉快了。有兩點原因:
地球質量更加集中在了核心方向;
地球表面高處的質量,落下的低點;
這兩點都很好理解,地球從形成到現在其核心一直在冷卻,冷卻就會收縮,大約10億到15億年前固態核心就形成了,未來還會一直擴大
核心的收縮,以及引力的作用,就會導致地球地幔、地殼的物質發生沉降,運動。給我們帶來的直觀感受就是地震。
所以說,每發生一次地震都是地球物質沉降、重新排列的事件,每一次地震都會導致地球收縮,物質更加靠近中心,所以根據角動量守恆,地球的自轉就會加速。
這是影響非常大的一個因素,短期內確實就改變地球的自轉速度,例如2011年日本發生的8.9級地震,當時就導致地球自轉周期變短了1.8微妙。
其次就是人類的活動導致了地面質量的重新分布,例如在兩極地區的冰蓋和高山上的冰川融化,都會導致地球質量分布發生變化。
南極的那一塊冰蓋海拔高度在2000米以上,重量為3000萬億噸,如果全部融化就會導致地球質量發生非常大的變化,導致質量更集中在中心;
近些年來隨著全球變暖,冰川的融化,海平面的上升,這些變化都會給地球加速。甚至會導致地軸發生異常的擺動。
總結:
這次的地球自轉加速並非天文學的原因導致的,而是地球自身的原因,未來會持續多長時間並不清楚,如果時間很長,且自轉依舊加速,那麼我們就需要給世界時引入一個負閏年,也就是給我們時鐘減去一秒,來保證計時與地球自轉保持一致。