我們都知道地球自轉一周需24小時,自轉形成晝夜,自轉軸傾斜造成了四季更替。而因為我們和其他所有事物(包括地球的海洋和大氣層)以相同的恆定速度與地球一起旋轉,所以我們沒有感受到地球在轉動。當然,無論是運動還是靜止,都是相對參照物而言的。
但實際上,地球的自轉速度其實是忽快忽慢的,沒有一天是整整24小時的。最新發表於《生命科學》的一項研究報告稱,我們地球從2020年下半年開始,以超過過去50年的速度在自轉。簡單來說,就是地球自轉速度變快了。因此眾多科學家正討論是否世界時間(UTC)刪減1秒來以應對此變化,讓人類定義的時間與太空真實時間保持一致。
史無前例「負閏秒」或出現!
在原子鐘(毫秒單位計算)發明前,人們將地球自轉一周後回到面對太陽同一角度所經歷的時間,訂為「一天」,後來分為24個小時。但自1960年開始改用原子鐘定義時間後,發現地球自轉沒有一天是整整24小時的,非永遠精準的86400秒,而是相差千分之一秒左右(1970年來地球自轉時間比24小時略長)。
為了保持與地球自轉一致,科學家在1972年增加了「閏秒(leap second)」。閏秒的作用就是原子鐘時間配合地球自轉真實時間,視情況增加或減少1秒。
如果從整體趨勢來看,地球自轉速度是逐年放緩的。根據化石研究顯示,地球在4億年前一天只有22個小時,再往前推,地球誕生之初可能一天只有幾個小時。之所以自轉放緩,主要是月球引發的潮汐現象讓地球慢慢「減速」。數據統計顯示,地球每過100年就會增加1.6毫秒,所以世界時間固定在6月底或12月底視情況添加「閏秒」。而從1972年以來,閏秒已添加27次,其中最近一次增加閏秒是在2016年12月31日。
但從2020年開始,地球自轉時間明顯少於24小時。比如2020年7月19日,地球自轉時間比24小時短了1.4602毫秒,這也是人類有記錄以來最短的一天!此前記錄的最短一天是在2005年,而這一紀錄在過去的12個月裡被打破了28次。在過去一年裡,原子時間總共延遲了19毫秒。可以說,2020年是地球過去50年來自轉最快的一年。
所以英國國家物理實驗室的高級研究員彼得·惠伯利(Peter Whibberley)提出了「負閏秒」。這就意味著不是額外添加秒數,還要視情況減少秒數。當然這個情況還要看地球自轉速度是否繼續加快。
增加或減少1秒,跟我們的生活好像沒有關係吧?
其實這裡的關係大了去。如果沒有調整時間保持與地球自轉一致,衛星通信和GPS系統就會出亂子了,我們開車無法導航,GPS無法定位。以GPS為例,其原理是GPS接收機同時接收某4顆衛星傳來的信號,信號裡包括每顆衛星的空間坐標和信號發射時間。GPS接收機再由收到信號的時間差,算出衛星距離GPS接收機有多遠,然後結合4衛星的坐標和距離,算出GPS接收機當下的位置,完成定位。
實際上,衛星定位最大的困難就是誤差。地球在轉,接收機也會動那咋辦?所以接收機必須時刻接收當地下地球自轉的時間,修正計算,儘量避免誤差,提高GPS的定位精度。而科學家在追蹤和遙控太空中的探測器時,地面指揮中心必須要精準計算距離和位置,而計算的第一步就是要消除地球自轉造成的誤差。
不過並非所有人都認為「閏秒」是好的,聯合國國際電信聯盟(ITU)認為增加或刪減秒數以校正時間的做法可能引發混亂,曾提議廢除。比如在2012 年,增加閏秒導致全球多個大型網絡伺服器崩潰。所以他們認為,定期添加閏秒是一件既麻煩又浪費的事情。不過長遠角度看,增加或減少1秒對科學技術而言至關重要。幸運的是,廢除閏秒的提議早在2015年被否決。
地球自轉速度為何會變快?
在解釋這個問題前,我們要先知道地球為什麼會轉?太過複雜的原理就不複製了,通俗來說:地球之所以會轉,是因為太陽系形成之初,有著「從龍之功」的地球被獎勵一部分「角動量」。而角動量是物體轉動的物理量,物體質量越大、轉動半徑越大、轉速越快,角動量就越大。最重要一點,角動量永遠守恆,只能互相交換。
比如地球由東向西轉,當大氣向東流速變快,會對地面產生摩擦,於是地球一部分角動量就被「借走」了,地球自轉速度就會減緩;相反,大氣向東流速變慢,摩擦也會還給地球一些角動量,令地球自轉速度加快。同時地殼運動也會讓地球自轉加快,研究顯示日本2011年大地震造成地殼的某些部分發生位移,導致地球自轉加速,從而使這一天縮短了160萬分之一秒。
不過月球引發的潮汐現象,是地球減速的主要原因。月球的引力將靠近月球的潮汐往後拉,給地球「踩剎車」;與此同時,潮汐的重力也將月球往前拉,從而令月球公轉速度加快。月球公轉速度變快,地球引力會越來越拉不住它,於是月球每年平均遠離地球3.8釐米。
那2020年地球自轉加快是什麼原因引起呢?科學家目前也沒有確切的答案。但根據2015年發表在《科學進展》上的一項研究認為,地球自轉的這種變化可能是由於全球變暖所致。全球暖化造成南北極冰川融化,進而令地球質量重新分配,使得地球轉速變快。
比如冰河時期,地表被厚厚的冰層覆蓋。當冰河時期過去,冰層融化,大地就會像彈簧一樣慢慢恢復。那其他地表就會「變胖」了起來。質量重新分配,地球的自轉軸也跟著微調。以北極點為例,你以為地球的北極點一直固定一個點麼?實際上,北極點一直都正在搖晃。自1900年開始,北極點已經朝向美國東部方向漂移10米左右。但說到底,這一切都是角動量守恆的結果。
最後:
如果地球沒有遭受外力的話,比如6500年前突如其來的隕石、月球被炸了等等,地球自轉加速或減速的程度造成的影響對我們的日常生活完全無礙。1毫秒等於1/1000秒,抽根寂寞的時間,都夠地球加速幾倍了。