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新知|地球自转加速,2021年或成史上最快一年
2021/02/23 18:14  新华报业网  

  交汇点讯 一寸光阴一寸金。时间,会一成不变吗?辛丑年的春节刚过,关于时间的问题引发人们的关注。英国《每日电讯报》报道,目前,地球自转的速度正在逐渐加快,平均一天的时间将会比以往快0.5毫秒,2021年有望成为“史上最快一年”。时间加速度,将给我们带来怎样的影响?

  地球自转一周,并非恒定24小时

  地球自转,让我们看到了太阳东升西落,也看到了星光璀璨。在人们的常规认知中,地球自转一周即为一日,一日为24小时。

  在上个世纪中期以前,世界各国普遍采用以地球自转为基准的天文时,将借助天文观测到的地球自转的平均周期(也就是1日)等分为86400份,即一天24小时,一小时60分钟,一分钟60秒。“地球相对稳定的自转使它成为一面天然的大钟,天上的恒星可视为钟面上表示钟点的刻度,望远镜或者观星仪就好比钟面上的指针。”中国科学院国家授时中心科普专家窦忠告诉《新华日报·科技周刊》记者,当望远镜对准某一已知具体位置的恒星时,人们就可以知道其所指示的准确时间。

  但是,随着科技的发展,越来越多的证据证明,地球自转周期并非恒定。13亿年前,地球每年有500多天,每年有13-14个月。5.4亿年前的寒武纪,地球一年约有420天,每天不足21小时。4.24亿年前的志留纪,地球每天约有21.5小时。2.8亿年前的二叠纪,地球每天约有22.8小时。

  “从远古到现代,地球的自转周期逐步变缓。研究显示,一个地球日差不多每十万年就会增加2秒钟左右。”中国科学院行星科学重点实验室主任、紫金山天文台研究员季江徽告诉《科技周刊》记者,为了弥补因地球自转变慢所产生的时间滞后,自1972年以来,标准时间(协调世界时)总共增加过27次“闰秒”。

  然而,自去年以来,科学家发现,地球一反常态,自转速度比以往加快。在过去的50年里,地球自转一周所需的时间慢于24小时(86400秒)。去年年中,这一长期存在的趋势被逆转了,一天的时长经常短于86400秒。其中,2020年7月19日的时长甚至比24小时整缩短了1.4602毫秒,是有记录以来最短的一天。

  逐渐变缓的地球自转为什么会在半年多前变快?中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员刘根友告诉《科技周刊》记者,当地球质量重新分布或地球上物质运动时,为了满足角动量守恒,地球的自转轴(极移)和自转速度都会发生微小变化。正如一个大的陀螺,当在某处增加一些物质或受外力影响都会发生变化,地球自转也可能因受外来陨石攻击而产生变化。

  “地球自转变化有一些规律性,首先是季节性变化,与季风、洋流有关;其次是年际变化,与核幔耦合有关;此外,地球自转的长期变化还与潮汐摩擦有关。”刘根友指出,不过,这些物质变化引起的角动量变化相对地球整体的角动量来说微不足道,目前记录的日长变化量都在毫秒量级,对普通人来说更是难以察觉。从2020年年中开始的地球自转加速,或许是由地幔与地核之间的角动量交换或海平面变化等因素引起。

  地球自转加速,是否会启动“负闰秒”?

  “随着量子力学的发展,科学家发现,一些原子内部的量子跃迁能够产生周期非常稳定的振荡信号,非常适合时间测量,原子时由此而生。”窦忠向记者介绍道。1967年,第十三届国际计量大会正式把由铯原子钟确定的原子时定义为国际时间标准,由原子时秒长取代天文学秒长(即世界时秒长)。

  尽管基于地球自转的世界时并不均匀,但是它仍然有着广泛的用途。为了兼顾对世界时时刻和原子时秒长的需要,1972年,国际上规定,以协调世界时作为国际标准时间。

  “协调世界时采用相对均匀的国际原子时秒长,而在时刻上尽量靠近世界时。当协调世界时与世界时的时刻差预测值超过0.9秒时,将协调世界时增加或减少一个整秒的调整,这就是我们所说的‘闰秒’。” 窦忠解释,在1972年以来增加的27次“正闰秒”中,基本是“三年两闰”,但也并不绝对。比如,1998年到2005年时隔7年没有闰秒,这说明地球自转的速率在这7年并没有延续减慢的步伐。闰秒一般是在协调世界时的12月31日或者6月30日的最后1秒实施。由于北京时间比国际标准时间早8小时,因此中国时钟通常在元月1日或7月1日早上8时实施闰秒。

  那么随着地球自转加速,是否会启动“负闰秒”? 2021年1月7日,国际地球自转服务组织曾表示,在2021年6月底并不会“闰秒”。“这也就是说,如果要增加‘负闰秒’,最快也要等到2021年年底了,而且还取决于地球自转加速会不会持续下去。从现在的观测数据看,距离启动‘负闰秒’还比较远。”窦忠表示,其实,发生“负闰秒”也不足为奇,当年决定采用协调世界时作为国际标准时间时,就估计到这种情况。如果未来真的迎来了“负闰秒”,国家授时中心会按国际统一规定实施“负闰秒”调整,不会影响用户应用。

  至于辛丑年为何只有354天,则与中国传统的历法有关。专家指出,我们有阳历、阴历和阴阳合历三种常见的历法形式,其中阳历是以地球绕太阳公转的运动周期为基础而制定的,一年有365.2422天。阴历则以月亮变化为基准,即以其圆缺周期变化来制定历法,一年有354.3672天。可以看出,阳历和阴历计算方式有着十天左右的时间差异,因此我们的祖先又发明了阴阳合历,也就是农历,加上闰月这个规则进行调整。一般情况下,农历19年就要有7个闰月,这样才能把阴历时间点和阳历补齐。而辛丑年正是平年无闰月,所以天数自然就少了。

  恰到好处的自转与公转,让地球成为“完美星球”

  众所周知,地球是太阳系中已知的唯一拥有生命的星球。地球之所以宜居,除了适当的日地距离和地球质量、大气、液态水等因素之外,恰到好处的自转与公转周期也可谓神来之笔。

  季江徽告诉记者,在太阳系中,生命生存的宜居带位于金星和火星的轨道之间。地球正好处于这个位置,且位于宜居带中的最佳位置。地球至太阳的平均距离为一亿四千七百万千米,这个距离恰好是地球吸收太阳能,维持生命所必需。稍远,地球就会变成“广寒宫”;稍近,地球就会变成“火焰山”。

  而地球公转的轨道,是一个非常接近正圆的椭圆,如此一来,地球并没有十分明显的近日点或远日点,也就不会在极冷和极热之间徘徊。不仅如此,地球的赤道平面与公转轨道平面存在23.5°的夹角,这让地球拥有了寒来暑往、四季轮回。地球的自转周期较短,则可以让整个球体均匀获热,昼夜温差不大,也能让生物更好地生存繁衍。

  如果仅用行星的公转与自转周期相比较,与地球同处于宜居带的金星与火星就没这么幸运了。季江徽告诉记者,金星公转一周约为224.7天,自转一周为243天。因此,在金星漫长的“一天”之内,也经历着四时寒暑,实在不利于生物的生存繁衍。火星的自转和地球十分相似,自转一周为24小时37分22.6秒,比地球上的一昼夜稍长一点。它公转一周约为687天,也就是说,火星上的一年接近地球的两年。

  那么,如果地球的自转持续变慢下去,终有一天地球会停止自转吗?季江徽表示,从目前推算来看,地球大约还需要50亿年每天才能增加约14小时,也就是变成38小时一天。但50亿年后,年迈的太阳将变成一颗红巨星,地球就会变得不再宜居,或许那时,“流浪地球”之旅早已开启。

  新华日报·交汇点记者 叶真 谢诗涵

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责编:纪树霞

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