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43年来第26次增加闰秒 地球自转为什么“不赶趟儿”
来源:科技日报 2015-01-15 15:59:43 跟帖 打印

在很多门类的化石的表壁上,有类似树木“年轮”的痕迹,被称为古生物钟,可以用来当作计时器。根据“古生物钟”的研究发现,地球和自转速度在逐年变慢。

1月12日,中科院国家授时中心预告, 2015年6月30日(格林尼治时间)实施一个正闰秒,全世界的钟表都需要拨慢一秒钟。

闰秒并不罕见,从1972年至今,已经进行了25次闰秒的调整。为什么要闰秒?在这几天各种媒体的密集科普中,我们得知,地球自转变慢,日子越变越长,“世界时”与“原子时”出现了“钟差”,需要调整统一,不然大约几千年以后,人类的使用时间将与自然时间出现近1小时的“时差”——太阳的东升西落将推迟一个小时。

地球自转为什么“不赶趟儿”了?“地球实际是个每时每刻都在变化的不安分的调皮孩子”,有学者这样形容地球的自转,引起这些变化的原因多种多样,从科学家们已经发现的“蛛丝马迹”中,我们一起来探究地球自转的“秘密”。

长期趋势:变慢

大约100年后,地球上每天增加1.8毫秒

“从远古时代起,地球上的人类就以每天太阳东升西落来计算时间。也就是说,这是将以太阳为参考点的地球自转周期作为人们生产生活的时间判断标准。”历算专家、中科院南京紫金山天文台副研究员成灼在接受媒体采访时表示。

一秒有多长,取决于一天有多长,也就是地球自转周期。如果地球自转周期是稳定不变的,严格地1日旋转1周,那么计量时间的世界时单位1秒(即1/86400日)就是固定不变的。但科学家们发现,这把测量时间的“尺子”并不准确。

研究发现,长期来看地球的自转变慢了,南京大学天文学系教授萧耐园介绍说,大约100年后,地球上每天就要增加1.8毫秒,并且这1.8毫秒是一个加速度。

证据:古生物钟留下时间的痕迹

地球自转变慢,日子越变越长,目前的天文观测和古生物化石的研究都印证了这一点。

在很多门类的化石的表壁上,有类似树木“年轮”的痕迹,被称为古生物钟,可以用来当作计时器。因此,很多门类的化石都是地质时代的见证物。为什么在这些化石上能显示出岁月呢?古生物钟学家提出了各种各样的学说,包括潮汐在海洋生物身上留下的痕迹,动物定时进食造成的线索,或是生育周期出现的标志,但古生物钟究竟是如何形成的,科学家仍在积极地探索。

根据“古生物钟”的研究发现,地球和自转速度在逐年变慢。如在4.4亿年的晚奥陶纪,地球公转一周要412天;到4.2亿年前的中志留纪,每年只有400天;3.7亿年前的中泥盆纪,一年为398天。到了亿年前的晚石炭纪,每年约为385天;6500万年前的白垩纪,每年约为376天;而现在一年只有365.25天。据天体物理学的计算,证明了地球自转速度正在变慢。

1963年威尔斯观察到现代珊瑚中一年生长的骨胳上有大约360条很细的生长线,并指出这些生长线实际上可能是每天生长周期的标志。威尔斯研究了产于泥盆纪和石炭纪保存良好的标本,他发现石炭纪珊瑚年生长线为385—390圈,而泥盆纪珊瑚则有400圈左右(385—410条之间)。这与用天文学方法求得的各地质时期每年的天数大体相等。

成因复杂,地球自转动能或被潮汐消耗

地球自转变慢虽然证据确凿,但原因却很复杂。除了地壳运动,被广泛提及的一点是天体之间的摩擦。地球是宇宙中的一颗星球,自转速度受到太阳系中各行星运转及其相互引力的影响,专家表示,太阳和月亮的潮汐力作用引起了摩擦,产生的热量被耗散掉,消耗了地球自转的动能,使得其转动变慢。

另外,在20世纪20年代,天文学家发现了地球自转周期性变化的一些规律,由于地球上的季节性气流和洋流的运动,造成了地球自转在春季慢一些、在秋季快一些。此外,地表河流、水汽侵蚀,甚至人类活动都会对地球自转产生影响。

偶然因素:加快

地震使自转时间出现微秒级变化

2011年3月11日,日本本州岛附近海域发生8.9级地震(后修正为9.0级),这次日本地震是1900年以来第5大强震。在果壳网的一篇关于这次地震的文章中指出,根据美国宇航局(NASA)地球物理学家葛罗斯(Richard Gross)的计算,它导致地球每天的自转时间减少了1.6微秒。有心的读者应该还记得,类似的情况在2010年智利地震之后也出现了,当时的计算结果是地球自转时间减少1.26微秒。而2004年发生在苏门答腊的地震,则使得地球自转快了6.8微秒。

一般我们想象中的地球是一个光滑精致的球体——珠穆朗玛峰的海拔高度(8848米)只相当于地球半径(6400千米)的千分之一,我们手中的乒乓球都比地球表面粗糙得多。不过,地球并不是一个完全不变形、强度无限大的刚体玩具。众所周知的“板块构造学说”就认为整个地壳是个支离破碎的结构,并且各部分还在不停地相互挤压冲撞。我们所见到的高原山峰、巨大海沟就是板块运动的杰作。地震也是这种运动的形式和后果之一。

地震为什么会使地球自转加快?文章中这样解释,对于旋转的地球来说,其自转速度的快慢跟它的转动惯量有关。简单的来说,转动惯量就是质量乘以半径的平方。地壳运动(包括地震)会影响地球内部的物质分布。一般来说,正如水向低处流,物质倾向于向地心方向运动,这样地球的转动惯量就会减小,从而使地球的转动速度加快。

闰秒调整

一秒的代价

正像我们前面所说,因地球自转速度在不断减慢,依地球自转而订的世界时与原子时有时无法保持一致。为此,人们发明了调整方法,令时间保持准确。

全世界有那么多定位卫星,还有数不胜数的基于时间提供服务的机构,要让世界各国在同一个瞬间增加一个闰秒,绝非易事。稍有疏忽,电脑、手机、空中交通管制和金融交易市场就会因时间误差而导致混乱。而且,基于闰秒出现的无规律性和不可预知性,要在设备上预留“置闰”设置也非常麻烦。总而言之,为了多一个“嘀嗒”,全世界要多付出许多人力财力成本。更难的是,随着全球化的深入,一旦有一两个国家拒绝采用闰秒、或者没有精确完成置闰,许多高精度系统就无法在全世界范围内实现衔接。

不“闰”行不行,今年或见分晓?

既然闰秒的代价不小,那么取消闰秒,摈弃由地球和太阳构成的“天然大钟”,在军事、商业、科学测绘等各个领域彻底采用原子时行不不行?

中国科学院上海天文台原台长、上海市天文学会名誉理事长赵君亮曾在接受采访使表示,如果取消闰秒,完全按照原子时生活,将“割裂人类生活的时间与大自然之间的内在联系。”有人这样描述原子时:“作为科技进步的产物,全面采用原子时,意味着人们可以完全摆脱地球自转与日月更替,孤独地奔跑在向前的路上。”

根据国际计量局测算,如果没有闰秒,约5000年后原子时将和世界时差1小时。在更遥远的未来,原子时意义上的正午,对应的景象则是满天星斗,这样一来,许多历史记载中的“某年某月某日某时,发生某事件”,将很难令后人理解,因为“某时”在彼时,对应的已经是完全另外一副景象。“这种局面意味着人类对于伴随自我进步的‘时间文化’的一次抛弃”。

闰秒是去是留?这场争论从1999年开始持续至今,在2012年1月的国际电信联盟无线通信全会上,决定把“最后决定时刻”推迟到今年。

专家分析,用“闰分”或“闰时”来取代闰秒可能是个比较好的折中方案。如采用闰分,大约100年调整一次;闰时则是5000多年调整一次。比起每隔若干年就要调整一次的闰秒,这样至少不太折腾。


关键词:闰秒 地球自转
本文来源:科技日报责任编辑:王莹莹
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