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地球自转为何也在“赶时间”?

2022年09月20日 13:36:58  來源:科技日报

长期来看,地球自转趋于变慢,科学家预计再过1亿年,一天可以增加半小时;而在稍短的时间尺度内,比如未来几万年或几十万年,随着月球的潮汐力减弱等,地球自转减速则会趋缓。

825日,第二届中国空间科学大会在山西太原举办。会上,原子钟作为一个重要话题被提及。

作为最精确的计时工具,原子钟在人类计时史上作出了不少贡献,而在不久前,有科学家利用高精度原子钟记录了迄今最短的一个地球日。

一般来说,一个地球日约为24个小时。可是在今年的629日,地球自转一周的时间却比24小时少了1.59毫秒,成为原子钟计时以来最短的一天。

地球自转一周的时间缩短,意味着地球的自转加速。根据《亚洲大洋洲地球科学学会年度会议报告》,科学家们认为此次地球的自转加速是由钱德勒摆动导致的。

那么,原子钟计时是什么原理?地球自转真的在加速吗?钱德勒摆动是如何产生的?近日,科技日报记者就这些问题采访了相关专家。

世界上最准确的计时工具

常见的时间系统有3种,分别是以地球自转周期为基准的世界时(UT)、以地球绕太阳公转周期为基准的历书时(ET)和以铯原子内部电磁振荡频率为基准的原子时(AT)。中国航天科技集团有限公司第五研究院510所研究员翟浩向记者介绍。

时间系统的发展,经历了从天文时发展到原子时的过程。天文时是指观测天文现象,也就是日月星辰等天体的周期性运动得到的时间,包括上面提到的世界时和历书时。原子时指的则是利用原子钟,以原子吸收或释放能量时发出的电磁波为基准得到的时间。

原子时萌芽于20世纪40年代末期,诞生于20世纪50年代初期。1967年,第十三届国际计量代表大会决定,将秒的定义从天文秒改为原子秒,即将铯原子零场基态超精细跃迁的9192631770个周期所持续的时间定为1秒,称作原子秒,并将195811000秒作为原子时的计时起点,从而开创了以微观量子跃迁为计时标准的新时代。

翟浩表示,原子钟常用的元素有铯、铷、氢以及碱土金属等。由于这类原子具有非常高精度的能级跃迁,因此其输出的电磁波非常稳定。一系列的精密仪器控制这些电磁波,使得原子钟的计时非常准确。典型的铯原子束频标的准确度为10-14量级,比宏观计时的天文时准确度高了数个数量级。如此准确的原子时,为天文、航海、航天等领域的发展提供了强而有力的保障。

从工作原理看,原子钟是基于量子力学和原子物理等物理机理,利用原子跃迁原理产生稳定而准确的时间频率信号的设备。翟浩表示,原子钟分为微波原子钟和光钟两大类,目前作为国际时间频率基准使用的铯原子喷泉钟,属于微波原子钟,其准确度已经达到很高的指标。中国计量科学研究院的铯原子喷泉基准钟NIM6的频率不确定度优于5.8×10-16,相当于5400万年不差1秒。中国科学院国家授时中心等单位的光钟也达到了国际先进水平,系统不确定度达到了5×10-17,相当于6亿年不差1秒。

世界时与地球自转关系密切,地球自转加快,则世界时加快,地球自转减慢,则世界时减慢。因此,随着时间的迁延,原子时和世界时两种时间尺度的差距将会越来越大。

目前国际通用的标准时间叫做协调世界时(UTC),它是以原子时的秒长为基础,在时刻上尽量接近于世界时的一种国际时间计量系统。每当原子时和世界时两者之差逐年积累达到0.9秒时,协调世界时就通过正负1闰秒的方式弥补误差,同时保持时间尺度的均匀。

地球自转短期加快但长期减缓

当前,地球自转的平均周期是23小时5604秒。有学者研究认为,地球刚刚诞生的时候自转速度非常快,一天仅8小时;到了恐龙时代,地球的一天已有23.5小时;而恐龙时代到现在的1亿多年时间里,地球自转的平均周期共变长约30分钟,即平均每年变长约16.4微秒。

中国科学院国家天文台研究员平劲松表示,伴随着地球的动力学演化,地球自转从几十亿年前开始就有减缓趋势。研究表明,最近的减缓速率约为每世纪2毫秒。地月引力的固体潮汐拖拽作用,减慢了地球自转。

根据原子钟的精确测量结果,今年地球越转越快,一天的时间变短了。平劲松强调,事实上,近半个世纪以来,地球自转在长期放缓的趋势下,有着短周期的起伏,即地球加速旋转。

比如,2020年出现了28个最短地球日。其中2020719日,地球以24小时差1.47毫秒自转一周,创下当年的最短地球日纪录;在2022629日,这一纪录被打破。

平劲松说,一个合理的解释是,温室效应加剧引发全球变暖,地球两极和高海拔地区冰川融化,全球海平面每年上升约3毫米,地球上的物质进行重新分布,导致整体绕自转轴的转动惯量减小,地球的自转加速。

在感官上,人类很难感受到地球自转速率的变化。然而,对于人类使用的各种高精度仪器和设备,这种毫秒级的变化相当重要。例如,地球自转速率和自转轴的变化,对于建立精准动态地球坐标参考系统至关重要,也决定了卫星导航、定位和定轨的精确性。

长期来看,地球自转趋于变慢,科学家预计再过1亿年,一天可以增加半小时;而在稍短的时间尺度内,比如未来几万年或几十万年,随着月球的潮汐力减弱等,地球自转减速则会趋缓。

钱德勒摆动的机制是百年难题

钱德勒摆动是地球自转轴的摆动,由美国天文学家塞斯·卡洛·钱德勒于1891年通过天文观测发现,摆动幅度在地球表面为3—9米,摆动周期约14个月。

钱德勒摆动不直接导致地球自转加速。北京大学特聘副研究员杨翼表示,二者有一定的相关性,但是二者之间的因果性还不太明确。其实,地球系统内部的物质迁移和角动量交换,均可导致地球自转轴的位置和自转的速率发生变化。

地球是不均匀椭球体这一特征,被视为导致钱德勒摆动的原因之一。但事实上,钱德勒摆动作为地球摆动的一部分,其激发机制是地球科学界的百年难题。科学家们提出了潮汐作用、与液态地核的动量交换、大地震等机制,也会导致钱德勒摆动。此外,科学家发现钱德勒摆动的幅度,还与大气层、海洋等有关。

美国航天局喷气推进实验室的研究者曾提出,钱德勒摆动是由大气层和海洋运动耦合驱动导致的。他们的电脑模拟显示,海底的压力波动占总驱动的三分之二。但是至少到目前为止,还没有哪种运动能固定驱动钱德勒摆动。

杨翼介绍,科学家们成立了国际地球自转服务协会,其任务之一就是定期测量地球自转轴的指向,监测钱德勒摆动。由于钱德勒摆动是地球自转轴在地表的摆动,这样就会引起地球纬度的变化。国际上早在1899年成立了国际纬度观测所,长期监测纬度变化来获取钱德勒摆动信息。我国天津纬度站、上海佘山天文台等机构均参与了该国际计划。(记者 唐 芳)

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