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          地球自轉為何也在“趕時間”?
          來源:科技日報 作者: 發表時間:09-20 17:08

          長期來看,地球自轉趨于變慢,科學家預計再過1億年,一天可以增加半小時;而在稍短的時間尺度內,比如未來幾萬年或幾十萬年,隨著月球的潮汐力減弱等,地球自轉減速則會趨緩。

          8月25日,第二屆中國空間科學大會在山西太原舉辦。會上,原子鐘作為一個重要話題被提及。

          作為最精確的計時工具,原子鐘在人類計時史上作出了不少貢獻,而在不久前,有科學家利用高精度原子鐘記錄了迄今最短的一個地球日。

          一般來說,一個地球日約為24個小時??墒窃诮衲甑?月29日,地球自轉一周的時間卻比24小時少了1.59毫秒,成為原子鐘計時以來最短的一天。

          地球自轉一周的時間縮短,意味著地球的自轉加速。根據《亞洲—大洋洲地球科學學會年度會議報告》,科學家們認為此次地球的自轉加速是由錢德勒擺動導致的。

          那么,原子鐘計時是什么原理?地球自轉真的在加速嗎?錢德勒擺動是如何產生的?近日,科技日報記者就這些問題采訪了相關專家。

          世界上最準確的計時工具

          “常見的時間系統有3種,分別是以地球自轉周期為基準的世界時(UT)、以地球繞太陽公轉周期為基準的歷書時(ET)和以銫原子內部電磁振蕩頻率為基準的原子時(AT)?!敝袊教炜萍技瘓F有限公司第五研究院510所研究員翟浩向記者介紹。

          時間系統的發展,經歷了從天文時發展到原子時的過程。天文時是指觀測天文現象,也就是日月星辰等天體的周期性運動得到的時間,包括上面提到的世界時和歷書時。原子時指的則是利用原子鐘,以原子吸收或釋放能量時發出的電磁波為基準得到的時間。

          原子時萌芽于20世紀40年代末期,誕生于20世紀50年代初期。1967年,第十三屆國際計量代表大會決定,將秒的定義從天文秒改為原子秒,即將銫原子零場基態超精細躍遷的9192631770個周期所持續的時間定為1秒,稱作原子秒,并將1958年1月1日0點0分0秒作為原子時的計時起點,從而開創了以微觀量子躍遷為計時標準的新時代。

          翟浩表示,原子鐘常用的元素有銫、銣、氫以及堿土金屬等。由于這類原子具有非常高精度的能級躍遷,因此其輸出的電磁波非常穩定。一系列的精密儀器控制這些電磁波,使得原子鐘的計時非常準確。典型的銫原子束頻標的準確度為10-14量級,比宏觀計時的天文時準確度高了數個數量級。如此準確的原子時,為天文、航海、航天等領域的發展提供了強而有力的保障。

          “從工作原理看,原子鐘是基于量子力學和原子物理等物理機理,利用原子躍遷原理產生穩定而準確的時間頻率信號的設備?!钡院票硎?,原子鐘分為微波原子鐘和光鐘兩大類,目前作為國際時間頻率基準使用的銫原子噴泉鐘,屬于微波原子鐘,其準確度已經達到很高的指標。中國計量科學研究院的銫原子噴泉基準鐘NIM6的頻率不確定度優于5.8×10-16,相當于5400萬年不差1秒。中國科學院國家授時中心等單位的光鐘也達到了國際先進水平,系統不確定度達到了5×10-17,相當于6億年不差1秒。

          世界時與地球自轉關系密切,地球自轉加快,則世界時加快,地球自轉減慢,則世界時減慢。因此,隨著時間的遷延,原子時和世界時兩種時間尺度的差距將會越來越大。

          目前國際通用的標準時間叫做協調世界時(UTC),它是以原子時的秒長為基礎,在時刻上盡量接近于世界時的一種國際時間計量系統。每當原子時和世界時兩者之差逐年積累達到0.9秒時,協調世界時就通過正負1閏秒的方式彌補誤差,同時保持時間尺度的均勻。

          地球自轉短期加快但長期減緩

          當前,地球自轉的平均周期是23小時56分04秒。有學者研究認為,地球剛剛誕生的時候自轉速度非???,一天僅8小時;到了恐龍時代,地球的一天已有23.5小時;而恐龍時代到現在的1億多年時間里,地球自轉的平均周期共變長約30分鐘,即平均每年變長約16.4微秒。

          中國科學院國家天文臺研究員平勁松表示,伴隨著地球的動力學演化,地球自轉從幾十億年前開始就有減緩趨勢。研究表明,最近的減緩速率約為每世紀2毫秒。地月引力的固體潮汐拖拽作用,減慢了地球自轉。

          根據原子鐘的精確測量結果,今年地球越轉越快,一天的時間變短了。平勁松強調,事實上,近半個世紀以來,地球自轉在長期放緩的趨勢下,有著短周期的起伏,即地球加速旋轉。

          比如,2020年出現了28個最短地球日。其中2020年7月19日,地球以24小時差1.47毫秒自轉一周,創下當年的最短地球日紀錄;在2022年6月29日,這一紀錄被打破。

          平勁松說,一個合理的解釋是,溫室效應加劇引發全球變暖,地球兩極和高海拔地區冰川融化,全球海平面每年上升約3毫米,地球上的物質進行重新分布,導致整體繞自轉軸的轉動慣量減小,地球的自轉加速。

          在感官上,人類很難感受到地球自轉速率的變化。然而,對于人類使用的各種高精度儀器和設備,這種毫秒級的變化相當重要。例如,地球自轉速率和自轉軸的變化,對于建立精準動態地球坐標參考系統至關重要,也決定了衛星導航、定位和定軌的精確性。

          長期來看,地球自轉趨于變慢,科學家預計再過1億年,一天可以增加半小時;而在稍短的時間尺度內,比如未來幾萬年或幾十萬年,隨著月球的潮汐力減弱等,地球自轉減速則會趨緩。

          錢德勒擺動的機制是百年難題

          錢德勒擺動是地球自轉軸的擺動,由美國天文學家塞斯·卡洛·錢德勒于1891年通過天文觀測發現,擺動幅度在地球表面為3—9米,擺動周期約14個月。

          “錢德勒擺動不直接導致地球自轉加速?!北本┐髮W特聘副研究員楊翼表示,二者有一定的相關性,但是二者之間的因果性還不太明確。其實,地球系統內部的物質遷移和角動量交換,均可導致地球自轉軸的位置和自轉的速率發生變化。

          地球是不均勻橢球體這一特征,被視為導致錢德勒擺動的原因之一。但事實上,錢德勒擺動作為地球擺動的一部分,其激發機制是地球科學界的百年難題??茖W家們提出了潮汐作用、與液態地核的動量交換、大地震等機制,也會導致錢德勒擺動。此外,科學家發現錢德勒擺動的幅度,還與大氣層、海洋等有關。

          美國航天局噴氣推進實驗室的研究者曾提出,錢德勒擺動是由大氣層和海洋運動耦合驅動導致的。他們的電腦模擬顯示,海底的壓力波動占總驅動的三分之二。但是至少到目前為止,還沒有哪種運動能固定驅動錢德勒擺動。

          楊翼介紹,科學家們成立了國際地球自轉服務協會,其任務之一就是定期測量地球自轉軸的指向,監測錢德勒擺動。由于錢德勒擺動是地球自轉軸在地表的擺動,這樣就會引起地球緯度的變化。國際上早在1899年成立了國際緯度觀測所,長期監測緯度變化來獲取錢德勒擺動信息。我國天津緯度站、上海佘山天文臺等機構均參與了該國際計劃。(記者 唐 芳)

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