这天不足24小时!地球自转变快,“一寸光阴”渐短

地球自转速度在长期变慢的过程中突然加快,去年7月19日是有记录以来最短的一天。这种情况会持续吗?未来我们的时间还够用吗?

撰文/记者 李荔 编辑/吉菁菁

新媒体编辑/房永珍

供图/视觉中国(除署名外)

采访专家

刘根友(中国科学院测量与地球物理研究所研究员)

窦 忠(中国科学院国家授时中心研究员)

这天不足24小时!地球自转变快,“一寸光阴”渐短

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,一年约有420天,每天不足21小时。

到了现代,一年约有365天,每天24个小时。

纵观漫漫历史长河,地球自转一直在减慢。为弥补因地球自转变慢所产生的时间滞后,自1972年以来,在你不知道的情况下,标准时间增加过27次“闰秒”, 而且都是“正闰秒”。

然而,等到了2021年,科学家发现,地球一反常态,自转突然变快了。据英国《每日邮报》网站1月5日报道,就在2020年,科学家已经观测到了有史以来最快的28天。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)。然而等到了去年年中,这一长期存在的趋势被逆转了,一天的时长经常短于86400秒。

2020年7月19日,这一天的时长甚至比24小时整缩短了1.4602毫秒——这是有记录以来最短的一天。

这天不足24小时!地球自转变快,“一寸光阴”渐短

科学家表示,地球自转速率正处于50年以来最快的时期。那么,地球自转为何会加速?加速后,会对现在的时间造成什么影响?地球“越转越快”,这种情况会一直持续下去吗?

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地球自转之谜

每一天,地球都会自转一周,让地球上的生命经历白天和黑夜,看到日出和日落。

自从地球在46亿年前形成后,就一直重复着旋转。它为什么会自转,它自转的动力来自哪里?为什么是现在这种运动方向?这些都是现代科学至今还没有解决的问题。

在法国亨利·庞加莱著作的《科学简史》里写到,关于地球近现代的科学研究表明,其实所有行星的自转都不是固定不变的。就拿我们的地球来说,它的转动就不是一成不变的,能明显感受到其不同时期所发生的明显波动。

目前,科学家发现地球自转存在不均匀性,主要是三种变化:长期减慢,不规则变化和季节性周期变化。

有关地球自转不规则变化的机制,还没有定论。现在比较一致的看法是,可能来自地幔与地核之间的角动量交换或海平面变化,以及太阳风力矩或与地磁场耦合等因素。

2007年,中科院测量与地球物理研究所与中科院上海天文台专家合作在全球首次发现,地球有时转得快,有时转得慢,但总体在“转慢”,在6年周期振荡信号中会出现一个“减速度”。

据中科院测量与地球物理研究所研究员刘根友介绍,地球自转速率不是固定不变的,不同阶段有快有慢。他们针对国际机构发布的长达50年的日长观测数据,通过频谱分析发现,存在一个振幅约0.12毫秒的6年周期变化。

地球自转速率(日长)的变化非常复杂,在更长的时间尺度上,例如,在世纪尺度、甚至数万年尺度上,地球自转速率的确存在长期非常缓慢的减小现象,其主要与地球表面的潮汐摩擦有关。

这天不足24小时!地球自转变快,“一寸光阴”渐短

▲不规则变化可能来自地幔与地核之间的角动量交换(图片来自网络)

针对2020年年中开始的地球自转加速问题,刘根友认为,这可能与地幔与地核之间的角动量交换或海平面变化等因素有关。但总体来说,地球自转减速是大趋势,加速只是变化过程中一个小的波动。

“这种自转速率变化,即使以年计,可能是在毫秒级,几乎很难察觉,不会对人类生活产生影响。” 刘根友说,但在精密测量时,这个量影响很大,0.1毫秒产生的位置误差在赤道上可达0.5米,产生的无线电波测距误差可达30公里。

目前,根据当前趋势,监测地球自转速度的科学家们作出预测:随着时间的推移,2021年的一天时长有可能越来越短,创下新纪录。科学家计算结果显示,2021年的平均每天将比86400秒短0.05毫秒。一年后总时长缩短19毫秒,也就是说跟标准时间相差19毫秒。

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地球自转与计时

时间是看不见摸不着的。在天文学的计时科学中,人们一直以地球自转周期作为时间计量基准。

中国科学院国家授时中心研究员窦忠介绍,地球相对稳定的自转,使得它成为一面天然的大钟,天上的恒星就好比钟面上表示钟点的刻度,天文学家的望远镜就好比钟面上的指针。

恒星的位置天文学家已经精确地测定过,也就是说这只天然钟面上的刻度(恒星)是精确知道的。这个大钟看上去则是“指针”不动,“钟面”在转。当望远镜对准某颗恒星时,天文学家就知道它指示的准确时间,这就是天文测时。

人类很长时间都是通过天文方法测定时间,这就是“世界时”。 世界时UT(Universal Time)是基于地球自转运动以太阳作为参照点来确定的时间尺度。上世纪六十年代以前,世界时曾作为基本时间计量系统被广泛应用。然而,遗憾的是,地球自转是不均匀的,这会影响到“世界时”的稳定性。于是,人们就开始努力寻找更加稳定的周期运动来测量时间。

随着量子力学的发展,实验发现,一些分子和原子内部的量子跃迁能够产生周期非常稳定的信号,非常适合时间测量,于是原子时就应运而生。原子时AT(Atomic Time)是利用原子振荡频率确定的时间尺度。

虽然基于地球自转的“世界时”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UTC(Coordinated Universal Time)是采用原子时的秒长,通过闰秒,在时刻上尽量逼近世界时的时间尺度。每个新年钟声就是根据“协调世界时”敲响的。

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▲中国科学院国家授时中心(供图:窦忠)

我国的标准时间——“北京时间”也采用世界通行的协调世界时,是由中国科学院国家授时中心(NTSC)负责产生、保持和发播的。

窦忠表示,我国采用首都北京所在的东八时区的区时,比协调世界时的零时区区时早8个小时,因此,“北京时间=协调世界时+8小时”。

国家授时中心的守时钟组除了产生“北京时间”,也参与国际原子时计算,2019年对国际原子时权重贡献位居世界第三。2013年以来,“北京时间”的物理实现与国际标准时间UTC的偏差一直保持在10纳秒以内;2017年以来,保持在5纳秒以内,远高于国际电联(ITU)要求的100纳秒。

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负闰秒或许不会出现

时间快一秒或慢一秒不会对普通民众的日常生活产生较大影响,但一些对时间精度要求较高的行业,例如航天、通信、金融等,一秒的差异则会产生巨大的影响。

航天飞船1秒钟的飞行距离将近8公里,如果无规律地相差1秒,飞船可能会偏离原定轨道,严重威胁其安全。电信行业也是对时间精度要求较高的行业,电信公司的系统时间一旦不准确,就会与接收器和传输器的频率不符,人们在传送电邮或通话时,会出现数据流失的现象。

另外,对于电子、金融、军事等需要精密时间的领域,这一秒的误差,也可能对整个系统造成重大损失,甚至导致系统崩溃。

在世界时的计量系统中,一秒有多长,取决于一天(地球自转一周的时间)有多长,如果地球的自转速度保持不变,一秒的长度就不会变。

从1972年协调世界时UTC诞生以来,一共实施了27次闰秒,而且都是“正闰秒”。也就是说,这近五十年间,地球自转速率相对于国际原子时速率一直在减慢,规律基本是“三年闰两秒”。但也不一定,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。

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▲从1972年以来,出现的27次闰秒(图片来自网络)

闰秒是由国际地球自转服务组织(IERS)一般提前半年向全球公布,通常在国际标准时间——协调世界时(UTC)12月31日或者6月30日的最后1秒实施。

此次地球自转加速会不会迎来史上第一次“负闰秒”?2021年1月7日,国际地球自转服务组织称在2021年6月底不会“闰秒”。那就是说,如果要插入“负闰秒”,最快也要等到2021年年底了,而且还取决于这种地球自转加速会不会持续下去,从现在的观测数据看,距离引发“负闰秒”还比较远。让我们拭目以待。

窦忠解释说,其实,发生“负闰秒”也不奇怪,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,并作出了相应规定。如果真的发生这种情况,国家授时中心会按国际统一规定实施“负闰秒”调整,不会影响用户的应用。

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出品:科普中央厨房

监制:北京科技报 | 科学加客户端

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