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地球突然加速自转,一天已不到24小时,为什么人类要负责?

每天,太阳都会完成一次东升西落。虽然太阳看起来在天上缓慢运动,每小时大概走15°,但这其实是地球本身在绕着地轴自转造成的,太阳相对于地球而言保持不动。斗转星移,天上星辰的转动也是同样的道理。

每天持续的时间是24小时,即86400秒,这是根据地球的自转周期来定义的。然而,科学家发现地球从2020年开始突然加速自转,导致一天的时间已经不到24个小时。至于背后的原因,其实与人类有关。那么,重达60万亿亿吨的地球,它的自转速率是如何被渺小的人类加快的呢?

我们平时所说的一天24小时指的是太阳日,也就是太阳接连两次出现在中天(太阳高度角最大时)的时间间隔。另一方面,地球绕自转轴转动360°的时间其实只有23小时56分4.1秒,这个时间被称为恒星日,可以看作遥远恒星连续两次到达中天的时间间隔。

之所以两个时间有大约4分钟的差异,是因为地球在自转的同时,还在轨道上绕着太阳公转。当地球绕轴了转了360°之后,地球也在近乎圆形的轨道上前进了一定距离,所以地球还要再自转59',才能让太阳再次出现在中天。

为了便于人们生活,太阳日被人为定义为24小时。但问题是地球的自转速率不是匀速的,而是会受到各种因素的影响,比如小行星撞击、季风、月球的潮汐力。可以说,地球每天自转一圈的时间都是不一样的,总体而言自转速率变得越来越慢。

地球突然加速自转

然而,地球突然从2020年开始加速自转,当年的7月19日成为过去数十年来人类已知时间最短的一天,比平时少了大约1.46毫秒,这意味着一天的时间不到24小时。

当然,地球自转周期缩短的时间很少,我们不可能通过普通的钟表来测定出来。直到在上个世纪中叶,物理学家基于稳定的原子共振频率,发明了原子钟,精确计量时间成为了可能。

目前,科学家已经制造出了极为精确的铯原子钟,每1.8亿年的误差仅为1秒。而不久前刚刚获得2022年基础物理学突破奖的光晶格钟,它的精度有了大幅提升,每150亿年才会有1秒的误差,要知道宇宙诞生至今也才过了138亿年。

基于原子钟的精确测量结果,地球确实越转越快,一天的时间变短了。过去半个多世纪以来,地球最短的28天都出现在2020年,这使得当年成为有记录以来最短的一年。

虽然地球一天的时间只是缩短了毫秒级别,我们根本无法直观感受到,但这确实会影响到人类。因为很多高精尖设备和仪器,比如通信卫星、计算机网络,都要基于精确的时间戳。

为了消除地球自转周期和原子钟时间之间的差异,当两者相差0.9秒时,就会人为地给全世界的时钟同时拨快或者拨慢1秒,这就是闰秒调整。过去,由于地球自转速率每年都是在变慢,一天的时间都在变长,所以要进行加闰秒调整。

自1972年进行第一次进行闰秒调整以来,目前已经调整了27次,每次都是加1秒。最近的一次加闰秒是在2016年12月31日,当年的最后一秒是23时59分60秒。平时是不可能出现60秒的,都是从59秒直接调到下一分钟的00秒。

但现在,地球的自转速度突然加快,反而让一天乃至一年的时间变短了。科学家预计,地球在2021年还会转得更快,一天的时间变得更短,很有可能会成为有记录以来最短的一年。

据估计,2021年平均每天的时间将会缩短0.2毫秒,一年将会累计缩短73毫秒。相比之下,过去地球自转速度变慢时,每天能够延长超过1毫秒,一年累计延长可达数百毫秒,例如,在1994年,平均每天延长2.19毫秒,当年累计延长了800毫秒。如果地球自转速度继续变得更快,未来还要考虑负闰秒调整。

地球突然加速自转的原因是什么?

这背后的原因其实很复杂,但有一点跟人类活动有关,人类对此要负责。由于人类大肆排放二氧化碳,加剧了温室效应,引发全球变暖,近年来几乎每年都在不断刷新最高的大气二氧化碳浓度和温度纪录。

随着全球气温不断升高,地球两极的冰川融化越来越严重,每年估计有多达1.2万亿吨的冰消失掉。这些冰融化成水之后,最终将会流入海洋中,导致全球海平面每年上升3.6毫米。

由于冰川融化成水,让地球上的质量进行重新分布,质量更接近地球中心,从而导致地球加速自转。以滑冰运动员为例,当他在原地旋转时,如果把张开的手臂收起来,他的自转速度就会加快。反之,如果他把抱紧的手臂张开,自转速度就会变慢,这就是角动量守恒定律。

早在2007年,马克斯・普朗克气象研究所的科学家就已经预言了这种现象。全球气温升高的趋势还没有得到逆转,冰川的加速融化会让地球自身“抱得越来越紧”,从而让地球越转越快。

地球未来会转得多快?

尽管如此,人类活动对于地球自转速度的影响只是暂时的。从长期角度来看,地球自转变慢的总体趋势不会变化,真正起到主宰作用的是月球引力对地球产生了潮汐作用。

地球在45亿年前刚形成时,一天的时间大约只有5小时,而月球距离地球还不到2.5万公里。在月球引力的作用下,地球朝向和背离月球的两侧产生了潮汐隆起。当地球自转时,与潮汐隆起部分就会有摩擦作用,从而导致地球自转速度逐渐降低。由于角动量守恒,地球的自转角动量减少,月球的公转角动量就会增加,所以月球的距离会变远。

到了35亿年前,地球的一天已经延长到了12小时。6.2亿年前,地球上刚出现动物时,地球的一天变成了21小时。到了1亿年前的恐龙时代,一天延长到了23小时。如今,一天已经变成了24小时。

未来,地球自转速率还会进一步放慢,一直慢到一天相当于现在的47天。到了那时,月球的自转和公转周期也都延长到这个时间,地球和月球就像冥王星和卡戎那样,彼此之间互相潮汐锁定,它们永远都以相同一面对着彼此。只不过,那一天的到来还要再过很久很久的时间,估计是在百亿年之后。