地球自轉(zhuǎn)持續(xù)加速,打破人類發(fā)明原子鐘以來最短一天

長期來看，地球自轉(zhuǎn)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(nèi)，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(zhuǎn)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。可是在今年的6月29日，地球自轉(zhuǎn)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(zhuǎn)一周的時間縮短，意味著地球的自轉(zhuǎn)加速。根據(jù)《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(zhuǎn)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(zhuǎn)真的在加速嗎？錢德勒擺動是如何產(chǎn)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(tǒng)有3種，分別是以地球自轉(zhuǎn)周期為基準的世界時（UT）、以地球繞太陽公轉(zhuǎn)周期為基準的歷書時（ET）和以銫原子內(nèi)部電磁振蕩頻率為基準的原子時（AT）。”中國航天科技集團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(tǒng)的發(fā)展，經(jīng)歷了從天文時發(fā)展到原子時的過程。天文時是指觀測天文現(xiàn)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(fā)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(tài)超精細躍遷的9192631770個周期所持續(xù)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(chuàng)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(wěn)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(shù)個數(shù)量級。如此準確的原子時，為天文、航海、航天等領域的發(fā)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(chǎn)生穩(wěn)定而準確的時間頻率信號的設備。”翟浩表示，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(jīng)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(yōu)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(tǒng)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(zhuǎn)關系密切，地球自轉(zhuǎn)加快，則世界時加快，地球自轉(zhuǎn)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(xié)調(diào)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(tǒng)。每當原子時和世界時兩者之差逐年積累達到0.9秒時，協(xié)調(diào)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(zhuǎn)短期加快但長期減緩

當前，地球自轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速度非常快，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(xiàn)在的1億多年時間里，地球自轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)。

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

比如，2020年出現(xiàn)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(zhuǎn)一周，創(chuàng)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(fā)全球變暖，地球兩極和高海拔地區(qū)冰川融化，全球海平面每年上升約3毫米，地球上的物質(zhì)進行重新分布，導致整體繞自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量減小，地球的自轉(zhuǎn)加速。

在感官上，人類很難感受到地球自轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速率和自轉(zhuǎn)軸的變化，對于建立精準動態(tài)地球坐標參考系統(tǒng)至關重要，也決定了衛(wèi)星導航、定位和定軌的精確性。

長期來看，地球自轉(zhuǎn)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(nèi)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)加速。”北京大學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(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)遷移和角動量交換，均可導致地球自轉(zhuǎn)軸的位置和自轉(zhuǎn)的速率發(fā)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(fā)機制是地球科學界的百年難題。科學家們提出了潮汐作用、與液態(tài)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(fā)現(xiàn)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(qū)動導致的。他們的電腦模擬顯示，海底的壓力波動占總驅(qū)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(qū)動錢德勒擺動。

楊翼介紹，科學家們成立了國際地球自轉(zhuǎn)服務協(xié)會，其任務之一就是定期測量地球自轉(zhuǎn)軸的指向，監(jiān)測錢德勒擺動。由于錢德勒擺動是地球自轉(zhuǎn)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(jiān)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。唐芳/科技日報

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