地球自转减缓是个“大麻烦”吗

本文转自：北京日报

雷淼

融化的冰盖正在减缓地球的自转速度，气候变化可能会改变人类的计时方式。世界著名科学杂志《自然》（《Nature》）日前发表的一项研究预测，冰盖的融化正在减缓地球的自转速度，以至于下一个闰秒将被推迟3年。

地球自转速度为什么会受到气候变化等因素影响？它的减缓会给人类造成什么影响？今天我们就来聊聊这些话题。

地球轴向倾斜如何决定季节的示意图

1 地球自转速度一直身不由己

如果问地球上的一天有多长，相信很多人都会不假思索地回答：24小时！事实上，这个答案曾经对过，但现在不太对了；或者说在天文学上对，但在物理学上不对。究其原因，是因为地球自转并不稳定。

太阳系所有的行星都在自转，这是从原行星盘收缩时继承来的旋转角动量。除了金星和天王星这两个特例之外，所有行星的自转方向都和公转方向基本一致。

在许久以前，地球自转的速度要比现在快不少。科学家找出的一个有力证据就是单体珊瑚，这种小动物分泌石灰质的能力和太阳光的强弱有关，所以每个昼夜都会在外壁上形成一道环纹，再加上冬夏两季的阳光有明显的强弱差异，珊瑚的粗细会随季节起伏形成一个个体节。科学家认真数了距今3.7亿年左右的单体珊瑚每节的环纹数目，发现是390多条，说明那时的地球每年有390多天，对应的自转周期为22.5小时。

在地球还不存在珊瑚这种多细胞生物的时候，沙土沉积而成的岩石也在默默记录着昼夜时长。这种沉积岩也叫韵律岩，它会表现出季节差异和潮汐造成的昼夜变化。通过考察14亿年前的韵律岩，科学家发现那时的一天只有18.7小时。

放眼太阳系，几颗巨行星的自转都相当稳定，而地球或更小一些天体的自转，都或多或少被观测到身不由己的变化波动，有的体现在转速上，有的体现在倾角上。

2021年北极冰最小范围示意图

2 冰盖融化为何导致自转减缓

地球自转速度不稳定有外界因素，也有内在原因。外界因素比较直观，就是被别的天体“打扰”了。

地球身边有个月球，它通过潮汐作用施加外界影响，使地球表面的海水甚至岩石隆起，并拖曳这个隆起，这是地球自转出现减缓的主要原因。但比起地球来，月球实在太小了，它和地球“掰”了几十亿年手腕，最终自己先败下阵来，自转周期变得跟公转周期一样慢，始终只把一面对着地球，于是形成了“潮汐锁定”。其实在太阳系里，绝大多数卫星都被自己的主星潮汐锁定了，更有甚者，冥王星和冥卫一因为个头差别不大而相互锁定，你瞧着我，我瞧着你，跳着永不止歇的圆舞曲。

影响地球自转速度的内在原因涉及地球自身的质量分配，比如大气活动。地球大气层不仅有风场的季节变化，还有蒸腾-降水的水循环，这些微小的质量转移，可为地球的日长波动贡献0.34毫秒的振幅。这种振幅能做什么呢？对于地球而言，它给自转带来的变化可能难以察觉。但较大的振幅就不一样了，一个极端的例子就是金星。这个星球上有浓密的大气逆着金星的自转方向吹拂，最高可达金星自转速度的60倍。这个力量不容小觑，在麦哲伦号和金星快车号相隔16年的探访期间，金星的自转周期（约243个地球日）慢了6.5分钟。

此次，《自然》发表的研究中提到冰盖融化正在减缓地球自转速度，其实也是地球自身质量分配带来的一种影响。地球冰盖的累积和消失会造成质量再分配，从而左右地球的转速，但有时会加快，有时会减缓，视具体情况而定。当冰期终结时，巨大的冰负荷渐渐散去，会使其下的地壳隆升或回弹。这一过程在极地表现得更为明显，极地隆起可以使地球变得更圆，质量向轴心收缩，从而加速自转；如果冰盖继续融化，更多海水会被地球自转“甩”到赤道附近，使质量离开轴心，就像跳水运动员接近水面时打开身体一样，地球自转速度又将放缓。

虽然科学家还没有完全搞清楚以上因素在扰乱地球自转上分别做了多大“贡献”，但总体效果是可见的：根据已有的观测，每过一个世纪，一天的时长就会多出1.4-1.7毫秒。

3 地轴会不停偏移直到“弄丢”四季吗

除了自转速度不稳定之外，地球的地轴本身也不太稳定，主要呈现两种变化：一是地轴的倾角会在22.1°至24.5°之间缓缓俯仰，周期大约为41000年，当倾角增大时，季节差异会更显著，反之则温和一些；二是地轴会像陀螺一样进动，轴线所指方向画出一个大圆圈来，这种轴向进动的周期在26000年左右，它能够决定地球运行到近日点时，太阳直射哪个半球。

这两种变化结合在一起时，所带来的气候效果至今可见。一到秋天，欧洲的燕子就纷纷启程，一路向南，飞越地中海、穿过撒哈拉，到中非、南非的温暖地带去。撒哈拉沙漠南北长约1800公里，干燥炎热，没吃没喝，对于燕子来说是严峻的考验。即使它们以时速40公里不停地飞，也要两天两夜才能见到南方的草原。因此，每年春秋两季，一来一回，都会有许多燕子葬身沙漠之中。

令人惊奇的是，从撒哈拉地区散布的人类岩画内容来看，一万年前，这里还是水草丰美的地方，野水牛、长颈鹿、河马、鳄鱼徜徉其间。为什么撒哈拉的变化这么大？一万年前，地球运行到近日点时，太阳直射北半球，地轴倾角比现在大1°左右，北非大陆可以正对着太阳。这样一来，北非大陆的夏季热空气迅猛上升，把大西洋的水汽抽调过来，形成强大的季风，带来了丰沛的降水。而现在，地球在北半球夏季时却在远日点，地轴倾角也在逐年减小，所以撒哈拉的夏天冷了下来，大西洋的水汽再也抽调不过来了。

不过，大家不用担心地轴倾角会一直减小直到把四季“弄丢”的问题，再过9200多年，地轴倾角又将踏上返程。这一点要感谢月球，它虽然会拖慢地球自转，却能够稳住地轴倾角，让地球的季节变化既分明又不走向极端。反观邻居火星，它本来个头就小，容易受到木星和土星的干扰，身边又只有两颗极小的卫星，根本扶不住它，所以倾角在13°至40°之间来回摆动。

当地时间2015年7月1日，人们在日本东京观看火车站电子时钟上显示的闰秒。

4 自转不稳定对人类度量衡的影响

对于公众来说，地球自转不稳定似乎离得很远，但有一类新闻会公开提醒这一点，那就是“闰秒”——地球给人类度量衡系统制造的小麻烦。

不同文明建立的度量衡系统各有特点，人类为了保持交流畅通，制定了通用的自然界标准。糟糕的是，由于地球转速不断变化，我们不得不维护两套时间系统：一是使用天文观测地球自转定义的时间系统，称之为“世界时”，二是使用铯原子跃迁定义的时间系统，称之为“原子时”。相比世界时而言，原子时非常稳定，符合度量衡系统恒久不变的要求，通用性也极佳，但它与天体运行彻底脱钩，反而有了弱点。我们无法从原子时推算太阳的方位，无法判断地球转到了哪个位置，无法知晓新年钟声是否该敲响了。世界时恰好相反，它的秒长虽然不稳定并且逐渐拉长，却时时刻刻反映着太阳和地球各自的方位，不仅与人们的日常生活密切相关，也在大地测量、航天器测控等领域具有重要意义。

所以，人们又引入了第三个时间系统，让它既能用到原子时稳定的秒长，又能和世界时在重要天文时刻上对齐，这个时间系统就是协调世界时（UTC）。我们可以把原子时和世界时看作两个长跑运动员，“小原”技术好，步幅均匀，从来不看对手；“小世”实力稍逊，时快时慢；而UTC能按照“小原”的步幅跑，又比较照顾“小世”，每当看到他落后时，就原地多踏一步，等着他追上来。

UTC多踏的这一步，就是闰秒。国际地球自转服务密切监视UTC和世界时的差异，一旦快要突破0.6秒，就通知大家预备闰秒，以免二者相差超过0.9秒。置闰通常在6月30日或12月31日的最后一秒进行，届时会出现23∶59∶60这样的奇特时间。

无论如何，闰秒的引入，使原子时和世界时这两种时间系统互相取长补短，以UTC的形式兼顾了时间的稳定性和实用性。但是，这种时不时需要“等一等”的机制也给一些应用领域造成了问题。

许多计算机系统各用各的方式来处理闰秒，有的在形式上与UTC保持一致，生成23∶59∶60；有的在59秒时原地踏步一秒，既不生成60也不跳到00；有的干脆回退一秒；有的什么也不做，只等未来某个时刻通过时间服务器重新对表。那么，当各种计算机系统组成网络时，闰秒就可能使它们之间的信息应答出现错乱：传递的数据包会被当成重发的数据，或者时间戳无法识别，被当成无效数据直接丢掉。尤其是分秒必争的金融市场更容易受到闰秒问题的影响，2015年6月30日插入闰秒时，洲际交易所集团（7家清算所和11家证券交易所的母公司）直接停止运营了61分钟。

闰秒让人又爱又恨，对它未来的去留和实现方式，大家提出了各种各样的构想。经过20多年的讨论，2022年在巴黎召开的第27届国际计量大会上，科学家和政府代表投票决定：从2035年开始，暂停在UTC上执行闰秒，并提议在至少一个世纪内不再执行闰秒。计量学家提出，要以更低的频率置更大的闰，并决定在2026年的会议上解决时间差异容忍度的细节问题。

然而，最近几年的地球自转变化让科学家的心情坐了一次过山车。它先是因地球深处的核幔耦合而加速，带来“莫非还没讨论细节，就要破天荒倒扣一秒（负闰秒）”的焦虑，又因为极地冰盖融化放慢地球自转，把负闰秒向后推了3年。但是大家并未因此长舒一口气，为什么呢？

毋庸置疑的是，相比闰秒带来的小麻烦，极地冰盖的融化才是真正的大麻烦甚至灾难。总之，在不断变化的地球面前，人类唯有“但尽人事，各凭天命”，在变化中寻找或创造生存机遇。我们更应该警醒的是，人类活动促成冰盖融化这件事本身，是否意味着全球变暖已经到了失控边缘？它会对海平面与洋流造成哪些后续影响，以及带来哪些气候变化？而诸多变化能否自我纠正、阻止冰盖继续融化呢？这些问题的答案，正是海洋、气候、环境等领域的科学家们努力求知的研究课题。

（作者为中国科普作家协会会员）