5年后或出现一分钟只有59秒，地球形状改变，自转加快

近日，有媒体报道称：5年后即2029年，1分钟或只有59秒。

这一说法来自美国加州大学圣地亚哥分校科学家的一项研究，该研究被发表在《自然》杂志上。

科学家发现，由于全球气候变暖，南北极冰盖正在大规模融化，改变了地球的形状，导致地球自转减速比之前更快。这一变化可能在五年内引发全球计时危机，比如计算机通讯和电信网络造成大规模中断。

图片来源：网站截图

事实上，这样的表述并不准确，正确的表述应该为：2029年，某一个1分钟可能缩短为59秒，并且冰盖融化延后了这一天的到来。

这到底是怎么回事呢？为什么1分钟还会减少成59秒呢？时间难道不是固定不变的吗？这又会对我们的生活产生哪些影响？

我们的计时系统

尽管时间似乎是均匀流逝的，但实际上我们已经调整了几十年——每隔几年插入一个闰秒。为了更好地理解这个问题，首先需要了解下我们的计时系统。

为确定时间，我们现在常见的时间系统包括三种，分别是：

以地球自转周期为基准的世界时（Universal Time，UT1）

以地球绕太阳公转周期为基准的历书时（Ephemeris Time，ET）

以原子内部电子能级跃迁发射的电磁振荡频率为基准的原子时（International Atomic Time，法语：Temps Atomique International, TAI）

世界时（UT1）是通过将地球自转一周的时间记为一天来确定的时间标准。它基于地球相对于平太阳的角度变化来划分时间刻度。世界时在航海和导航领域，以及天体测量和天文大地测量领域中，起到了重要作用。

然而，由于地球自转的速度并不是恒定的，世界时的稳定性不足，难以完全满足现代科学研究和技术应用对极高精度时间的需求，比如天文观测和全球导航卫星系统（GNSS）。

为了满足更高精度的实际需要，科学家们引入了原子时。具体来说，原子时是通过原子钟来实现的，而原子钟利用的是原子内部电磁振荡的周期来计时，这种振荡周期非常稳定。

因此，原子时具有极高的准确度和稳定度，能够提供极其精准的时间标准，从而被广泛应用于科学研究、导航系统、通信网络等领域。

铯原子钟 图片来源：维基百科

1967年，第十三届国际计量代表大会决定将秒的定义从天文秒改为原子秒，将铯-133原子无干扰的基态超精细能级跃迁对应辐射的9192631770个周期所持续的时间定为1秒，也就是说，将铯-133原子发出的辐射振动9192631770次所持续的时间定为1秒，称作国际单位制秒。

这一决定标志着原子时的正式确立，并为后续的时间计量系统的发展奠定了基础。

值得一提的是，为了实现我们国家标准时间的自主校准，中国科学院国家授时中心以张首刚研究员为代表的科学家们长期扎根西部，甘于寂寞，攻关十余年，成功研制高稳定连续运行冷原子铯喷泉基准钟，把我国标准时间与国际标准时间的偏差从100纳秒减小到5纳秒内。

在中国科学院国家授时中心空间锶原子光钟实验室，测量仪器显示相关实验信号。新华社记者 张博文摄

一分钟为什么会变成59秒？

以地球自转为参考的世界时，一直是国际标准时间产生的重要参数之一。一天被分为24小时，1小时60分钟，一分钟60秒，世界时刻反映了地球相对于宇宙背景的转动角度，这是很重要的。

而采用原子时是一种非常准确、不变的时间定义方法，但它也带来了一个令人不安的后果：原子时与地球自转定义的世界时不太匹配。

原子时与世界时之间的差异。图片来源：文献[1]

几个世纪以来，时间测量的稳定度不断提高，使我们能够看到地球的自转速度并不恒定，这就会使原子时和世界时之间产生差异。

为了兼顾这两种需要，便引入了协调世界时（Coordinated Universal Time, UTC）系统。当国际原子时与世界时的时刻相差达到0.9秒时，就需要对协调世界时（UTC）进行调整，即增加或减少1秒，以尽量接近世界时，这就是所谓的闰秒（负闰秒，最后一分钟为59秒；正闰秒，最后一分钟为61秒）。这种添加闰秒的世界时就是协调世界时，也称世界标准时间，是目前使用最广泛的时间系统。

自1972年UTC正式使用至今以来，地球自转一直处于不断减慢的趋势，协调世界时已经添加了27个闰秒，均为正闰秒。然而，自2020年年中以来，地球自转速率呈现加快趋势。

因此科学家估计，在2029年，人类可能就需要首次减少1秒为“负闰秒”，对应的1分钟只有59秒，来保持原子钟时间与地球自转周期的同步。

地球自转速度为何不恒定？

在千年的时间尺度上，地球自转速度的变化受三个地球物理过程的影响。

首先，海水和海底之间的摩擦会逐渐消耗地球自转的动能，从而减缓地球的自转速度，这就是所谓的潮汐效应。

其次，由于冰期后回弹，地球形状会发生变化，变得更为扁平，使地球的惯性矩发生变化，降低了其自转速度。这类似于滑冰运动员在旋转时将手臂向身体两侧平伸以减速旋转的原理。

最后，地球内部的一些过程，即地核和其外层（地幔、地壳）之间的相互作用和相互影响，例如地磁场变化和地幔对流，也会导致地球自转速度产生变化。

根据美国国家航空航天局（NASA）和国际地球自转和参考系统服务（IERS）的数据，地球的自转速度确实在缓慢减慢。研究表明，地球自转周期每个世纪增加大约1.8毫秒。虽然这个变化看似微小，但在长时间尺度上，其累积效应却非常显著。

例如，古代天文学家记录的日食时间与我们今天计算的时间存在显著差异。2500年前（大约春秋战国时期）观测到的日食时间与现代时钟相比，时钟误差约为4小时。

原本，科学家预计由于这些地球物理过程的作用，地球自转速度的减缓将使得首个“负闰秒”在2026年到来。

然而，卫星测量数据显示，从1986年开始，随着全球气候变暖加剧，格陵兰和南极的冰盖正在加速融化。这一现象导致海平面加速上升，进一步减缓了地球自转速度。由于冰盖融化和海平面上升的双重效应，地球的惯性矩增加，自转速度变得更慢，从而推迟了负闰秒的到来。

极地冰层融化并向赤道移动，减缓了地球的自转速度。图片来源：文献[3]

闰秒会带来什么影响？

闰秒通常在世界协调时（UTC）6月30日或12月31日的23:59:60实施。闰秒的调整对日常生活的直接影响较小，人们往往感受不到闰秒所带来的变化。

但对依赖精确时间同步的技术系统和应用领域，如计算机、金融、航空航天等领域，闰秒却有重要影响。

例如，闰秒的加入或删除需要全球同步，对计算机系统的时间管理提出了挑战。

2012年，多个大型网站就因为时间同步错误，导致服务器崩溃，出现了短暂的服务中断。2015年，闰秒再度来临时，工程师们修复了部分2012年出现的问题，但发现了新的问题。又如，每次闰秒调整，GNSS系统需要更新时间数据，以保证授时精度。如果未能及时调整，可能导致导航电文的不准确。

与传统的增加一秒的闰秒不同，史无前例的负闰秒将会给许多依赖精确时间同步的系统带来新的挑战和不确定性。计算机和网络系统、金融系统等等往往已经设计好如何处理增加的正闰秒，但对如何处理减少的负闰秒则可能缺乏足够的准备。科学家们正在呼吁各界共同努力，为负闰秒的实施做好充分准备，以确保全球技术系统的稳定和安全。

尽管闰秒的初衷是保持UTC与地球自转时间UT1同步，但闰秒的调整，特别是潜在的负闰秒，正不断增加时间同步系统的复杂性。有人提议实施幅度更大的校正，如闰分、闰时，以将调整时间延长至百年、千年；也有人建议停止校正，同时公布世界时和国际原子时之间不断增长的时刻差。

2022年第27届国际计量大会决定，最迟不晚于2035年废除闰秒，改为闰分，即允许国际原子时与世界时的时刻相差在1分钟以内。并要求各方协商提出一个可以将“协调世界时”持续至少百年的新方案。

随着科技的发展，新的时间同步技术会不断涌现，例如更精准的光钟和更加智能的网络时间协议，都可能为解决闰秒问题提供新的途径。

参考文献

[1] Tavella, Patrizia, and Jerry X. Mitrovica. "Melting ice solves leap-second problem—for now." (2024).

[2]Agnew, Duncan Carr. "A global timekeeping problem postponed by global warming." Nature 628.8007 (2024): 333-336.

[3] Gibney, Elizabeth. "Climate change has slowed Earth’s rotation—and could affect how we keep time." Nature 628.8007 (2024): 243-244.