本
文
摘
要
长期来看，地球自转趋于变慢，科学家预计再过1亿年，一天可以增加半小时；而在稍短的时间尺度内，比如未来几万年或几十万年，随着月球的潮汐力减弱等，地球自转减速则会趋缓。
8月25日，第二届中国空间科学大会在山西太原举办。会上，原子钟作为一个重要话题被提及。
作为最精确的计时工具，原子钟在人类计时史上作出了不少贡献，而在不久前，有科学家利用高精度原子钟记录了迄今最短的一个地球日。
一般来说，一个地球日约为24个小时。可是在今年的6月29日，地球自转一周的时间却比24小时少了1.59毫秒，成为原子钟计时以来最短的一天。
地球自转一周的时间缩短，意味着地球的自转加速。根据《亚洲—大洋洲地球科学学会年度会议报告》，科学家们认为此次地球的自转加速是由钱德勒摆动导致的。
那么，原子钟计时是什么原理？地球自转真的在加速吗？钱德勒摆动是如何产生的？近日，科技日报记者就这些问题采访了相关专家。
世界上最准确的计时工具
“常见的时间系统有3种，分别是以地球自转周期为基准的世界时（UT）、以地球绕太阳公转周期为基准的历书时（ET）和以铯原子内部电磁振荡频率为基准的原子时（AT）。”中国航天科技集团有限公司第五研究院510所研究员翟浩向记者介绍。
时间系统的发展，经历了从天文时发展到原子时的过程。天文时是指观测天文现象，也就是日月星辰等天体的周期性运动得到的时间，包括上面提到的世界时和历书时。原子时指的则是利用原子钟，以原子吸收或释放能量时发出的电磁波为基准得到的时间。
原子时萌芽于20世纪40年代末期，诞生于20世纪50年代初期。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，即将铯原子零场基态超精细跃迁的9192631770个周期所持续的时间定为1秒，称作原子秒，并将1958年1月1日0点0分0秒作为原子时的计时起点，从而开创了以微观量子跃迁为计时标准的新时代。
翟浩表示，原子钟常用的元素有铯、铷、氢以及碱土金属等。由于这类原子具有非常高精度的能级跃迁，因此其输出的电磁波非常稳定。一系列的精密仪器控制这些电磁波，使得原子钟的计时非常准确。典型的铯原子束频标的准确度为10-14量级，比宏观计时的天文时准确度高了数个数量级。如此准确的原子时，为天文、航海、航天等领域的发展提供了强而有力的保障。
“从工作原理看，原子钟是基于量子力学和原子物理等物理机理，利用原子跃迁原理产生稳定而准确的时间频率信号的设备。”翟浩表示，原子钟分为微波原子钟和光钟两大类，目前作为国际时间频率基准使用的铯原子喷泉钟，属于微波原子钟，其准确度已经达到很高的指标。中国计量科学研究院的铯原子喷泉基准钟NIM6的频率不确定度优于5.8×10-16，相当于5400万年不差1秒。中国科学院国家授时中心等单位的光钟也达到了国际先进水平，系统不确定度达到了5×10-17，相当于6亿年不差1秒。
世界时与地球自转关系密切，地球自转加快，则世界时加快，地球自转减慢，则世界时减慢。因此，随着时间的迁延，原子时和世界时两种时间尺度的差距将会越来越大。
目前国际通用的标准时间叫做协调世界时（UTC），它是以原子时的秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种国际时间计量系统。每当原子时和世界时两者之差逐年积累达到0.9秒时，协调世界时就通过正负1闰秒的方式弥补误差，同时保持时间尺度的均匀。
地球自转短期加快但长期减缓
当前，地球自转的平均周期是23小时56分04秒。有学者研究认为，地球刚刚诞生的时候自转速度非常快，一天仅8小时；到了恐龙时代，地球的一天已有23.5小时；而恐龙时代到现在的1亿多年时间里，地球自转的平均周期共变长约30分钟，即平均每年变长约16.4微秒。
中国科学院国家天文台研究员平劲松表示，伴随着地球的动力学演化，地球自转从几十亿年前开始就有减缓趋势。研究表明，最近的减缓速率约为每世纪2毫秒。地月引力的固体潮汐拖拽作用，减慢了地球自转。
根据原子钟的精确测量结果，今年地球越转越快，一天的时间变短了。平劲松强调，事实上，近半个世纪以来，地球自转在长期放缓的趋势下，有着短周期的起伏，即地球加速旋转。
比如，2020年出现了28个最短地球日。其中2020年7月19日，地球以24小时差1.47毫秒自转一周，创下当年的最短地球日纪录；在2022年6月29日，这一纪录被打破。
平劲松说，一个合理的解释是，温室效应加剧引发全球变暖，地球两极和高海拔地区冰川融化，全球海平面每年上升约3毫米，地球上的物质进行重新分布，导致整体绕自转轴的转动惯量减小，地球的自转加速。
在感官上，人类很难感受到地球自转速率的变化。然而，对于人类使用的各种高精度仪器和设备，这种毫秒级的变化相当重要。例如，地球自转速率和自转轴的变化，对于建立精准动态地球坐标参考系统至关重要，也决定了卫星导航、定位和定轨的精确性。
钱德勒摆动的机制是百年难题
钱德勒摆动是地球自转轴的摆动，由美国天文学家塞斯·卡洛·钱德勒于1891年通过天文观测发现，摆动幅度在地球表面为3—9米，摆动周期约14个月。
“钱德勒摆动不直接导致地球自转加速。”北京大学特聘副研究员杨翼表示，二者有一定的相关性，但是二者之间的因果性还不太明确。其实，地球系统内部的物质迁移和角动量交换，均可导致地球自转轴的位置和自转的速率发生变化。
地球是不均匀椭球体这一特征，被视为导致钱德勒摆动的原因之一。但事实上，钱德勒摆动作为地球摆动的一部分，其激发机制是地球科学界的百年难题。科学家们提出了潮汐作用、与液态地核的动量交换、大地震等机制，也会导致钱德勒摆动。此外，科学家发现钱德勒摆动的幅度，还与大气层、海洋等有关。
美国航天局喷气推进实验室的研究者曾提出，钱德勒摆动是由大气层和海洋运动耦合驱动导致的。他们的电脑模拟显示，海底的压力波动占总驱动的三分之二。但是至少到目前为止，还没有哪种运动能固定驱动钱德勒摆动。
杨翼介绍，科学家们成立了国际地球自转服务协会，其任务之一就是定期测量地球自转轴的指向，监测钱德勒摆动。由于钱德勒摆动是地球自转轴在地表的摆动，这样就会引起地球纬度的变化。国际上早在1899年成立了国际纬度观测所，长期监测纬度变化来获取钱德勒摆动信息。我国天津纬度站、上海佘山天文台等机构均参与了该国际计划。
来源： 科技日报
