身边的天文学
今年年初，来自中国科学院国家授时中心、英国国家物理实验室时间频率组等机构的研究人员表示，从2020年的年中以来，地球的自转速率呈加快的趋势。我们知道，地球自转会逐渐变慢，怎么突然变快了呢？难道说地球也想让2020年快点过去，早些进入2021年？
潮汐使地球自转变慢
地球为什么会有自转？在太阳系形成之初，新生的太阳周围围绕着旋转的气体和尘埃盘。尘埃微粒最开始因摩擦起电而聚集成团，后来又在引力作用下，通过碰撞吸积而增大，这个碰撞的过程，使行星产生了自转。对珊瑚化石生长线的研究表明，在远古地质年代，地球自转速率比现在更快。3.2亿—4亿年前的泥盆纪，当时的1年差不多是400天；6500万年前，1年约为376天。并没有证据表明年长（和地球的公转周期相关）会发生大的变化，因此天数的减少表明在遥远的过去，地球自转得更快。此外，日长由寒武纪时的不足21小时，逐渐增加到了现在的24小时。
导致地球自转变慢的因素是潮汐，它是由于月亮、太阳对地球的引潮力造成的。月亮引发的潮汐要比太阳显著得多。古人很早就发现，第二天涨潮的时间比前一天平均要推迟大约50分钟，这正是每天月亮升起推迟的时间。东汉王充在《论衡》中曾指出：“涛之起也，随月盛衰，大小满损不齐同。”
潮汐传播的方向为自东向西，与地球自转方向相反。它会引起海水和浅海海底摩擦，也引发地球内部固体物质的内摩擦。摩擦产生热量并散发出去，消耗了地球自转的动能，就像给地球踩了“刹车”一样，使得自转逐渐减慢。日长每过100年大约增长0.00164秒，而且这一趋势仍在继续。由于地月系统的角动量守恒，在地球自转变慢的同时，地月距离正以每年3.8厘米的速率递增。
什么使地球自转变快
除了极长时间尺度上的变慢趋势以外，在19世纪20年代，人们发现地球自转还存在短期的不规则变化，时快时慢，一年当中日长的变化幅度可以达到2毫秒。这种变化的原因目前还没有定论，可能来自地幔与地核之间的角动量交换或海平面变化等因素，以及由太阳风力矩或与地磁场耦合等因素引起。
按照角动量守恒定律，地球的自转角动量基本上是不变的。所以如果地球的质量分布发生变化，就可能改变它的自转速率。以花样滑冰来做类比：当冰面上张开手臂旋转着的运动员把手臂缩回时，她的旋转速度会加快。地球也一样，当物质向更中心聚集时，自转就会变快。例如地震通常会使得大量物质沉积到地下更深处，2011年日本沿海发生9级地震，使日本本州岛向东移动了大约2.4米，并使得日长缩短了1.8微秒。
从2020年的年中开始，地球自转正在加快，一天的时长经常短于86400秒。2020年7月19日这天短了1.4602毫秒——这是有记录以来最短的一天。地球可能正在经历时间跨度为几年到几十年的不规则变化，这些变化或许是地表质量分布的变化引起的。以冰川和冰盖的融化为例，南极冰盖是地球上最大的单体冰块，含有约3000万立方千米的冰，重量大约3万万亿吨，海拔大约在2400米—2700米。当冰盖融化进入海洋时，地球的质量就进行了重新分配，物质相比于之前更靠近中心，地球自转就会变快一点儿。当然，这个影响是非常微弱的，不会改变自转长期变慢的趋势。
会不会引发负闰秒
日常生活中，我们手机、手表等使用的时间，叫做“协调世界时”（UTC）。它的秒长来源于原子时，指位于海平面上的铯133原子基态的两个超精细能级间在零磁场中跃迁振荡9192631770个周期所持续的时间为1秒。原子时由原子钟产生，是目前为止最均匀的计时系统。现在的锶原子光晶格钟，稳定度已达10-18的量级，相当于160亿年不差一秒！
尽管以地球自转为基础的天文时间（也就是世界时）不如原子时均匀，但我们在导航定位、天文测量和深空探测等各个领域以及日常生活中，还是离不开天文时间。所以天文台在用原子钟保持原子时的同时，还在不断地通过天文观测确定世界时。当它们的时差预测值超过0.9秒时，就在国际原子时中插入1个闰秒，以使二者一致。这个时间系统就是协调世界时。可以这么理解，我们的钟表时间，在宏观上是天文时，在微观上是原子时。秒针以原子时的频率跳动，却必须时刻不离天文时左右。这样协调的意义在于，两种时间的差距始终不会超过1秒，可以使人们的作息与自然节律步调一致。
根据中国科学院国家授时中心窦忠研究员的统计，从1958年1月1日以来，协调世界时相对于国际原子时慢了37秒。从1972年协调世界时诞生以来，一共实施了27次闰秒，而且都是“正闰秒”——增加1秒。也就是说，近50年间，地球自转速率一直在减慢。
这次地球自转变快会不会导致史上第一次“负闰秒”？还要看这个过程会不会持续。尽管从2020年年中开始，地球自转比此前略快了一些，而且变快的幅度和持续时间比以往都更大，但截至2020年12月6日，协调世界时仍然比原子时慢了大约200毫秒。而“负闰秒”要求它比原子时快将近900毫秒时才可能实施，可见现在下结论还言之过早。2021年1月7日，国际地球自转服务组织（IERS）发布第61期C公报，称在2021年6月底不会产生“闰秒”。未来究竟会不会发生负闰秒呢？我们拭目以待。
（作者李鉴 系北京天文馆副研究员 ）
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