如何证明地球自转（地球的自转速度）

7月底，多家媒体发布了“地球开始转得更快——科学家不知道为什么”这样的头条新闻。到 8 月的第一周结束时，这个话题已经传到了网络上讲俄语的部分。事实上，这条新闻尽管没有负面影响，却展示了现代（不仅是科普）新闻业的主要缺陷。我们讲述了我们星球的自转速度实际上是如何变化的，这种振荡的原因有多清楚，以及为什么科学家们永远无法确定（这是正常的）。

Electro-L No. 2 (GOMS-3) 拍摄的动画

事实上，负责监测这种自转的国际地球自转服务 ( IERS ) 报告称，6 月 29 日是有记录以来最短的一天。与“正常”24 小时的偏差为 1.59 毫秒。由于数据分析是一个漫长的过程，其结果直到 7 月底才公布。此外，何时才能以可接受的准确度确定这一特殊异常的原因仍然是未知数。最有可能的是，这不会早于明年发生，尽管已经有了初步的合理假设。尽管如此，媒体还是设法“平息”了这条新闻，相当夸张。

按时间顺序追踪谁发布了一系列情感出版物并不容易，IERS 尚未在其网站上发布报告，许多出版物都收到了新闻稿。TimeAndDate门户网站发布了最早的相关新闻之一。我们必须向我们的同事致敬——他们没有沉迷于点击诱饵，但他们描述了地球自转速度波动的主要原因。诚然，这篇文章的作者不能没有危言耸听：尽管 6 月 29 日的持续时间与一天的“正常”长度（1.59 毫秒）的偏差非常小，但这被称为添加“飞跃”的可能原因未来的第二个。这种措施威胁到世界各地计算机系统的严重问题。

可能是地球自转速度变化原因的不确定性、关于下一个“ 2000 年问题”的恐怖故事以及轻微的世界末日感吸引了其他出版物的记者。从七月的最后几天开始，像漏了袋子里的豌豆一样，标题不同程度“泛黄”的刊物纷纷倒下。据独立报报道，从副主板地球自转的“神秘”加速到这一现象的“灾难性”后果. 当然，您可以在此新闻中找到与现实更遥远的头条新闻，但即使是相当权威的出版物也让我们感到惊讶——它们或多或少可靠地描述了文本本身的情况，这很好。然而，最令人失望的是许多俄语出版物，其中几乎没有人知道最短一天的原因，几乎相同的消息。

一点物理参考

为了使下面描述的物理过程更易于理解，您需要牢记两个守恒定律：动量和角动量（英文维基百科页面的信息和说明性更强：分别为1和2）。动量是质量和速度的乘积，它是物体运动的量度（重要的是：它是一个向量）。角动量，也称为角动量，是旋转体及其系统的类似特征。守恒定律说，在封闭系统中，所有动量之和（以及旋转体的角动量）不变。如果两个物体发生碰撞，它们的动量会重新分布，但矢量和保持不变。

说明动量守恒定律的最简单方法如下：质量为 100 公斤（含燃料）的火箭，同时在真空中以每秒 1000 米的速度从发动机中喷出 20 公斤燃料，将以每秒 250 米的速度（20 × 1000 = 80 × 250）向相反方向飞行。实际应用需要更复杂的公式（Tsiolkovsky），它考虑了发动机的效率和燃料消耗时火箭质量变化的平滑度，但即使是这个理想化的例子也很清楚。当两个物体发生碰撞时，力学几乎不会改变。如果我们抛开变形的问题，那么 20 公斤的燃料可能是一个质量相同的球，以每秒一公里的速度飞行。它击中一颗重达80公斤的静止火箭后，会以每秒250米的速度同向飞行，球就会停止。

不均匀旋转的地球核心的可视化 / © John Vidale, Wei Wang, Edward Sotelo,

巨大的分层上衣并不孤单

原行星盘最初旋转的原因和方向，我们现在不考虑。最主要的是，正在形成的地球从落在它上面的每一粒沙子中获得了一个小的角动量，更不用说更大的物体了。正因为如此，它也开始旋转，已经绕着它的轴心旋转，而且这个速度逐渐增加。在天体的各种自然轰炸结束后，我们星球的自转速度应该保持不变。

但地球不是一个静态的整体物体。它有一个核心（具有两个不同密度的区域）、一个地幔（也由两个不同密度的层组成）和一个地壳。而在地表 - 水圈，即海洋、河流、湖泊和冰川。更高的是气氛。这些介质中的每一种都在各种物理过程的影响下不断变化，从对流到引力影响。说到后者，地球还有一颗巨大的天然卫星——月球。

简单地说，即使不考虑来自其他行星和太阳的外部干扰，地球也无法以连续的角速度自转。这表现在一天的长度（表示为LOD）在很长一段时间内不断减少并在相对较短的时间段内波动。

LOD取决于什么...

任何朝向或远离地球自转轴的质量运动都会影响一天的长度。丰富的降水加速了地球的自转，在炎热时期水分的活跃蒸发减慢了它的速度。看起来这些过程应该相互平衡，但这只会在长期内发生。在天甚至月的尺度上，地球不同地区的气候过程以不同的速度发生，并且在半球之间，季节的表现也存在差异。这部分是由于地轴的倾斜，部分是由于它围绕太阳的轨道的椭圆度（轨道不是圆形，而是椭圆形）。

今天改变我们星球的自转速度有两个最有影响力的原因。上面已经提到的月球，由于与地球的引力相互作用，不断地“窃取”它的角动量。这个过程很慢，但持续不断，每个世纪“花费”我们大约 2.3 毫秒。正因为如此，例如，6 亿年前，LOD只有 21 小时。此外，还有一个有充分根据的假设，根据该假设，由于地球大气和肠道中的共振过程，这样的白天长度可以维持很长时间（整个前寒武纪时期）。

第二个原因——大约一万五千年前冰川融化的后果——产生了相反的效果，加速了地球的自转。大量的冰冻水变成了液体，并均匀地分布在整个水圈中。而那些先前承受这种负荷的表面部分开始在没有负荷的情况下上升。这个过程被称为glaciioisostasia，它仍在进行中。在全球范围内，这个过程最容易想象为一个略微扁平的球返回到球形。当然，这颗行星并没有停止成为大地水准面（在靠近赤道的地方“增厚”），但致密的地壳在所有纬度都变得更靠近自转轴。

除了动量和角动量的交换外，普通摩擦还负责改变地球自转的速度。如果大气主要向东移动，那么它会加速地球，如果它向西移动，它会减慢它的速度。

…以及它是如何振荡的

鉴于影响一天长度的因素如此之多，其扰动是多种多样的。在上个世纪，平均LOD增加了 1.7 毫秒。上述由于月球引起的潮汐阻力（2.3 毫秒）的差异可以通过冰川停滞和其他相对短期或周期性的过程来解释。

因此，最近出现了对地核自转振荡的长期观测结果。它们的周期为 5.8 年，因此，大约每六年，一天的长度增加或减少 0.2 秒。此外，在 2016 年的一篇科学论文中，来自英国的科学家总结了地球自转速度的历史数据。他们设法确定了至少两个持续约 30 年和约一千年半的周期。他们的原因尚未确定。

请注意，过去的LOD是根据日食的证据以相当高的准确度确定的，以及那些生命活动严格取决于光照的昼夜变化的动植物物种的化石遗骸。

所以我们来到了时间计算的问题。并且间接地 - 与近年来地球自转加速相关的可能问题。

如此不同的秒

从孩提时代起，我们就学会将时间视为一系列清晰的片段：365 天、24 小时、60 分钟、60 秒。事实证明，一天只有 86,400 秒。这只是本月的每第四个二月获得一个“额外”的日子——第一次提醒天文年份与日历不一致。每天都会发现类似的情况：当人们学会高精度地测量时间时，结果发现每一天的持续时间都与之前的略有不同。肉眼看不到差异，但它就在那里。这并不意味着每天的时间流逝略有不同，只是我们星球的自转速度不是恒定的。

国际计量局 (BIPM) 在 1967 年将参考秒定义为“相当于 9,192,631,770 个辐射周期，对应于铯 133 原子基态的两个超精细能级之间的跃迁”。图为美国国家标准与技术研究院员工与 NIST-F2 合作，这是一种铯喷泉原子钟，是美国的主要时间和频率标准 。

到了 19 世纪，太阳日的不均匀持续时间对天文学家来说已经很明显了。随着原子钟的出现，可以以前所未有的精度对其进行测量。国际地球自转服务监测一天的实际长度，并根据统计数据预测未来六个月内是否需要调整时钟。这可以创建闰秒或闰秒，协调世界时 ( UTC ) 与平均太阳时 ( UT1 ) 一致。

这两个时间标准在历史上已经发展并用于生活的不同领域。大多数人甚至没有想过他们住的是哪一个。然而，当需要高测量精度时（例如科学目的、交易、数据同步），就会出现问题。我们无法根据一天的长度波动来改变“精确”秒的长度（由国际计量局定义，C 系统中的秒）。这意味着协调时间迟早会与可观测的——太阳时间“分散”。

就其本身而言，额外的协调秒数已经存在问题 - 无法提前对其进行编程，因为它们是基于当前对地球自转速度的观察而引入的。因此，在全球范围内，所有时间敏感系统的相关官僚机构和实施都是昂贵的。而且，到目前为止，没有秒被带走，只是增加了。并且并不总是可以预测与前所未有的减法相关的影响。理论上可能不会有什么困难，但没人会保证。因此，与减去闰秒相关的可能问题是可怕的。

而不是一个结论

地球自转速度的变化是一个众所周知的过程，人们对此进行了积极的研究，并且总体上是可以理解的。不幸的是，这个问题与人类生活的实际领域直接相关：时间的测量。因此，它不仅具有学术兴趣。无论如何，“科学家不知道地球为什么在加速”的说法是不正确的。

六月异常最可能的解释是一种称为钱德勒摆动的现象。我们将在亚洲-海洋地球科学学会 ( AOGS )第 19 次会议结束时了解更多信息。作为活动的一部分，计划展示一部尚未出版的作品，揭示该主题。顺便说一句，它的作者中有我们的同胞列昂尼德佐托夫。

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科学方法并不意味着绝对的知识，因此科学家永远无法确定任何事情。是的，究竟是什么导致 2022 年 6 月 29 日缩短了 1.59 毫秒尚不完全清楚。但是有几个假设可以解释这种异常，它们只需要进行测试。世界各地的研究人员正在做什么。如果钱德勒犹豫的版本得到证实（或至少有强有力的论据支持它），那么就没有必要减去秒数了。这种现象是周期性的，很明显，在过去的几十年里，它已经陷入与其他过程的不稳定共振，它会尽快退出。