人類經(jīng)歷原子鐘計時以來最短一天 地球自轉(zhuǎn)為何也在“趕時間”?
長期來看,地球自轉(zhuǎn)趨于變慢,科學家預(yù)計再過1億年,一天可以增加半小時;而在稍短的時間尺度內(nèi),比如未來幾萬年或幾十萬年,隨著月球的潮汐力減弱等,地球自轉(zhuǎn)減速則會趨緩。
8月25日,第二屆中國空間科學大會在山西太原舉辦。會上,原子鐘作為一個重要話題被提及。
作為最精確的計時工具,原子鐘在人類計時史上作出了不少貢獻,而在不久前,有科學家利用高精度原子鐘記錄了迄今最短的一個地球日。
一般來說,一個地球日約為24個小時??墒窃诮衲甑?月29日,地球自轉(zhuǎn)一周的時間卻比24小時少了1.59毫秒,成為原子鐘計時以來最短的一天。
地球自轉(zhuǎn)一周的時間縮短,意味著地球的自轉(zhuǎn)加速。根據(jù)《亞洲—大洋洲地球科學學會年度會議報告》,科學家們認為此次地球的自轉(zhuǎn)加速是由錢德勒擺動導(dǎo)致的。
那么,原子鐘計時是什么原理?地球自轉(zhuǎn)真的在加速嗎?錢德勒擺動是如何產(chǎn)生的?近日,科技日報記者就這些問題采訪了相關(guān)專家。
世界上最準確的計時工具
“常見的時間系統(tǒng)有3種,分別是以地球自轉(zhuǎn)周期為基準的世界時(UT)、以地球繞太陽公轉(zhuǎn)周期為基準的歷書時(ET)和以銫原子內(nèi)部電磁振蕩頻率為基準的原子時(AT)?!敝袊教炜萍技瘓F有限公司第五研究院510所研究員翟浩向記者介紹。
時間系統(tǒng)的發(fā)展,經(jīng)歷了從天文時發(fā)展到原子時的過程。天文時是指觀測天文現(xiàn)象,也就是日月星辰等天體的周期性運動得到的時間,包括上面提到的世界時和歷書時。原子時指的則是利用原子鐘,以原子吸收或釋放能量時發(fā)出的電磁波為基準得到的時間。
原子時萌芽于20世紀40年代末期,誕生于20世紀50年代初期。1967年,第十三屆國際計量代表大會決定,將秒的定義從天文秒改為原子秒,即將銫原子零場基態(tài)超精細躍遷的9192631770個周期所持續(xù)的時間定為1秒,稱作原子秒,并將1958年1月1日0點0分0秒作為原子時的計時起點,從而開創(chuàng)了以微觀量子躍遷為計時標準的新時代。
翟浩表示,原子鐘常用的元素有銫、銣、氫以及堿土金屬等。由于這類原子具有非常高精度的能級躍遷,因此其輸出的電磁波非常穩(wěn)定。一系列的精密儀器控制這些電磁波,使得原子鐘的計時非常準確。典型的銫原子束頻標的準確度為10-14量級,比宏觀計時的天文時準確度高了數(shù)個數(shù)量級。如此準確的原子時,為天文、航海、航天等領(lǐng)域的發(fā)展提供了強而有力的保障。
“從工作原理看,原子鐘是基于量子力學和原子物理等物理機理,利用原子躍遷原理產(chǎn)生穩(wěn)定而準確的時間頻率信號的設(shè)備?!钡院票硎?,原子鐘分為微波原子鐘和光鐘兩大類,目前作為國際時間頻率基準使用的銫原子噴泉鐘,屬于微波原子鐘,其準確度已經(jīng)達到很高的指標。中國計量科學研究院的銫原子噴泉基準鐘NIM6的頻率不確定度優(yōu)于5.8×10-16,相當于5400萬年不差1秒。中國科學院國家授時中心等單位的光鐘也達到了國際先進水平,系統(tǒng)不確定度達到了5×10-17,相當于6億年不差1秒。
世界時與地球自轉(zhuǎn)關(guān)系密切,地球自轉(zhuǎn)加快,則世界時加快,地球自轉(zhuǎn)減慢,則世界時減慢。因此,隨著時間的遷延,原子時和世界時兩種時間尺度的差距將會越來越大。
目前國際通用的標準時間叫做協(xié)調(diào)世界時(UTC),它是以原子時的秒長為基礎(chǔ),在時刻上盡量接近于世界時的一種國際時間計量系統(tǒng)。每當原子時和世界時兩者之差逐年積累達到0.9秒時,協(xié)調(diào)世界時就通過正負1閏秒的方式彌補誤差,同時保持時間尺度的均勻。
地球自轉(zhuǎn)短期加快但長期減緩
當前,地球自轉(zhuǎn)的平均周期是23小時56分04秒。有學者研究認為,地球剛剛誕生的時候自轉(zhuǎn)速度非常快,一天僅8小時;到了恐龍時代,地球的一天已有23.5小時;而恐龍時代到現(xiàn)在的1億多年時間里,地球自轉(zhuǎn)的平均周期共變長約30分鐘,即平均每年變長約16.4微秒。
中國科學院國家天文臺研究員平勁松表示,伴隨著地球的動力學演化,地球自轉(zhuǎn)從幾十億年前開始就有減緩趨勢。研究表明,最近的減緩速率約為每世紀2毫秒。地月引力的固體潮汐拖拽作用,減慢了地球自轉(zhuǎn)。
根據(jù)原子鐘的精確測量結(jié)果,今年地球越轉(zhuǎn)越快,一天的時間變短了。平勁松強調(diào),事實上,近半個世紀以來,地球自轉(zhuǎn)在長期放緩的趨勢下,有著短周期的起伏,即地球加速旋轉(zhuǎn)。
比如,2020年出現(xiàn)了28個最短地球日。其中2020年7月19日,地球以24小時差1.47毫秒自轉(zhuǎn)一周,創(chuàng)下當年的最短地球日紀錄;在2022年6月29日,這一紀錄被打破。
平勁松說,一個合理的解釋是,溫室效應(yīng)加劇引發(fā)全球變暖,地球兩極和高海拔地區(qū)冰川融化,全球海平面每年上升約3毫米,地球上的物質(zhì)進行重新分布,導(dǎo)致整體繞自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量減小,地球的自轉(zhuǎn)加速。
在感官上,人類很難感受到地球自轉(zhuǎn)速率的變化。然而,對于人類使用的各種高精度儀器和設(shè)備,這種毫秒級的變化相當重要。例如,地球自轉(zhuǎn)速率和自轉(zhuǎn)軸的變化,對于建立精準動態(tài)地球坐標參考系統(tǒng)至關(guān)重要,也決定了衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和定軌的精確性。
長期來看,地球自轉(zhuǎn)趨于變慢,科學家預(yù)計再過1億年,一天可以增加半小時;而在稍短的時間尺度內(nèi),比如未來幾萬年或幾十萬年,隨著月球的潮汐力減弱等,地球自轉(zhuǎn)減速則會趨緩。
錢德勒擺動的機制是百年難題
錢德勒擺動是地球自轉(zhuǎn)軸的擺動,由美國天文學家塞斯·卡洛·錢德勒于1891年通過天文觀測發(fā)現(xiàn),擺動幅度在地球表面為3—9米,擺動周期約14個月。
“錢德勒擺動不直接導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)加速?!北本┐髮W特聘副研究員楊翼表示,二者有一定的相關(guān)性,但是二者之間的因果性還不太明確。其實,地球系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)遷移和角動量交換,均可導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)軸的位置和自轉(zhuǎn)的速率發(fā)生變化。
地球是不均勻橢球體這一特征,被視為導(dǎo)致錢德勒擺動的原因之一。但事實上,錢德勒擺動作為地球擺動的一部分,其激發(fā)機制是地球科學界的百年難題??茖W家們提出了潮汐作用、與液態(tài)地核的動量交換、大地震等機制,也會導(dǎo)致錢德勒擺動。此外,科學家發(fā)現(xiàn)錢德勒擺動的幅度,還與大氣層、海洋等有關(guān)。
美國航天局噴氣推進實驗室的研究者曾提出,錢德勒擺動是由大氣層和海洋運動耦合驅(qū)動導(dǎo)致的。他們的電腦模擬顯示,海底的壓力波動占總驅(qū)動的三分之二。但是至少到目前為止,還沒有哪種運動能固定驅(qū)動錢德勒擺動。
楊翼介紹,科學家們成立了國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)協(xié)會,其任務(wù)之一就是定期測量地球自轉(zhuǎn)軸的指向,監(jiān)測錢德勒擺動。由于錢德勒擺動是地球自轉(zhuǎn)軸在地表的擺動,這樣就會引起地球緯度的變化。國際上早在1899年成立了國際緯度觀測所,長期監(jiān)測緯度變化來獲取錢德勒擺動信息。我國天津緯度站、上海佘山天文臺等機構(gòu)均參與了該國際計劃。
本報記者 唐 芳
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