一直说潮汐力在减缓地球自转,为什么现在地球自转却加速了?

在宇宙中,天体的运动是非常具有规律性的,就拿地球来说,它每天都会沿着自转轴转一圈,周期大约是24小时,每一个回归年,也就是今年的春分点到下一年的春分点,周期大约是365天。

如此往复周而复始,在我们的有生之年,这样的规律是不会发生大的变化的。但是地球的自转、和公转并不是一个不变的常数,这也是为什么我要用“大约”的原因。

对于地球的自转来说,它并不是精确的24小时(86400秒),而是会出现微小的毫秒级别的波动,自上世纪60年代,人们使用原子钟精确的测量了地球自转周期以来;

我们发现地球的自转周期平均来说要比24小时多一点点,所以从1972年开始,我们会在某个时间给世界时(也就是我们的钟表)人为加上一秒钟,来保证计时与太阳日的准确性。

到目前为止,我们已经把钟表拨快了27秒,也就是人为加了27秒的时间。

对于地球公转来说,真实的回归年平均长度为365.242193天,如果我们总是采用一年365天的话,我们的日历就会和节气出现误差,因此我们有时会在2月给日历上多加一天(29天),这一月就是闰月,这一年就是闰年(366天),以保证日历的准确性。

今天我们主要说的是地球的自转周期,它为什么会出现波动?

以往我们常说,由于太阳、月球对地球的潮汐制动效应,会减少地球的自转动量,地球的自转速度会一直减小,周期一直加长。

但是2020年地球的自转却加速了,平均来说自转一圈的时间不到24小时(毫秒级别),最为明显的一天是2020年7月19日,这一天地球自转的周期比24小时短了1.4602毫秒,创下了半个世纪以来的记录。

甚至在未来的一段时间内,科学家也预测地球自转还会加速,2021年平均一天地球自转的周期将会缩短0.05毫秒。

那么地球为什么会突然加速呢?未来会一直加速下去吗?

首先我们说下,在天文学上,月球和太阳是怎样给地球制动的?

我们知道地球绕着太阳转,月球又绕着地球转,由于它们都是直径非常大的球形天体并非是一个质点,所以地球面向太阳、月球的一侧就会受到更强的引力,而发生隆起。

这种效果最强的就是月球对地球的作用,虽然月球比太阳质量小,但是月球离地球要近了很多;

我们知道月球现在已经被地球潮汐锁定了,总是一面朝向地球,其自转和公转的周期一样大约都是28天。

那么月球对地球的引力就会造成地球表面的海水发生隆起,由于地球自转的周期要比月球公转快了很多,所以月球的位置总是会滞后于地球的自转。

这样就会造成地球在自转的时候海水不停的拍打海岸、且海洋的底部与海水摩擦,导致地球的自转角动量被消耗,持续的减速。

并且地球在自转的时候还会拉扯月球,这样又会把一部分的自转角动量传递给月球的公转角动量上,最终导致地球是越转越慢,而月球公转的越来越快,目前月球正在缓慢的离开地球,速度为3.8厘米/年。

太阳的引力同样会对地球的自转产生制动效果,就像是地球把月球潮汐锁定一样。如果时间足够长,最终地球也会总是一面朝向太阳,自转周期等于公转周期。

不过太阳对地球的制动效果较弱,我们根本看不到这一天的到来,就算是太阳寿终正寝,地球也不会被太阳潮汐锁定的。

但是这个制动效果是真实存在的,且每时每刻都在进行。

平均来说,月球和太阳的潮汐作用给地球带来的制动效果非常微小,每天自转周期会延长一点点,一年累计下来一天也就增加14微秒。

但是如果时间足够长的话这个效果还是相当明显的,在大约6亿年前,当时地球自转以前所需要的时间只有22小时。

如果再往前推的话,月球地球系统诞生的时候,那是地球自转的更快,6小时一圈,转的飞起。一年将近有一千多天。

而这时月球也距离地球更近,满月在天空中非常大,甚至比太阳还要大。那个时候在地球上常常会看到更为壮观的日全食,天空更加黑暗,持续的时间也比现在的日食长很多。

总的来说,天文学上的潮汐现象在地球的历史、以及未来将持续的主导地球的自转周期。这一点毋庸置疑,未来地球肯定会转的越来越慢。到时不光是定期增加闰秒那么简单了,我们要在时钟上延长一天的时间。

但是在更小的周期内,例如数年这样的小周期,还有一些因素会影响地球的自转周期,而且这些因素会导致地球的自转加快。

在了解这些因素之前我们需要知道一件事,在角动量守恒的情况下,一个物体的自转速度怎样会加快?

这里我们可以参考下花样滑冰运动员,当他们把手臂和脚收缩起来的时候,转动的速度就会加快,这是因为质量更加集中在了旋转轴上,转动惯量就下降了,为了保证角动量不变,旋转的速度就会加快。

同样的,当他们张开手臂的时候转动的速度就会减慢,这是因为质量分布在了更远的距离上,转动惯量增加了。

所以从以上的事情中,我们就能知道地球为何转快了。有两点原因:

地球质量更加集中在了核心方向;

地球表面高处的质量,落下的低点;

这两点都很好理解,地球从形成到现在其核心一直在冷却,冷却就会收缩,大约10亿到15亿年前固态核心就形成了,未来还会一直扩大。

核心的收缩,以及引力的作用,就会导致地球地幔、地壳的物质发生沉降,运动。给我们带来的直观感受就是地震。

所以说,每发生一次地震都是地球物质沉降、重新排列的事件,每一次地震都会导致地球收缩,物质更加靠近中心,所以根据角动量守恒,地球的自转就会加速。

这是影响非常大的一个因素,短期内确实就改变地球的自转速度,例如2011年日本发生的8.9级地震,当时就导致地球自转周期变短了1.8微妙。

其次就是人类的活动导致了地面质量的重新分布,例如在两极地区的冰盖和高山上的冰川融化,都会导致地球质量分布发生变化。

南极的那一块冰盖海拔高度在2000米以上,重量为3000万亿吨,如果全部融化就会导致地球质量发生非常大的变化,导致质量更集中在中心;

近些年来随着全球变暖,冰川的融化,海平面的上升,这些变化都会给地球加速。甚至会导致地轴发生异常的摆动。

总结:

这次的地球自转加速并非天文学的原因导致的,而是地球自身的原因,未来会持续多长时间并不清楚,如果时间很长,且自转依旧加速,那么我们就需要给世界时引入一个负闰年,也就是给我们时钟减去一秒,来保证计时与地球自转保持一致。