前兩天是世界地球日，大家都在關(guān)心環(huán)境保護。地球自轉(zhuǎn)帶來了“日”的概念，地球自轉(zhuǎn)不息，日復一日就奔流不止。地球日說地球健康，其實“時間”也跟我們地球的健康息息相關(guān)。
據(jù)媒體報道，今年3月中旬的時候，法國和意大利合建的南極考察站測得氣溫為-11.5℃，這可比往年同期平均水平要高約40℃。也就是說在往年的這個時候，氣溫應該在零下50℃以下。不尋常的氣候同樣出現(xiàn)在北極，據(jù)美國國家冰雪數(shù)據(jù)研究中心的消息稱，北極部分地區(qū)3月中旬氣溫也較往年同期平均水平高約30℃。我們都知道，南北兩極的季節(jié)是相反的，卻都同時出現(xiàn)了溫度異常升高，很不尋常。
中國國家氣候中心氣候服務首席專家周兵分析說，全球氣候變暖與人類活動導致的臭氧空洞和自然環(huán)境破壞是南北極氣溫異常的深層次原因。地球發(fā)燒，全球氣候變暖當然帶來了南北極動物的生存危機；它也可能逆轉(zhuǎn)了正閏秒的腳步。
自有記錄以來，地球平均每天有個1~2毫秒的減慢，通常2-3年就會有一次閏秒。自1958年至今，已累計進行了37次閏秒（當前UTC協(xié)調(diào)世界時UTC比TAI國際原子時慢37秒，圖1）。而距離最近一次的閏秒還是5年多以前的2017年1月1日。也就是說，近5年來地球自轉(zhuǎn)的速度一直在加快，2020年的6月19日，更是被記錄下50年來日長最短的一天（圖2）。這樣的趨勢至今并未減緩，而是有進一步變快的跡象（圖3）。
圖1：閏秒日期
圖2：2020年的日長變化
圖3：2017-2022年間UTC-TAI的變化趨勢
讀到這里，有些好奇寶寶就會問了，為什么是從1958年開始，1958年發(fā)生了什么？那是因為上世紀中期的時候物理學家們發(fā)明了原子鐘，他們發(fā)現(xiàn)在精準的原子鐘計時下，一天并非是嚴格的86400秒，而是86400秒±2毫秒。并且從更長（從數(shù)萬年至數(shù)百萬年的尺度上）的跨度來看，由于自轉(zhuǎn)角動量和自轉(zhuǎn)動量的耗散，地球自轉(zhuǎn)會持續(xù)變慢，每日的日長就會不斷變長。于是乎，在1958年1月1日0點的時候，國際原子時和天文時對齊，這一刻是兩者第一次以“閏秒”的形式相結(jié)合，產(chǎn)生了協(xié)調(diào)世界時UTC。協(xié)調(diào)世界時UTC從1972年1月開始正式成為國際標準時間，它采用的是原子時的秒長和世界時的時刻，通過閏秒的方式統(tǒng)一，使UTC時刻與UT1（基于地球自轉(zhuǎn)測量的世界時，也稱天文時）時刻始終保持在1秒范圍以內(nèi)。而由于地球自轉(zhuǎn)是一個長期變慢的過程，所以以1958年原子時和世界時第一次對齊開始計算到今天，都是采用對協(xié)調(diào)世界時增加一秒的方式，也就是正閏秒的方式，使UTC的時刻和UT1的時刻始終保持在1秒范圍內(nèi)。
地球自轉(zhuǎn)存在不均勻性，除長期減慢是個確定性的變化外，還存在一些不規(guī)則變化。比如前面提到的全球氣候變暖，南北極冰川加劇融化。如果未來反常的氣溫升高若持續(xù)下去，則地球自轉(zhuǎn)還將繼續(xù)加快。所以不排除有第一次負閏秒的出現(xiàn)，也就是采用對協(xié)調(diào)世界時減少一秒的方式使UTC和UT1的時刻差保持在一個恒定的范圍內(nèi)。因為地球自轉(zhuǎn)除了受固體成分影響外，還有地表的流體成分，如：地表水、地下水、海洋和地球大氣。角動量守恒定律和地球科學的觀測數(shù)據(jù)均表明，地球的總角動量在一定時期內(nèi)是守恒的。因此固體地球自轉(zhuǎn)的加快，則表示地球流體成分，如海洋、大氣的環(huán)流的總角動量在減小。就好比冬奧會上花樣滑冰運動員隨著音樂翩翩起舞，他們時而兩手打開伸展身姿，時而收攏身體旋轉(zhuǎn)跳躍。其實，隨著運動員身體打開，他們的轉(zhuǎn)動速度就會變慢。同樣道理，地球的自轉(zhuǎn)的速度也隨地表質(zhì)量分布的變化而變化。圖4為氣象站記錄的地表溫度100年來的歷史演化，縱軸為地理緯度，橫軸為時間，顏色代表地表溫度的變化,可以看到2000年之后，地表溫度比1910-2000年間的溫度明顯增大了。對比圖5的紅線梯度，2000年之后則出現(xiàn)了明顯的變緩趨勢。因此我們大膽和合理的猜測，地球自轉(zhuǎn)加快的現(xiàn)象和近期的地球氣候變化，極端天氣增多間存在著強關(guān)聯(lián)性。
圖4：地表溫度變化
圖5：世界時、原子時與協(xié)調(diào)世界時
由于地球自身物理結(jié)構(gòu)以及潮汐等眾多因素影響，導致地球自轉(zhuǎn)張弛無度，就像跳著華爾茲的舞娘“旋轉(zhuǎn)、跳躍、我閉著眼。白雪、夏夜，我不停歇”。表現(xiàn)在地球自轉(zhuǎn)的速率上，就是存在一些周期變化和不規(guī)則變化，并且自轉(zhuǎn)速率長期減慢。而這些氣候變化，也反映在了地球自轉(zhuǎn)上，對其的記錄，則需要我們對世界時的持續(xù)監(jiān)測。
