融化的冰蓋正在減緩地球的自轉(zhuǎn)速度，氣候變化可能會(huì)改變?nèi)祟?lèi)的計(jì)時(shí)方式。世界著名科學(xué)雜志《自然》（《Nature》）日前發(fā)表的一項(xiàng)研究預(yù)測(cè)，冰蓋的融化正在減緩地球的自轉(zhuǎn)速度，以至于下一個(gè)閏秒將被推遲3年。

地球自轉(zhuǎn)速度為什么會(huì)受到氣候變化等因素影響？它的減緩會(huì)給人類(lèi)造成什么影響？今天我們就來(lái)聊聊這些話(huà)題。

1 地球自轉(zhuǎn)速度一直身不由己

如果問(wèn)地球上的一天有多長(zhǎng)，相信很多人都會(huì)不假思索地回答：24小時(shí)！事實(shí)上，這個(gè)答案曾經(jīng)對(duì)過(guò)，但現(xiàn)在不太對(duì)了；或者說(shuō)在天文學(xué)上對(duì)，但在物理學(xué)上不對(duì)。究其原因，是因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)并不穩(wěn)定。

太陽(yáng)系所有的行星都在自轉(zhuǎn)，這是從原行星盤(pán)收縮時(shí)繼承來(lái)的旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量。除了金星和天王星這兩個(gè)特例之外，所有行星的自轉(zhuǎn)方向都和公轉(zhuǎn)方向基本一致。

在許久以前，地球自轉(zhuǎn)的速度要比現(xiàn)在快不少。科學(xué)家找出的一個(gè)有力證據(jù)就是單體珊瑚，這種小動(dòng)物分泌石灰質(zhì)的能力和太陽(yáng)光的強(qiáng)弱有關(guān)，所以每個(gè)晝夜都會(huì)在外壁上形成一道環(huán)紋，再加上冬夏兩季的陽(yáng)光有明顯的強(qiáng)弱差異，珊瑚的粗細(xì)會(huì)隨季節(jié)起伏形成一個(gè)個(gè)體節(jié)。科學(xué)家認(rèn)真數(shù)了距今3.7億年左右的單體珊瑚每節(jié)的環(huán)紋數(shù)目，發(fā)現(xiàn)是390多條，說(shuō)明那時(shí)的地球每年有390多天，對(duì)應(yīng)的自轉(zhuǎn)周期為22.5小時(shí)。

在地球還不存在珊瑚這種多細(xì)胞生物的時(shí)候，沙土沉積而成的巖石也在默默記錄著晝夜時(shí)長(zhǎng)。這種沉積巖也叫韻律巖，它會(huì)表現(xiàn)出季節(jié)差異和潮汐造成的晝夜變化。通過(guò)考察14億年前的韻律巖，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)那時(shí)的一天只有18.7小時(shí)。

放眼太陽(yáng)系，幾顆巨行星的自轉(zhuǎn)都相當(dāng)穩(wěn)定，而地球或更小一些天體的自轉(zhuǎn)，都或多或少被觀(guān)測(cè)到身不由己的變化波動(dòng)，有的體現(xiàn)在轉(zhuǎn)速上，有的體現(xiàn)在傾角上。

2 冰蓋融化為何導(dǎo)致自轉(zhuǎn)減緩

地球自轉(zhuǎn)速度不穩(wěn)定有外界因素，也有內(nèi)在原因。外界因素比較直觀(guān)，就是被別的天體“打擾”了。

地球身邊有個(gè)月球，它通過(guò)潮汐作用施加外界影響，使地球表面的海水甚至巖石隆起，并拖曳這個(gè)隆起，這是地球自轉(zhuǎn)出現(xiàn)減緩的主要原因。但比起地球來(lái)，月球?qū)嵲谔×耍偷厍?ldquo;掰”了幾十億年手腕，最終自己先敗下陣來(lái)，自轉(zhuǎn)周期變得跟公轉(zhuǎn)周期一樣慢，始終只把一面對(duì)著地球，于是形成了“潮汐鎖定”。其實(shí)在太陽(yáng)系里，絕大多數(shù)衛(wèi)星都被自己的主星潮汐鎖定了，更有甚者，冥王星和冥衛(wèi)一因?yàn)閭€(gè)頭差別不大而相互鎖定，你瞧著我，我瞧著你，跳著永不止歇的圓舞曲。

影響地球自轉(zhuǎn)速度的內(nèi)在原因涉及地球自身的質(zhì)量分配，比如大氣活動(dòng)。地球大氣層不僅有風(fēng)場(chǎng)的季節(jié)變化，還有蒸騰-降水的水循環(huán)，這些微小的質(zhì)量轉(zhuǎn)移，可為地球的日長(zhǎng)波動(dòng)貢獻(xiàn)0.34毫秒的振幅。這種振幅能做什么呢？對(duì)于地球而言，它給自轉(zhuǎn)帶來(lái)的變化可能難以察覺(jué)。但較大的振幅就不一樣了，一個(gè)極端的例子就是金星。這個(gè)星球上有濃密的大氣逆著金星的自轉(zhuǎn)方向吹拂，最高可達(dá)金星自轉(zhuǎn)速度的60倍。這個(gè)力量不容小覷，在麥哲倫號(hào)和金星快車(chē)號(hào)相隔16年的探訪(fǎng)期間，金星的自轉(zhuǎn)周期（約243個(gè)地球日）慢了6.5分鐘。

此次，《自然》發(fā)表的研究中提到冰蓋融化正在減緩地球自轉(zhuǎn)速度，其實(shí)也是地球自身質(zhì)量分配帶來(lái)的一種影響。地球冰蓋的累積和消失會(huì)造成質(zhì)量再分配，從而左右地球的轉(zhuǎn)速，但有時(shí)會(huì)加快，有時(shí)會(huì)減緩，視具體情況而定。當(dāng)冰期終結(jié)時(shí)，巨大的冰負(fù)荷漸漸散去，會(huì)使其下的地殼隆升或回彈。這一過(guò)程在極地表現(xiàn)得更為明顯，極地隆起可以使地球變得更圓，質(zhì)量向軸心收縮，從而加速自轉(zhuǎn)；如果冰蓋繼續(xù)融化，更多海水會(huì)被地球自轉(zhuǎn)“甩”到赤道附近，使質(zhì)量離開(kāi)軸心，就像跳水運(yùn)動(dòng)員接近水面時(shí)打開(kāi)身體一樣，地球自轉(zhuǎn)速度又將放緩。

雖然科學(xué)家還沒(méi)有完全搞清楚以上因素在擾亂地球自轉(zhuǎn)上分別做了多大“貢獻(xiàn)”，但總體效果是可見(jiàn)的：根據(jù)已有的觀(guān)測(cè)，每過(guò)一個(gè)世紀(jì)，一天的時(shí)長(zhǎng)就會(huì)多出1.4-1.7毫秒。

3 地軸會(huì)不停偏移直到“弄丟”四季嗎

除了自轉(zhuǎn)速度不穩(wěn)定之外，地球的地軸本身也不太穩(wěn)定，主要呈現(xiàn)兩種變化：一是地軸的傾角會(huì)在22.1°至24.5°之間緩緩俯仰，周期大約為41000年，當(dāng)傾角增大時(shí)，季節(jié)差異會(huì)更顯著，反之則溫和一些；二是地軸會(huì)像陀螺一樣進(jìn)動(dòng)，軸線(xiàn)所指方向畫(huà)出一個(gè)大圓圈來(lái)，這種軸向進(jìn)動(dòng)的周期在26000年左右，它能夠決定地球運(yùn)行到近日點(diǎn)時(shí)，太陽(yáng)直射哪個(gè)半球。

這兩種變化結(jié)合在一起時(shí)，所帶來(lái)的氣候效果至今可見(jiàn)。一到秋天，歐洲的燕子就紛紛啟程，一路向南，飛越地中海、穿過(guò)撒哈拉，到中非、南非的溫暖地帶去。撒哈拉沙漠南北長(zhǎng)約1800公里，干燥炎熱，沒(méi)吃沒(méi)喝，對(duì)于燕子來(lái)說(shuō)是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。即使它們以時(shí)速40公里不停地飛，也要兩天兩夜才能見(jiàn)到南方的草原。因此，每年春秋兩季，一來(lái)一回，都會(huì)有許多燕子葬身沙漠之中。

令人驚奇的是，從撒哈拉地區(qū)散布的人類(lèi)巖畫(huà)內(nèi)容來(lái)看，一萬(wàn)年前，這里還是水草豐美的地方，野水牛、長(zhǎng)頸鹿、河馬、鱷魚(yú)徜徉其間。為什么撒哈拉的變化這么大？一萬(wàn)年前，地球運(yùn)行到近日點(diǎn)時(shí)，太陽(yáng)直射北半球，地軸傾角比現(xiàn)在大1°左右，北非大陸可以正對(duì)著太陽(yáng)。這樣一來(lái)，北非大陸的夏季熱空氣迅猛上升，把大西洋的水汽抽調(diào)過(guò)來(lái)，形成強(qiáng)大的季風(fēng)，帶來(lái)了豐沛的降水。而現(xiàn)在，地球在北半球夏季時(shí)卻在遠(yuǎn)日點(diǎn)，地軸傾角也在逐年減小，所以撒哈拉的夏天冷了下來(lái)，大西洋的水汽再也抽調(diào)不過(guò)來(lái)了。

不過(guò)，大家不用擔(dān)心地軸傾角會(huì)一直減小直到把四季“弄丟”的問(wèn)題，再過(guò)9200多年，地軸傾角又將踏上返程。這一點(diǎn)要感謝月球，它雖然會(huì)拖慢地球自轉(zhuǎn)，卻能夠穩(wěn)住地軸傾角，讓地球的季節(jié)變化既分明又不走向極端。反觀(guān)鄰居火星，它本來(lái)個(gè)頭就小，容易受到木星和土星的干擾，身邊又只有兩顆極小的衛(wèi)星，根本扶不住它，所以?xún)A角在13°至40°之間來(lái)回?cái)[動(dòng)。

4 自轉(zhuǎn)不穩(wěn)定對(duì)人類(lèi)度量衡的影響

對(duì)于公眾來(lái)說(shuō)，地球自轉(zhuǎn)不穩(wěn)定似乎離得很遠(yuǎn)，但有一類(lèi)新聞會(huì)公開(kāi)提醒這一點(diǎn)，那就是“閏秒”——地球給人類(lèi)度量衡系統(tǒng)制造的小麻煩。

不同文明建立的度量衡系統(tǒng)各有特點(diǎn)，人類(lèi)為了保持交流暢通，制定了通用的自然界標(biāo)準(zhǔn)。糟糕的是，由于地球轉(zhuǎn)速不斷變化，我們不得不維護(hù)兩套時(shí)間系統(tǒng)：一是使用天文觀(guān)測(cè)地球自轉(zhuǎn)定義的時(shí)間系統(tǒng)，稱(chēng)之為“世界時(shí)”，二是使用銫原子躍遷定義的時(shí)間系統(tǒng)，稱(chēng)之為“原子時(shí)”。相比世界時(shí)而言，原子時(shí)非常穩(wěn)定，符合度量衡系統(tǒng)恒久不變的要求，通用性也極佳，但它與天體運(yùn)行徹底脫鉤，反而有了弱點(diǎn)。我們無(wú)法從原子時(shí)推算太陽(yáng)的方位，無(wú)法判斷地球轉(zhuǎn)到了哪個(gè)位置，無(wú)法知曉新年鐘聲是否該敲響了。世界時(shí)恰好相反，它的秒長(zhǎng)雖然不穩(wěn)定并且逐漸拉長(zhǎng)，卻時(shí)時(shí)刻刻反映著太陽(yáng)和地球各自的方位，不僅與人們的日常生活密切相關(guān)，也在大地測(cè)量、航天器測(cè)控等領(lǐng)域具有重要意義。

所以，人們又引入了第三個(gè)時(shí)間系統(tǒng)，讓它既能用到原子時(shí)穩(wěn)定的秒長(zhǎng)，又能和世界時(shí)在重要天文時(shí)刻上對(duì)齊，這個(gè)時(shí)間系統(tǒng)就是協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）。我們可以把原子時(shí)和世界時(shí)看作兩個(gè)長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員，“小原”技術(shù)好，步幅均勻，從來(lái)不看對(duì)手；“小世”實(shí)力稍遜，時(shí)快時(shí)慢；而UTC能按照“小原”的步幅跑，又比較照顧“小世”，每當(dāng)看到他落后時(shí)，就原地多踏一步，等著他追上來(lái)。

UTC多踏的這一步，就是閏秒。國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)密切監(jiān)視UTC和世界時(shí)的差異，一旦快要突破0.6秒，就通知大家預(yù)備閏秒，以免二者相差超過(guò)0.9秒。置閏通常在6月30日或12月31日的最后一秒進(jìn)行，屆時(shí)會(huì)出現(xiàn)23∶59∶60這樣的奇特時(shí)間。

無(wú)論如何，閏秒的引入，使原子時(shí)和世界時(shí)這兩種時(shí)間系統(tǒng)互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，以UTC的形式兼顧了時(shí)間的穩(wěn)定性和實(shí)用性。但是，這種時(shí)不時(shí)需要“等一等”的機(jī)制也給一些應(yīng)用領(lǐng)域造成了問(wèn)題。

許多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各用各的方式來(lái)處理閏秒，有的在形式上與UTC保持一致，生成23∶59∶60；有的在59秒時(shí)原地踏步一秒，既不生成60也不跳到00；有的干脆回退一秒；有的什么也不做，只等未來(lái)某個(gè)時(shí)刻通過(guò)時(shí)間服務(wù)器重新對(duì)表。那么，當(dāng)各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)時(shí)，閏秒就可能使它們之間的信息應(yīng)答出現(xiàn)錯(cuò)亂：傳遞的數(shù)據(jù)包會(huì)被當(dāng)成重發(fā)的數(shù)據(jù)，或者時(shí)間戳無(wú)法識(shí)別，被當(dāng)成無(wú)效數(shù)據(jù)直接丟掉。尤其是分秒必爭(zhēng)的金融市場(chǎng)更容易受到閏秒問(wèn)題的影響，2015年6月30日插入閏秒時(shí)，洲際交易所集團(tuán)（7家清算所和11家證券交易所的母公司）直接停止運(yùn)營(yíng)了61分鐘。

閏秒讓人又愛(ài)又恨，對(duì)它未來(lái)的去留和實(shí)現(xiàn)方式，大家提出了各種各樣的構(gòu)想。經(jīng)過(guò)20多年的討論，2022年在巴黎召開(kāi)的第27屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，科學(xué)家和政府代表投票決定：從2035年開(kāi)始，暫停在UTC上執(zhí)行閏秒，并提議在至少一個(gè)世紀(jì)內(nèi)不再執(zhí)行閏秒。計(jì)量學(xué)家提出，要以更低的頻率置更大的閏，并決定在2026年的會(huì)議上解決時(shí)間差異容忍度的細(xì)節(jié)問(wèn)題。

然而，最近幾年的地球自轉(zhuǎn)變化讓科學(xué)家的心情坐了一次過(guò)山車(chē)。它先是因地球深處的核幔耦合而加速，帶來(lái)“莫非還沒(méi)討論細(xì)節(jié)，就要破天荒倒扣一秒（負(fù)閏秒）”的焦慮，又因?yàn)闃O地冰蓋融化放慢地球自轉(zhuǎn)，把負(fù)閏秒向后推了3年。但是大家并未因此長(zhǎng)舒一口氣，為什么呢？

毋庸置疑的是，相比閏秒帶來(lái)的小麻煩，極地冰蓋的融化才是真正的大麻煩甚至災(zāi)難?？傊诓粩嘧兓牡厍蛎媲?，人類(lèi)唯有“但盡人事，各憑天命”，在變化中尋找或創(chuàng)造生存機(jī)遇。我們更應(yīng)該警醒的是，人類(lèi)活動(dòng)促成冰蓋融化這件事本身，是否意味著全球變暖已經(jīng)到了失控邊緣？它會(huì)對(duì)海平面與洋流造成哪些后續(xù)影響，以及帶來(lái)哪些氣候變化？而諸多變化能否自我糾正、阻止冰蓋繼續(xù)融化呢？這些問(wèn)題的答案，正是海洋、氣候、環(huán)境等領(lǐng)域的科學(xué)家們努力求知的研究課題。

（作者為中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員）