融化的冰蓋正在減緩地球的自轉(zhuǎn)速度，氣候變化可能會改變?nèi)祟惖挠嫊r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，冰蓋的融化正在減緩地球的自轉(zhuǎn)速度，以至于下一個閏秒將被推遲3年。

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

1 地球自轉(zhuǎn)速度一直身不由己

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

太陽系所有的行星都在自轉(zhuǎn)，這是從原行星盤收縮時繼承來的旋轉(zhuǎn)角動量。除了金星和天王星這兩個特例之外，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?？茖W(xué)家找出的一個有力證據(jù)就是單體珊瑚，這種小動物分泌石灰質(zhì)的能力和太陽光的強(qiáng)弱有關(guān)，所以每個晝夜都會在外壁上形成一道環(huán)紋，再加上冬夏兩季的陽光有明顯的強(qiáng)弱差異，珊瑚的粗細(xì)會隨季節(jié)起伏形成一個個體節(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，說明那時的地球每年有390多天，對應(yīng)的自轉(zhuǎn)周期為22.5小時。

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

放眼太陽系，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)，都或多或少被觀測到身不由己的變化波動，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，就是被別的天體“打擾”了。

地球身邊有個月球，它通過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，月球?qū)嵲谔×?，它和地?ldquo;掰”了幾十億年手腕，最終自己先敗下陣來，自轉(zhuǎn)周期變得跟公轉(zhuǎn)周期一樣慢，始終只把一面對著地球，于是形成了“潮汐鎖定”。其實(shí)在太陽系里，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€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。地球大氣層不僅有風(fēng)場的季節(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，可為地球的日長波動貢獻(xiàn)0.34毫秒的振幅。這種振幅能做什么呢？對于地球而言，它給自轉(zhuǎn)帶來的變化可能難以察覺。但較大的振幅就不一樣了，一個極端的例子就是金星。這個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。這個力量不容小覷，在麥哲倫號和金星快車號相隔16年的探訪期間，金星的自轉(zhuǎn)周期（約243個地球日）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)量分配帶來的一種影響。地球冰蓋的累積和消失會造成質(zhì)量再分配，從而左右地球的轉(zhuǎn)速，但有時會加快，有時會減緩，視具體情況而定。當(dāng)冰期終結(jié)時，巨大的冰負(fù)荷漸漸散去，會使其下的地殼隆升或回彈。這一過程在極地表現(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，更多海水會被地球自轉(zhuǎn)“甩”到赤道附近，使質(zhì)量離開軸心，就像跳水運(yùn)動員接近水面時打開身體一樣，地球自轉(zhuǎn)速度又將放緩。

雖然科學(xué)家還沒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)”，但總體效果是可見的：根據(jù)已有的觀測，每過一個世紀(jì)，一天的時長就會多出1.4-1.7毫秒。

3 地軸會不停偏移直到“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，季節(jié)差異會更顯著，反之則溫和一些；二是地軸會像陀螺一樣進(jìn)動，軸線所指方向畫出一個大圓圈來，這種軸向進(jìn)動的周期在26000年左右，它能夠決定地球運(yùn)行到近日點(diǎn)時，太陽直射哪個半球。

這兩種變化結(jié)合在一起時，所帶來的氣候效果至今可見。一到秋天，歐洲的燕子就紛紛啟程，一路向南，飛越地中海、穿過撒哈拉，到中非、南非的溫暖地帶去。撒哈拉沙漠南北長約1800公里，干燥炎熱，沒吃沒喝，對于燕子來說是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。即使它們以時速40公里不停地飛，也要兩天兩夜才能見到南方的草原。因此，每年春秋兩季，一來一回，都會有許多燕子葬身沙漠之中。

令人驚奇的是，從撒哈拉地區(qū)散布的人類巖畫內(nèi)容來看，一萬年前，這里還是水草豐美的地方，野水牛、長頸鹿、河馬、鱷魚徜徉其間。為什么撒哈拉的變化這么大？一萬年前，地球運(yùn)行到近日點(diǎn)時，太陽直射北半球，地軸傾角比現(xiàn)在大1°左右，北非大陸可以正對著太陽。這樣一來，北非大陸的夏季熱空氣迅猛上升，把大西洋的水汽抽調(diào)過來，形成強(qiáng)大的季風(fēng)，帶來了豐沛的降水。而現(xiàn)在，地球在北半球夏季時卻在遠(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，大西洋的水汽再也抽調(diào)不過來了。

不過，大家不用擔(dān)心地軸傾角會一直減小直到把四季“弄丟”的問題，再過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。反觀鄰居火星，它本來個頭就小，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，所以傾角在13°至40°之間來回擺動。

4 自轉(zhuǎn)不穩(wěn)定對人類度量衡的影響

對于公眾來說，地球自轉(zhuǎn)不穩(wěn)定似乎離得很遠(yuǎn)，但有一類新聞會公開提醒這一點(diǎn)，那就是“閏秒”——地球給人類度量衡系統(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)兩套時間系統(tǒng)：一是使用天文觀測地球自轉(zhuǎn)定義的時間系統(tǒng)，稱之為“世界時”，二是使用銫原子躍遷定義的時間系統(tǒng)，稱之為“原子時”。相比世界時而言，原子時非常穩(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)。我們無法從原子時推算太陽的方位，無法判斷地球轉(zhuǎn)到了哪個位置，無法知曉新年鐘聲是否該敲響了。世界時恰好相反，它的秒長雖然不穩(wěn)定并且逐漸拉長，卻時時刻刻反映著太陽和地球各自的方位，不僅與人們的日常生活密切相關(guān)，也在大地測量、航天器測控等領(lǐng)域具有重要意義。

所以，人們又引入了第三個時間系統(tǒng)，讓它既能用到原子時穩(wěn)定的秒長，又能和世界時在重要天文時刻上對齊，這個時間系統(tǒng)就是協(xié)調(diào)世界時（UTC）。我們可以把原子時和世界時看作兩個長跑運(yùn)動員，“小原”技術(shù)好，步幅均勻，從來不看對手；“小世”實(shí)力稍遜，時快時慢；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，就原地多踏一步，等著他追上來。

UTC多踏的這一步，就是閏秒。國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)密切監(jiān)視UTC和世界時的差異，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，屆時會出現(xiàn)23∶59∶60這樣的奇特時間。

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

許多計算機(jī)系統(tǒng)各用各的方式來處理閏秒，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，只等未來某個時刻通過時間服務(wù)器重新對表。那么，當(dāng)各種計算機(jī)系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)時，閏秒就可能使它們之間的信息應(yīng)答出現(xiàn)錯亂：傳遞的數(shù)據(jù)包會被當(dāng)成重發(fā)的數(shù)據(jù)，或者時間戳無法識別，被當(dāng)成無效數(shù)據(jù)直接丟掉。尤其是分秒必爭的金融市場更容易受到閏秒問題的影響，2015年6月30日插入閏秒時，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)營了61分鐘。

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

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山車。它先是因地球深處的核幔耦合而加速，帶來“莫非還沒討論細(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舒一口氣，為什么呢？

毋庸置疑的是，相比閏秒帶來的小麻煩，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，人類活動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？它會對海平面與洋流造成哪些后續(xù)影響，以及帶來哪些氣候變化？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。

（作者為中國科普作家協(xié)會會員）