在人的生活中,每天有两件事特别规律,一件就是你每天都要给手机充电,第二件事就是太阳每天都要东升西落;
有规律的事可以帮助我们确定时间的流逝速度,例如太阳的东升西落就代表了一天的开始与结束,而太阳东升西落的本质原因是因为地球自转造成的。
所以我们就把地球自转一圈所花费的时间定为了我们在地球上经历一天所需要的时间,这个时间就是我们钟表上的24小时。
也就是说,在我们的时间规定里,钟表走过24小时地球就必须转一圈,如果地球转的快了或者转了慢了都会导致太阳日(太阳在天空中的位置)和钟表上的时间出现误差。
所谓的太阳日就是指,今天太阳达到天穹顶最高点的位置到明天达到天穹顶最高点的位置所花费的时间。
举个例子,今天的太阳在中午12点的时候到了天穹最顶端,那么明天12点的时候,太阳也必须到达天穹的最顶端,这样我们的钟表的计时才能与地球自转周期对应,钟表计时才能指导我们每天的生活。
每天我们只要看下钟表时间,就能知道太阳现在大致在天空的哪个位置,当然也能知道,现在是中午了、还是下午了,还是太阳已经快落山了。
如果太阳日和钟表计时有误差的话,那我们看钟表上的时间,就无法准确地判断太阳现在在天空中的位置。
假如地球自转慢了1毫秒,一个真实的太阳日就会大于24小时,就是24小时1毫秒,而我们依旧采用钟表上的24小时过一天的话,就会造成第二天和前一天相比,在特定的时间点太阳在天空中的位置不一样。
举个例子,今天12点太阳在天穹顶最高点,那么明天12点的时候它也应该在天穹顶最高点,如果地球自转慢了1毫秒,那么就会导致太阳在第二天12点的时候无法达到天穹顶,而是向东边偏了一点点;
这时地球还需要在转1毫秒的时间,太阳才能达到天穹顶,但这时我们的钟表时间已经过了12点了,也就是说第二天太阳达到天穹顶的时间是12点1毫秒。
这个误差虽然不大,对一天的生活没有啥影响,但是日积月累,就会严重影响生活,例如误差持续的累计,总有一天就会出现这样的情况,钟表明明已经正午12点了,可是太阳才刚出地平线,黎明才刚刚到了。
这样的话,钟表计时对我们的生产、生活来说就完全没有意义了。
假如地球自转变快了,不到24小时它就转了一圈,那刚好与转慢了相反,第二天12点的时候,太阳本该在天穹顶点,却已经过了这个点。
长此以往,当你看钟表的时候,明明才12点啊,却发现太阳已经要落山了。
所以我们的钟表计时必须和太阳日周期完全一样才行。出现误差置之不理的话,以后看表就没有意义了。
那么问题来了,我们的地球自转一圈就真的是准确的24小时吗?
地球虽然自转的非常规律,但是它在太阳系中并非孑然一身,而且它也不是一个质点,周围有很多的天体引力都会影响它的自转,导致它的自转速度持续的波动,当然速度变了自转周期也就变了。
对地球自转影响最大的就是我们熟知的潮汐引力作用。在太阳系中对地球潮汐引力作用最大的天体并非是太阳,而是地球的卫星月球。
别看它小,但是它离地球最近,所以月球就成为了影响地球自转速度最大的因素。
在地球上朝向月球的一面所受到的引力总是要大于地球背向月球的一面,由于地球上有很多的海水,所以朝向月球这一面的海水就会因为月球引力的作用而出现微微隆起的现象。
我们知道自转一圈非常快,而月球绕着地球公转一圈就得一个月的时间,所以月球所造成的地球海水隆起总是滞后于地球的自转。
因此地球在自转的时候就会与滞后的海水隆起部分发生摩擦,这就是海洋不停拍到海岸的原因,也是潮涨潮落的原因,摩擦就会消耗掉地球自转的动能。
而且也有一部分的地球自转动能通过潮汐力传递给了月球,因为地球总是自转得快,月球总是在后面拉着地球,所以月球就被地球加速了,这就是月球正在远离地球的原因。
月球和地球之间的天体物理作用,从诞生到今天就一直在持续,所以月球一直在给地球减速,它也一直在远离地球。
例如地月系统刚诞生的时候,地球转一圈只需要6小时,这时的月球离地球非常近,数亿年前的恐龙,它们一个太阳日的时间也就23小时。
但是到了今天太阳日就需要24小时了,而且地球自转速度变慢还会一直持续下去,未来一个太阳日会多于24小时,甚至到25小时,当然这已经是数亿年后的事了。
上文我们已经了解了变慢会造成什么影响。那为什么我们用钟表计时以来没有发现像我说的太阳在天空中位置滞后的现象呢?
其实科学家为了避免发生这样的事情,会定期地给我们的钟表增加1秒钟的时间,也就是这一分钟有61秒,当地球自转周期误差累计到了1秒中,我们就调整自己的钟表以跟地球自转周期对应。
自上世纪70年代以来,我们已经增加了27个润秒。
但是影响地球自转的因素不仅仅是月球,在短周期内,还有地震、以及人类活动造成的冰川融化,进而导致的地球转动惯量的变化,也会影响地球的自转速度。
例如每一次地震都是地球收缩、重元素沉降导致的,地球质量分布得越靠近自转轴那么它自转的就会越快,南北极冰川、高山积雪快速融化,也会使得高海拔的质量转移到低海拔;
这些因素都会导致地球自转加速。
最新的研究发现,由于以上的因素确实导致了地球在2020年自转速度加快了,比24小时要短,而且科学家也认为在2021年地球平均每天会比24小时短0.05毫秒。
而我们现在一天还使用的钟表时间是24小时,根据上文我们学到的知识就能知道,太阳在天空中的位置就会超前于钟表时间。
那么我们是否要在未来调整自己的钟表,以应对地球自转加速,周期变短呢?
调整的方式就是增加负润秒,也就是减去一秒钟的时间,让钟表时跟上地球自转。目前科学家并没有明确地表示未来是否增加负润秒。
因为地球现在的加速只是由自身原因导致的短暂现象,而减速却是长期的效应。如果要增加负润面,那也没啥影响。
由于地球自转速度的变化都是在毫秒级别波动的,因此我们日常生活并不能感觉到每天的时间有什么差异,但这在科学上却非常重要。