地球华尔兹——“时间”也跟我们地球的健康息息相关
地球华尔兹——“时间”也跟我们地球的健康息息相关
在世界地球日上，大家都在关心环境保护。地球自转带来了“日”的概念，地球自转不息，日复一日就奔流不止。地球日说地球健康，其实“时间”也跟我们地球的健康息息相关。
据媒体报道，今年3月中旬的时候，法国和意大利合建的南极考察站测得气温为-11.5℃，这可比往年同期平均水平要高约40℃。也就是说在往年的这个时候，气温应该在零下50℃以下。不寻常的气候同样出现在北极，据美国国家冰雪数据研究中心的消息称，北极部分地区3月中旬气温也较往年同期平均水平高约30℃。我们都知道，南北两极的季节是相反的，却都同时出现了温度异常升高，很不寻常。
中国国家气候中心气候服务首席专家周兵分析说，全球气候变暖与人类活动导致的臭氧空洞和自然环境破坏是南北极气温异常的深层次原因。地球发烧，全球气候变暖当然带来了南北极动物的生存危机；它也可能逆转了正闰秒的脚步。
自有记录以来，地球平均每天有个1~2毫秒的减慢，通常2-3年就会有一次闰秒。自1958年至今，已累计进行了37次闰秒（当前UTC协调世界时UTC比TAI国际原子时慢37秒，图1）。而距离最近一次的闰秒还是5年多以前的2017年1月1日。也就是说，近5年来地球自转的速度一直在加快，2020年的6月19日，更是被记录下50年来日长最短的一天（图2）。这样的趋势至今并未减缓，而是有进一步变快的迹象（图3）。
图1：闰秒日期
图2：2020年的日长变化
图3：2017-2022年间UTC-TAI的变化趋势
读到这里，有些好奇宝宝就会问了，为什么是从1958年开始，1958年发生了什么？那是因为上世纪中期的时候物理学家们发明了原子钟，他们发现在精准的原子钟计时下，一天并非是严格的86400秒，而是86400秒±2毫秒。并且从更长（从数万年至数百万年的尺度上）的跨度来看，由于自转角动量和自转动量的耗散，地球自转会持续变慢，每日的日长就会不断变长。于是乎，在1958年1月1日0点的时候，国际原子时和天文时对齐，这一刻是两者第一次以“闰秒”的形式相结合，产生了协调世界时UTC。协调世界时UTC从1972年1月开始正式成为国际标准时间，它采用的是原子时的秒长和世界时的时刻，通过闰秒的方式统一，使UTC时刻与UT1（基于地球自转测量的世界时，也称天文时）时刻始终保持在1秒范围以内。而由于地球自转是一个长期变慢的过程，所以以1958年原子时和世界时第一次对齐开始计算到今天，都是采用对协调世界时增加一秒的方式，也就是正闰秒的方式，使UTC的时刻和UT1的时刻始终保持在1秒范围内。
地球自转存在不均匀性，除长期减慢是个确定性的变化外，还存在一些不规则变化。比如前面提到的全球气候变暖，南北极冰川加剧融化。如果未来反常的气温升高若持续下去，则地球自转还将继续加快。所以不排除有第一次负闰秒的出现，也就是采用对协调世界时减少一秒的方式使UTC和UT1的时刻差保持在一个恒定的范围内。因为地球自转除了受固体成分影响外，还有地表的流体成分，如：地表水、地下水、海洋和地球大气。角动量守恒定律和地球科学的观测数据均表明，地球的总角动量在一定时期内是守恒的。因此固体地球自转的加快，则表示地球流体成分，如海洋、大气的环流的总角动量在减小。就好比冬奥会上花样滑冰运动员随着音乐翩翩起舞，他们时而两手打开伸展身姿，时而收拢身体旋转跳跃。其实，随着运动员身体打开，他们的转动速度就会变慢。同样道理，地球的自转的速度也随地表质量分布的变化而变化。图4为气象站记录的地表温度100年来的历史演化，纵轴为地理纬度，横轴为时间，颜色代表地表温度的变化,可以看到2000年之后，地表温度比1910-2000年间的温度明显增大了。对比图5的红线梯度，2000年之后则出现了明显的变缓趋势。因此我们大胆和合理的猜测，地球自转加快的现象和近期的地球气候变化，极端天气增多间存在着强关联性。
图4：地表温度变化
图5：世界时、原子时与协调世界时
由于地球自身物理结构以及潮汐等众多因素影响，导致地球自转张弛无度，就像跳着华尔兹的舞娘“旋转、跳跃、我闭着眼。白雪、夏夜，我不停歇”。表现在地球自转的速率上，就是存在一些周期变化和不规则变化，并且自转速率长期减慢。而这些气候变化，也反映在了地球自转上，对其的记录，则需要我们对世界时的持续监测。