地球自转速率的变化 [复制链接]

第7版()
专栏：

地球自转速率的变化
叶叔华
我们日常所用的时间，无论是北京时、莫斯科时，或者是全球通用的世界时，都是拿地球的自转周期来计量的。天文工作者用望远镜去观测恒星，用恒星作为不动的目标来测量地球的自转，然后再校准我们的钟。通常所谓一天，就是地球自转一周所经历的时间再加上地球公转在一年当中的平均数（大约是每天三分五十六秒半），然后等分为二十四小时或者是八万六千四百秒。如果地球的自转速率发生变化，一天的长短就跟着变动，一秒的长短也不得不改变了。秒是时间的基本单位，而时间又是与长度、质量并列的三种最基本的物理量，它和科学技术的许多部门都有关系。另一方面，引起地球自转速率变化的原因又和地球表面与内部物质分布以及运动的情况密切相关，因此，地球自转变化的研究还可以帮助我们了解地球的结构和演化。
事实上，地球的自转速率是在变化着的，现在已经知道这种变化有三种类型：第一种是一年一周的季节性的变化，也就是地球自转在一年之间有时快有时慢；第二种是在几年或者几十年之间，自转速率不规则的起伏性的变化；第三种是一直变慢的趋向，也称为长期性变化。
首先发现的是长期性变化，这种变化是从长期观测月亮的运行中找到的。自从十七世纪初期，刻普勒从大量的天文观测归纳出行星运动的三个定律，牛顿的万有引力定律更基本地阐明物体之间的引力关系以后，根据这些定律来研究太阳、月亮和其他天体的运动，并且推算它们位置的学科——天体力学就建立起来了。
天体力学的发展，不但能够准确地预测日月食，推算行星的位置；在公元1846年和1930年，还帮助天文学家根据计算去找寻当时所未知的遥远行星。海王星和冥王星的先后发现，标志着人类掌握客观规律的伟大胜利。
可是，天体力学看来并没有完全解决关于月亮运动的问题。1695年，从古代和当时日月食观测的比较，发现月亮的运动有加速现象。大约在五十年以后，这个现象得到了进一步的证实：月亮的运动每世纪要加快十弧秒左右。
月亮为什么愈跑愈快，这个问题吸引了当代许多数学家的注意。欧拉和拉格朗日都曾经研究过这个问题，没有得到解决。直到1787年，拉伯拉斯指出：由于大行星对地球的引力作用，地球轨道的偏心率逐渐变小，这样就影响到太阳对月亮的吸力，使得月亮的运动逐渐加快。拉伯拉斯计算得月亮的长期加速值应该是每世纪十点一八弧秒，正好和观测所得到的数值吻合。
看来月亮运动的问题已经圆满解决了，不料在六十六年之后，重新复核拉伯拉斯的计算时，又找出漏洞。原来既然地球轨道有了变化，势必影响月亮的运动速度，因而理论推算的月亮长期加速值只应该是每世纪五点七零弧秒，这和观测值还相差得很多。
这个悬案，一直到1905年，太阳运动也发现有微小的长期加速现象，继后在水星、金星的运动中找到同样的现象以后，才弄清楚所谓月亮长期加速的问题实际上是地球自转速率长期减慢的后果。
天体力学运动方程中的时间变量，本来设想是均匀的。这就是说，计算的天体位置应该对应于一只走得一点不差的理想钟所指示的时间。现在，我们所用的是地球自转所指示的时间。如果地球钟愈走愈慢，观测到的天体运动就会愈来愈快，观测与计算之间就不能一致。运动愈快的天体，反映出来的偏差愈大。月亮、水星、金星、太阳（太阳运动实质上是地球运动的反映）都是太阳系中运行比较快的天体，其中月亮走得最快，所以长期加速现象也发现得最早。其他三个天体，既然长期加速的性质相同，数值上又都比例于它们的运动速度，这就毫无疑问地证实了地球的自转速率是逐渐减慢了。
地球为什么会愈转愈慢呢？海水潮汐所引起的摩擦，会消耗地球的一部分能量，因而使自转的速率慢下来。许多学者对潮汐摩擦作了种种估算，发现浅窄海湾所引起的潮汐摩擦，大致和观测所得的长期减慢值相符合，其中以白令海峡的影响为最大。月亮长期加速所对应的地球自转长期变化是每世纪变慢千分之一、二秒左右。
地球自转速率的不规则变化，也是首先在月亮观测中发现的。十九世纪中叶有了更完整的月亮运动理论，拿根据这个理论计算的月亮历表和过去的月亮观测比较，又发现月亮的运动另有一种不规则的起伏性变化。变化的原因虽然找不到，可是从1650年以来，变化的情况可以用一个周期为二百六十年的经验公式来表示。这个现象的产生有两个可能：第一个可能是月亮的运动理论还有考虑不周到的地方，因而不能完全代表观测结果；另外一个可能是地球自转速率的变化，也就是说：理论计算时用的是理想的钟，实际观测用的是走得不准的钟，因而对不起头来了。
1919年，卜朗更详细地研究月亮运动的理论，重新加以发展。他的月亮运动理论在今天看来，依然是十分完善的。可以说，从引力理论出发，该考虑的因素都考虑了。为了求得与观测结果一致，虽然缺乏任何理论根据，卜朗还是不得不把代表月亮运动起伏变化的经验公式，引用进来。可是事与愿违，自从1923年起，卜朗的月亮历表被用为天文年历中推算月亮位置的根据以后，推算的位置总是不对头，而且不论是把经验公式加进去或干脆是把它删掉都无补于事。
看来问题并不出在月亮身上，是不是地球又在背地里作怪呢？经过许多天文家的努力，把十七世纪以来的月亮、太阳、水星、金星的观测资料加以详细分析以后，1939年终于在这些天体的运动中找到相同的起伏现象，起伏的大小分别比例于这些天体的运动速度。这样就完全证实了地球的自转速率有不规则的起伏变化。
起伏变化的情况大致是这样：十七世纪的大部分时期内，地球自转速率都在增快，十八世纪初期起，基本上变慢。十九世纪前半又有一段变快的时期，1840年到1860年之间又慢下来，以后又逐渐转快，特别是在1870年附近快得更多。1900年到1915年之间又有一段特别慢的时期，目前的趋向仍然是在变慢。如果在1900年把地球钟和理想的钟校准的话，到现在，地球钟已经比理想钟慢上35秒了。
地球自转速率的长期和起伏变化，问题的出现与得到肯定所经历的过程基本上是相同的。两者都是从理论上计算的月亮位置和实际上观测位置的偏差引起，又同样是以太阳、金星、水星的情况为旁证来加以肯定。理论与观测的偏差是长期累积的结果，因此，用上面的方式不可能觉察到更短期的效应。如果我们拥有比地球更稳定的钟，就不难更及时更细致地检查地球自转运动的情况，地球自转速率的季节性变化，正是这样找到的。
1935年左右，在波茨坦和巴黎都曾经进行过用石英钟和天文摆钟来考查地球自转速率季节性变化的工作。限于摆钟本身的误差和当时石英钟的精确度，所得到的结果缺乏说服力。经过十几年的时间，在钟的质量和用天文观测决定时间的工作精确度逐渐提高的情况下，终于得到一致的结论：地球的自转速率在一年之中呈现季节性的变化，春季慢了约千分之一秒，秋季快大约同样的多。累积下来，每年5、6月间，地球钟比理想钟要慢上百分之三秒；9、10月间又要快上百分之三秒。这个数字看来虽小，可是对于研究高稳定度的振荡频率和钟的工作来说，其伤脑筋的程度并不下于六十年来地球钟慢了35秒所引起的编算历表工作的困难。
既然种种烦恼都是由于地球自转速率不能守恒引起，我们又偏偏选择了这样一个善变的量来计量我们的时间，那么最合理的解决办法当然是另定一个可靠的时间单位，或者是在有足够的根据以后，把地球自转速率的变化加以修正。
1950年在专门讨论天文基本常数的会议上，天文家一致同意在编算历表的时候，废除经验公式。这种纯粹用引力理论推算出来的天体位置，并不与我们日常所用的时间相对应，而是对应于一种理想的均匀时间，这种均匀时间就称为历书时。它的基本单位是1900年的地球公转周期（一年），再把它细分为秒。从1960年起，各国出版的天文年历所登载的天体位置，都是对于历书时而言的。
改用历书时以后，编历的天文家固然不必挖空心思去凑合变化无常的地球，但是日常所用的时间，依然是以地球自转来订定的世界时，因此就有必要测定世界时和历书时之差。解铃原是系铃人，过去月亮因为行动最迅速，因而受地球自转变化影响最大；现在反过来，我们拿对于某已知世界时观测所得的月亮位置，和历书上的月亮位置比较，反求相对应的历书时。不过，尽管月亮比其他天体走动得快，和地球自转比起来却要慢上二十九倍之多，再加上测定月亮位置的精确度也比较用恒星来测定世界时的精确度低些，因此，要把历书时定得和世界时的精确度相仿，需要花费三数年的工夫，这就是说，要知道现在准确的历书时是多少，我们还得等上三年左右。好在地球自转速率的变化并不太厉害，所以还能够根据过去的规律性给定一个推测值，以应急需。真正高精度的要求，可以在两三年后，根据确定的数据加以订正。
至于目前所用的世界时，现在仍然沿用。但是为了适应高精度科学技术的需要，从1956年起，把地球自转速率的季节性变化加以修正，称为准均匀世界时。虽然地球自转的起伏变化不能预测，它的季节性变化却是相当稳定的。通常在每年年底给定国际通用的次年的地球自转速率季节性变化修正，一般说来，它和第二年实际测定的结果相差甚微。另外，1956年10月以后，历书时的秒也代替原来的秒作为时间的基本单位。
除了地球的运动之外，究竟还有没有其他自然现象，可以作为计时的绝对标准呢？在原子或分子中，如果粒子的运动状态改变，往往随同放射或吸收某一固定频率的辐射。因此，利用微观的物质状态，可以得到不受外界影响的异常稳定的频率。用石英钟把这些频率累积起来，就得到以原子频率来决定的时间，我们称它为原子时。1955年以来，已经有好几具铯或者氨的原子（分子）钟，投入应用，担任校核频率的工作。原子钟提供的时间标准，一般累积到三百年以上才会相差一秒，比之地球自转决定的时间三年左右就可能相差一秒是要高明一些。根据理论上的计算，还可能设计出三百万年才会相差一秒的原子钟。就像镉的光谱线已经代替标准米达尺成为长度的标准一样，可以想见将来也可能由原子钟来代替地球给出时间的单位。原子时的好处在于随时都可以得到，不像地球时要用天文观测来决定，既要守候晴夜，又要相当数量的观测才能保证一定的精确度，不过地球的运动虽然不稳定，地球本身却是非常牢靠，不像原子钟有停走的可能，当然可以同时维持好多架原子钟，以保证即使它们陆续停走，计量的时间也不至于中断。目前许多国家正在进行原子钟和历书时的校核工作，一旦校准以后，原子钟就可以给出历书时的秒长，历书时的使用就大为方便了。
以前用月亮观测来检定地球自转的起伏变化，由于精确度的限制，不能分辨自转速率的变化如何发生，是突变还是渐变，只能指出在那几年附近速率变化的概略。有了原子钟以后，对地球自转速率的变化就能够进行细致的分析。例如拿铯钟和全世界的天文观测所决定的世界时比较，可以很清楚地看出地球自转的速率在1955年下半年有一个变快的趋向。从1956年初直到1957年中，地球的自转速率变为每年减慢万分之四秒。从1957年中到1959年中，地球自转速率几乎没有变化，而在1959年7月间变慢了万分之八秒，以后又逐渐回升到1959年7月以前的自转速率。
地球的自转速率为什么有时快有时慢呢？拿地球自转速率的季节性变化来说，一切地面上季节性大规模的物质运动，都可能是引起季节性变化的原因。经过许多学者的探讨，和实际结果最能够符合的是风的影响，大气环流在地球和大气之间产生季节性的角动量交换，成为一年一周的地球自转变化，它和太阳潮引起的半年一周的变化，合起来成为地球自转速率季节性变化的主要原因。
至于起伏变化的原因现在还没有得到一致的看法。值得注意的是：除了地球自转速率的变化之外，地球的自转轴也在地面上作范围为二、三十米的周期性移动，这个现象称为极移。国际上研究极移的联合观测组织，已经进行了六十多年的工作。现在所知，地极的运动可以分为三种类型：第一种是一年一周的椭圆运动，是由地面上大规模的季节性的物质运动如洋流、大气环流等所引起的；第二种是以十四个月为周期的圆周运动，周期的大小，主要决定于地球的弹性模数；第三种是近年发现的长期极移：北极沿西经六十度左右的子午线慢慢移动，六十年来，北极长期移动了十几米，这个现象正可以和地球自转速率变化了大约千分之四、五秒的情况，互相校核。
凡是不对称于地轴的变化现象，势将引起大的极移，小的自转速率变化；反之，对称于地轴的或者是全球一律的变化，会影响自转速率而不至于产生极移。本世纪以来，由于天气趋向和暖，格陵兰附近的冰层融化得较多，由于格陵兰不在北极，地面上的海陆分布又不均匀，估计这种现象可能是长期极移的原因，但是并不能解释地球自转的速率变化。同样，大陆的上升或沉降，也会导致极移，而对自转速率的变化影响甚微。除非是整个地球均匀胀缩，半径变化七、八公分才会得到和观测相符的自转变化效应，但是很难设想这种胀缩的可能。
除了地极的长期移动之外，地球的北磁极，也有长期西移的现象。值得注意的是，从1890年以来，磁极并不是等速西移，移动速率变化的年份和地球自转速率的变化年份相近。有一种学说认为地球内部的放射性发热，将使地核的内外层产生物质流，因而使地核外层对于地壳西移。另外，地核与地壳之间的电磁力偶又将改变地壳的角速度，引起与观测值相当的地球自转速率变化。这是看来最能够从数量上解释近几十年来地球自转速率变化的原因。
另外，1956年2月和1959年7月间的地球自转变化，都伴随着特强的太阳爆发，有非常强烈的紫外辐射和微粒辐射。这两种现象仅仅是巧合，抑或有内部的联系？根据近年人造卫星所提供的资料，地球外围环绕着广阔的辐射带，而且人造卫星的运动速度，也明显地受到太阳爆发所引起的电磁效应影响。
总之，关于地球自转速率变化原因的探讨，目前正在蓬勃发展，一方面还需要地球物理学家的许多工作；另一方面也需要天文学家进行更细致的考查，才能够得到完全的解决。