24小时不够用?四亿年前,地球一日只有22小时





採访编辑:黄晓君
美术编辑:林洵安

地球自转学问大

中学生就知道地球会自转,自转形成昼夜,自转轴倾斜造成季节。但你知道吗?地球自转其实是忽快忽慢的,没有一天是24小时,长期来说还有越转越慢的趋势。地球自转轴也不是雷打不动,它会绕圈圈、各种摇摆,导致岁差和北极点不断漂移等古怪现象。中研院地球科学研究所特聘研究员赵丰,带你穿越上下亿万年的古今地球,聊聊中学地科老师没告诉你的事。

24小时不够用?四亿年前,地球一日只有22小时 摄影│林洵安
,曾任美国国家暨太空总署(NASA)太空测地学实验室主任,2006年离开NASA,回到台湾任教,曾任中央大学地球科学学院院长、中研院地球科学研究所所长,目前为中研院地球科学研究所特聘研究员。(摄影│林洵安) 
太阳系分家产

说起地球自转,首先得弄清楚:地球为什幺会转,第二个问题是:为啥转了46亿年还不会停?

「地球会转,是因为它在太阳系形成之初,分到一部分的『家产』:角动量。」赵丰幽默的比喻:「地球为什幺到现在还转不停?因为分到的家产(角动量)还没有用完啊。」

角动量是什幺?简单说,它是物体转动时的一种物理量。物体的质量越大、转动半径越大、转速越快,角动量就越大。更重要的是,在没有外力的情况下,角动量永远守恆,不会变多、也不会变少,只能互相交换。

怎幺交换?靠摩擦!比方说,两个旋转的陀螺擦撞、分开,结果一个变慢,另一个就变快,就是前者的角动量藉由摩擦转移到后者。而地球分到的角动量,则是跟太阳系其他天体「摩擦」来的。

时间回到46亿年前,一场剧烈的超新星爆炸,太阳系诞生了。新生的太阳系宛如炉子上的一锅热粥,大小天体乱转乱窜,就像一颗颗高速旋转的大小陀螺,不断发生碰撞,交换彼此的角动量。

24小时不够用?四亿年前,地球一日只有22小时 图片来源│NASA
太阳系形成的初始条件,决定了整个太阳系的角动量总和。所有天体藉由互相撞击,交换彼此的角动量,各自分得一部份「家产」。(图片来源│NASA)

最后,太阳、地球、其他行星、小行星等所有天体,各自分到一部份的角动量(家产),恆星和行星开始稳定的公转和自转,太阳系才逐渐成形。

然后勒?「从此,地球就过着稳定旋转的日子……」并没有!首先,地球自转忽快忽慢,没有一天是24小时。

地球自转忽快忽慢

在原子钟发明以先,地球自己就是时钟。人们把地球自转一周后,回到面对太阳同一角度所经历的时间,订为「一天」,后来又把一天等分为24份,每一等分称为一小时。

近代改用原子钟定义时间,重新测量地球自转。结果发现:

为什幺?地球没有受到外力,角动量不是应该守恆吗?

「因为地球不是一块死板板、硬梆梆的刚体,」赵丰说:「大气环流、海洋洋流、地函对流,地球时时刻刻都在变化。」

地球自转有角动量,大气环流、海洋洋流、地函对流也有角动量。所谓角动量守恆,是指地球上所有物体角动量的总和不变,但可以互相交换。

比方说,地球自转是由西向东转,当大气向东流速变快,会对地面的推挤摩擦,从地球本身「借走」一点角动量,导致地球自转变慢;相反的,如果大气向东的流速变慢,也会藉着摩擦,「还给」地球一些角动量,使地球自转变快。

24小时不够用?四亿年前,地球一日只有22小时 资料来源 │赵丰,图片重製 │林洵安
地球不是一整块死板板的刚体,大气环流、海洋洋流、地函对流、巨大地震、冰河融化……地球无时不刻不变化,影响自转速度和地轴方向。尤其是当大气、海洋、地函对流方向等等发生改变,因为角动量守恆,地球自转就会忽快忽慢。(资料来源 │赵丰,图片重製 │林洵安)

「今天大气拿走一点,明天海洋还来一点,加加减减的,地球自转就忽快忽慢了,」赵丰继续比喻:「就像银行的存款,今天吃个大餐,明天领个薪水,每天生活的收入支出,都会让户头金额微微变动。」

但麻烦来了!如果地球好一阵子都转得比较慢,一天慢个一千分之一秒,两三年下来,就可能慢上一秒了。我们该不该把原子钟也塞进一秒,以免跟地球自转越差越远,这就是过去发生了20几次的闰秒事件。

最近一次闰秒发生在2017年的1月1号,那年元旦假期幸运的多了……一秒钟。

地球越转越慢、月球越来越远

好几年才加减一秒,根本无感?没关係!如果把时间拉长,从几百万、几千万、几亿年的尺度来看,地球真的越转愈慢,每100年稳定慢上千分之一秒。

可别小看千分之一秒?想想,如果是累积了100万年、100个100万年(一亿年)……差距就非常可观,而地球已经46亿岁了。

从化石证据知道,4亿年前,地球一天只有22小时,再往前推,新生地球可能几小时就转一圈!反过来说,

谁让地球剎车了?罪魁祸首是:月球!月球吸引地球的海水,引发潮汐现象,海水来来回回摩擦地表,就像贴在地球表面的「剎车皮」,让地球慢慢「减速」。

至于地球消失的角动量,则被月球神不知鬼不觉的接收,用来增加月球公转的速度……

24小时不够用?四亿年前,地球一日只有22小时 资料来源 │赵丰,图片重製 │林洵安
月球在地球引发潮汐,让地球自转越来越慢,地球消失的角动量则转移到月球,增加月球公转的速度。「为什幺不是增加月球自转的速度?」因为地球对月球的潮汐力更强,造成月面如海水起伏摩擦,早就让月球自转「停摆」了,现在只能用同一面面对地球。(资料来源 │赵丰,图片重製 │林洵安)

「可是……不是说角动量一定要守恆吗?但地球的角动量越来越少了……」

地球和月球互相吸引,又不受外力影响,可以看成一个系统。地球消失的角动量转移到月球,整个系统的角动量还是守恆的!

月球的公转角动量增加,又造成一个有趣的现象:

由此反推,过去月球应该离地球非常近,当时月亮大又圆,而且每次涨潮都是恐怖大海啸。

而未来,地球将越转越慢,直到停止自转,最后永远只用同一面对着月球。届时,地球只有一半地区可中秋赏月,但那时月亮只不过是天边一颗不起眼的小白点。

地轴从来不安分

最后,地球自转不只愈来愈慢,自转轴还会各种摇摆,就像你甩出陀螺或是丢出飞盘,它们的旋转轴也会绕圈圈或是些微晃动。

最有名的就是岁差现象:地轴週期性的绕圈圈,造成春分、秋分,冬至、夏至相对于星体的角度年年改变。幕后的主要黑手是:太阳和月球的引力,使地球自转轴以2万5800年为週期,绕出一个圆锥。影响所及,人类的曆法必须考虑它、对它修正,才能跟着上地轴的「舞步」。

24小时不够用?四亿年前,地球一日只有22小时 资料来源 │赵丰,图片重製 │林洵安
地球就像陀螺一样,自转轴会週期性的绕圈圈,造成春分、秋分,冬至、夏至相对于星体的角度年年改变,比方说:地轴北方所对的「极星」随着时间改变,未来将从北极星转向织女星。(资料来源 │赵丰,图片重製 │林洵安) 

但即使没有外力,地球自转轴也会自己摆动,造成许多古怪的现象,像是北极点不断漂移,称为极移。

早在1900年,人类就订出地理北极点的位置,统一全世界的地图和座标。但事实是,地球真正的北极点每天都像个陀螺似的,一边打转、一边朝美国东部的方向漂移,目前已移动10多公尺。

原因与冰河期后的反弹现象有关。在冰河期,地表被厚重的冰层压住,等到冰河期一过,冰原融化了,压力解除了,大地就像弹簧床缓缓回弹,使地表某些地区「长胖」了。

地球的「形状」改变了,质量重新分配,自转轴也会跟着微调,真正的北极点(自转轴穿出北方地面之处)也就换位置了。这还是角动量守恆的结果!你可以把同一块黏土捏成各种形状,试着转转看,就会发现转动轴真的会改变。

24小时不够用?四亿年前,地球一日只有22小时 图片来源 │NASA
地球的北极点从来都不安份,从1900年开始,北极点已经朝向美国东部方向漂移十多公尺(图中绿色箭头,但为了方便辨识,将实际尺度大大的夸张)。(图片来源 │NASA)

看到这里,地球的大转、小转是不是把你的脑袋转晕了呢?总的来说,地球自转宛如气势恢弘的交响乐曲,主旋律是渐慢板,但其中还隐藏着更多奇妙的副旋律,崮中奥妙有赖科学家细细品聆了。

地球自转的学问好有趣,但跟生活好像没有关係?

现代开车、找路都需要的GPS(全球定位系统)卫星导航。原理是:地面接受器同时接收某四颗卫星传来的讯号,讯号中有每颗卫星的座标和讯号发射时间,接受器再由收到讯号的时间差,反推每颗卫星距离它多远,最后综合考虑四颗卫星的座标和距离,推算出地面接受器当下的位置,完成定位任务。

问题来了!地球本身会自转,接受器自己就动来动去,怎幺精确评估与卫星的距离?所以接受器必须时时接收当下地球自转的资讯,修正计算,以免导航误差。

值得一提的是,GPS的成功使用与地球自转研究非常密切。譬如当地球上的科学家为了追蹤和指挥太空飞行物,或是发射到其他行星的太空船,地面指挥站必须能精準计算距离和位置,而第一步就得先扣除地球自转造成的误差。另外,地球自转的研究也能帮助评估全球暖化的人为影响。

24小时不够用?四亿年前,地球一日只有22小时 图片重製 │林洵安
地球自转是怎幺测量的呢?过去科学家是用现成的星星当作参考座标系,但不够精确。现今使用的精密仪器,包括人造卫星的雷射测距、无线电天文的长基线干涉术,以及全球定位系统GPS。例如:以遍布全球上空的卫星当作座标(如上图),测量地面测站与天上某四颗卫星的距离,计算每个时刻地面测站的当下位置,然后比较不同时刻的位置变化,藉此推知地球自转的速度。(图片重製 │林洵安) 
全球暖化跟地球自转有什幺关係?

当前有种迷思:地球本来就有週期性的气候变迁,例如:冰河期和间冰期的来来去去,目前的暖化现象只是自然週期的一部份,人为的影响不是主因,一切都是某些科学家大惊小怪。

所以科学家必须了解冰河期的自然週期,作为全球暖化的背景资料,才能正确评估人类的影响程度。

而冰河期最重要的成因,来自其他行星引力,首先改变地球公转轨道,让它变得更椭或更圆,此週期约为10万年。当轨道越椭,日照量越少,冬夏差异越大,冰河期越容易发生。

其次,行星引力造成地轴倾角週期性的摆荡,也会影响冬夏差异的强弱,这个週期约为四万年。

最后,地球公转轨道也会晃动,加上地球自转轴本来就会转圈圈,联手改变地球最接近或远离太阳的日子,週期约为两万年。当北半球冬季遇上远日点,就容易形成冰河期。

24小时不够用?四亿年前,地球一日只有22小时 资料来源 │赵丰,图片重製 │林洵安
资料来源 │赵丰,图片重製 │林洵安

以上这些「万年起跳」的週期,就是地球气候变迁的自然週期。由此可知,人为破坏虽然局部的,但是三到五年就相当有感,效果又快又猛烈,真的是全球暖化的主要凶手。

地球自转还有什幺有趣的研究方向吗?

所有地球自转会发生的现象,在其他行星上都会发生。前面说过地球对月球的潮汐力,让月球只能用同一面面对地球,这个现象就广泛的发生在各大行星与它们的卫星。国外行星研究正夯,这是很有发展的方向。

地球自转还能探索地球内部。当前科技无法像电影般潜入地心,地球内部现象必须依靠地表能够量测的数据反推,包括地震波、重力场、地球自转变化、磁场的变化量。

最近2、3年,我从地球自转的快慢变化,发现一个6年上下的小週期震荡,推测地球的内心会像钟摆一样来回摇摆。

我的推论是:地球的内核和外核不是完美的圆形,中间又隔着液体层,所以内核在液体内可能会晃动 ,造成钟摆般的简谐运动。当地球内核晃动,外面地壳因为角动量守恆就会跟着改变转速,造成地球自转週期性的改变。


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