本报记者唐芳

从长期来看，地球的自转会趋于缓慢，科学家们预计，再过1亿年，它每天可能会增加半小时；在较短的时间尺度上，比如未来的数万年或数十万年，随着月球的潮汐力减弱，地球的自转将会减慢。

8月25日，第二届中国空间科学大会在山西太原召开。原子钟在会上被列为一个重要议题。

原子钟是人类计时史上最精确的计时器，科学家们用高精度的原子钟记录了地球上最短的一天。

一般来说，地球日持续约24小时。但在今年6月29日，地球自转比24小时少了1.59毫秒，这是原子钟有史以来测量到的最短的一天。

地球自转的时间越短，自转的速度就越快。根据《亚洲—大洋洲地球科学学会年度会议报告》，科学家认为地球自转的加速是由钱德勒摆动引起的。

那么，原子钟是如何计时的呢？地球的自转真的在加速吗？钱德勒抖动是怎么来的？近日，科技日报记者就这些问题采访了相关专家。

世界上最精确的计时工具

有三种常用的时间系统：基于地球自转周期的世界时(UT);年历时间(ET)，以地球绕太阳的轨道为基础；原子时间(AT)，它基于铯原子内部电磁振荡的频率。”中国航天科技集团有限公司第五研究所510研究员翟浩向记者介绍。

时间系统的发展经历了一个从天文时间到原子时间的过程。天文时间是指观测到的天文现象，即太阳、月亮、恒星等天体的周期运动，包括上述的世界时和历年时间。原子时是指原子钟根据原子吸收或释放能量时发出的电磁波来测量的时间。

原子时起源于20世纪40年代末，诞生于50年代初。1967年，第十三届国际计量大会决定将秒的定义由天文秒改为原子秒，即以铯原子的零场基态超跃迁的9192631770个周期的持续时间为1秒，称为原子秒，并以1958年1月1日0 0分0秒为原子时的起点。由此开创了以微观量子跃迁为时间标准的新时代。

他说，原子钟中常用的元素包括铯、铷、氢和碱土金属。因为这些原子具有非常高精度的能级跃迁，它们输出的电磁波非常稳定。这些电磁波由一系列精密的仪器控制，这些仪器使原子钟非常精确。典型铯束频率标度的精度在10-14数量级，比宏观计时的天文精度高出几个数量级。这种精确的原子时为天文学、航海、航空航天等领域的发展提供了有力的保障。

“就工作原理而言，原子钟是基于量子力学和原子物理学等物理机制，利用原子跃迁原理产生稳定准确的时间和频率信号的装置。”翟浩说，原子钟分为两类：微波原子钟和光学原子钟。目前作为国际时间频率标准使用的铯原子喷泉钟属于微波原子钟，其精度已达到较高的指标。中国计量科学研究院的铯喷泉参考时钟NIM6的频率不确定度优于5.810-16，相当于5400万年一秒。中国科学院国家计时中心的光学时钟也达到了国际先进水平，系统的不确定度达到510-17，相当于6亿年一秒。

世界时与地球自转密切相关。当地球自转加速时，世界时就加速了；当地球的自转速度减慢时，宇宙时间就减慢了。所以，随着时间的推移，原子时和世界时之间的差异会越来越大。

目前的国际标准时间称为协调世界时(Coordinated Universal time, UTC)，是一种以原子时秒的长度为基础，在时间上尽可能接近世界时的国际时间计量系统。每当原子时与世界时之间的时间差累积到0.9秒时，UTC就会在保持时标均匀的情况下，以正负一闰秒的方式弥补这一误差。

地球的自转在短期内会加速，但在长期内会减慢

目前，地球的平均自转周期是23小时56分04秒。有学者认为，地球刚诞生时，自转速度非常快，每天只有8小时；在恐龙时代，地球上的一天是23.5小时；自恐龙时代以来的1亿年里，地球自转的平均周期增加了约30分钟，即每年16.4微秒。

中国科学院国家天文台研究员平劲松表示，自数十亿年前以来，随着地球的动态演化，地球的自转速度一直在放缓。研究表明，最近的减缓速度约为每世纪2毫秒。地月引力的固体潮汐拖曳减缓了地球的自转。

根据原子钟的精确测量，今年地球的自转速度更快，时间更短。事实上，在过去的半个世纪里，地球的自转经历了短暂的起伏或加速旋转，但长期趋势是放缓的。

例如，2020年有28个地球日最短。2020年7月19日，地球在24小时内自转1.47毫秒，创造了当年最短的地球日记录。这一纪录在2022年6月29日被打破。

平说，一个合理的解释是，温室效应加剧导致的全球变暖，地球两极和高海拔地区的冰川融化，全球海平面每年上升约3毫米，地球上的物质重新分布，导致绕旋转轴的总体转动惯量减少，地球自转加速。

地球自转速率的感官变化是人类难以感知的。然而，对于人类使用的各种高精度仪器和设备来说，这个毫秒级的变化是相当重要的。例如，地球自转速率和地轴的变化对于建立精确的动态地球坐标参考系至关重要，这也决定了卫星导航、定位和定轨的精度。

钱德勒摆动的机制是一个百年之谜

钱德勒的摆动是地球自转轴的摆动。它是由美国天文学家塞思卡洛钱德勒在1891年通过天文观测发现的。地球表面的摆动范围为3-9米，摆动周期约为14个月。

“钱德勒摆动不会直接导致地球自转加速。”北京大学特别副研究员杨毅表示，这两者之间存在相关性，但因果关系尚不清楚。事实上，地球系统内部的物质迁移和角动量交换都会导致地球自转轴的位置和自转速率发生变化。

地球是一个非均匀椭球的事实被认为是钱德勒摆动的原因之一。但实际上，钱德勒摆动作为地球摆动的一部分，其激发机理是地球科学中的百年难题。科学家们提出了潮汐作用、与液体地核的动量交换以及大地震等机制，这些机制也会导致钱德勒摆动。此外，科学家还发现，钱德勒晃动的幅度，还与大气、海洋等有关。

美国宇航局喷气推进实验室的研究人员提出，钱德勒摆动是由大气和海洋运动的耦合驱动的。他们的计算机模拟表明，海底压力波动占了驱动的三分之二。但至少到目前为止，还没有任何运动可以驱动钱德勒挥杆。

据杨毅介绍，科学家们已经成立了国际地球自转服务协会，其任务之一是定期测量地球自转轴的方向，并监测钱德勒的摆动。由于钱德勒摆动是地球表面自转轴的摆动，这导致了地球纬度的变化。早在1899年，就建立了国际纬度观测台，对纬度的变化进行了长时间的监测，获取钱德勒振荡信息。中国天津的纬度站和上海佘山天文台都参与了这个国际项目。

来源：科技日报