事实还是虚构:白天(和黑夜)正在变长

化石珊瑚、射向退行月球的激光、中国文物和其他证据表明,随着时间的推移,地球自转一周的时间长度显著增加

今年的夏至落在6月21日,标志着北半球一年中阳光最长的一天。然而,几乎难以察觉的是,地球的昼夜周期——即绕轴自转一周——正逐年变长,而且在地球历史的大部分时间里都是如此。

来自远方的力量共同作用,减缓我们旋转的世界——月球和太阳引力产生的海洋潮汐,每世纪会使一天的长度增加1.7毫秒,尽管这个数字在地质时间尺度上会发生变化。月球在驱动延长日长的潮汐时,正在缓慢地螺旋远离地球,这种现象记录在岩石和化石中,为卫星的起源和最终命运提供了线索。“你正在将能量注入月球的轨道,并从地球的自转中取出能量,”美国国家航空航天局喷气推进实验室(位于加利福尼亚州帕萨迪纳)的高级研究科学家詹姆斯·威廉姆斯说。

月球的引力通过对其面向地球的一侧产生最强的拉力来产生潮汐。这种吸引力导致地球膨胀,尤其是在其可塑性的海洋中。(太阳以相同的方式影响潮汐,但由于其距离遥远,相比之下,太阳对我们行星旋转的影响仅为月球的五分之一左右。)地球的自转速度快于月球的轨道速度,因此水的潮汐凸起会超前于月球的相对位置。这种位移的质量在引力上向前拉动月球,赋予能量并给卫星提供轨道助推,而海底的摩擦则会抑制地球的自转。


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威廉姆斯研究了月球的螺旋式远离速度,方法是从地球向美国宇航员和俄罗斯无人探测器在20世纪60年代末和70年代初放置在月球表面的棱镜形反射器发射激光。光束往返时间的变化揭示了月球的退行速度——每年3.8厘米——威廉姆斯说,这主要是由于地球陆地的方向及其对海洋晃动的影响,现在比以前的时代更快。

地球时间记录不一致的线索来自化石中保存的自然日历。例如,珊瑚会经历每日和季节性的生长周期,形成类似于树木年轮的条带;计数它们显示了一年中过去了多少天。古代珊瑚表明,在约3.5亿年前的早石炭纪时期,地球的一年约为385天,这意味着并非地球绕太阳公转的时间变长,而是昼夜周期不足23小时。

诸如砂岩之类的沉积岩也证明了过去更快的日子。当月球产生的潮汐冲刷岩石时,它们会一层又一层地沉积矿物斑点。例如,在澳大利亚南部,这些垂直积累的潮汐“韵律岩”将大约6.2亿年前的地球日定为21.9小时。这相当于一年400天,尽管其他估计表明当时每天的自转速度更快。

“当你开始追溯更久远的时间时,记录变得难以解释,”澳大利亚国立大学(位于堪培拉)的地球物理学家库尔特·兰贝克说。兰贝克曾担任澳大利亚科学院院长,他在1980年写了一本关于这个主题的书,地球的可变自转:地球物理原因和后果。“但这些记录倾向于支持一个可以追溯的总体模式,即一年中的天数在增加,”兰贝克说。

兰贝克说,这些数据表明,今天的普通海洋潮汐在过去也发生过,这为45亿年前原始地球与火星大小的物体碰撞的普遍月球形成理论提供了支持。兰贝克说,如果月球是在其他地方形成的,后来被地球的引力捕获,那么潮汐就不会在整个历史中保持如此稳定。

普渡大学的地球与大气科学家杰伊·梅洛什说,大多数关于这种爆炸性月球起源的计算机模拟表明,此后地球每六小时在其轴上旋转一次。随着月球从最初可能25,000公里的更紧密轨道迁移到现代平均距离384,000公里,它与太阳联手将地球日延长了四倍。

早期人类对日食的记录也支持了地球自转时间延长的说法。研究人员已经将轨道路径推算回32个世纪,表明如果地球的自转速度没有改变,日食阴影本应出现在距离在中国动物骨头上刻下天文观测结果的抄写员数千公里的地方。数学计算表明,现在的日子比公元前1200年长0.047秒。

为了得出这个相对较新的值,需要考虑由于上一次冰河时代的解冻而导致的地球自身形状的变化,美国宇航局的威廉姆斯说。大约13,000年前,当北部纬度的冰开始融化时,地面在其下方上升,使地球旋转得更快,就像一位将手臂举过头顶的旋转花样滑冰运动员。这种持续的冰后反弹每世纪会使一天的时间减少大约0.6秒——但这不足以超过月球和太阳引起的潮汐制动。

因此,在分隔冰河时代的漫长岁月中,地球日的长度可能会波动。甚至在每天的基础上,由于大风天气地质变化(例如,2月份发生的8.8级智利地震)导致海洋中质量的转移,地球日的长度会被调整百万分之一秒。预计全球变暖将在未来两个世纪内通过加热海洋和改变其质量分布来缩短一天的长度0.12毫秒。

随着日长的整体延长,“闰秒”必须添加到基于地球自转的官方世界时中,以使其与更稳定的超精密原子钟保持同步。自1972年以来,已经累积了24个闰秒;最近一次闰秒是在2008年12月增加的。

这些闰秒不会停止。“月球将继续远离,地球将继续减速,”兰贝克说,直到地球被潮汐锁定,这意味着我们星球的只有一个半球会在天空中看到月球。(月球在绕地球公转的过程中已经被潮汐锁定,所以我们始终看到同一个月球半球。)地球上的一天最终可能超过1000小时,但粗略的计算表明,这种情况会在500亿年后发生。到那时,海洋——潮汐摩擦的主要来源——早已蒸发,地球和月球可能会被膨胀的红巨星太阳在数十亿年前吞噬掉。

如果地球-月球系统在这种灾难中幸存下来,在相互潮汐锁定后,月球实际上会开始螺旋式地向地球移动,而日长延长的过程会逆转。兰贝克说,最终,月球会在引力作用下破碎,甚至可能撞击地球,这对于任何仍然存在的人来说,从比喻意义上讲,都会是一个漫长的一天。

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