什么？！地球自轉(zhuǎn)變慢了，5年后一分鐘只有59秒？ _生活百科

近日，有媒體報道稱：5年后即2029年，1分鐘或只有59秒。

這一說法來自美國加州大學(xué)圣地亞哥分校科學(xué)家的一項研究，該研究被發(fā)表在《自然》雜志上。
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，由于全球氣候變暖，南北極冰蓋正在大規(guī)模融化，改變了地球的形狀，導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)減速比之前更快。這一變化可能在五年內(nèi)引發(fā)全球計時危機(jī)，比如計算機(jī)通訊和電信網(wǎng)絡(luò)造成大規(guī)模中斷。

圖片來源：網(wǎng)站截圖
事實上，這樣的表述并不準(zhǔn)確，正確的表述應(yīng)該為：2029年，某一個1分鐘可能縮短為59秒，并且冰蓋融化延后了這一天的到來。
這到底是怎么回事呢？為什么1分鐘還會減少成59秒呢？時間難道不是固定不變的嗎？這又會對我們的生活產(chǎn)生哪些影響？
我們的計時系統(tǒng)
盡管時間似乎是均勻流逝的，但實際上我們已經(jīng)調(diào)整了幾十年——每隔幾年插入一個閏秒。為了更好地理解這個問題，首先需要了解下我們的計時系統(tǒng) 。
為確定時間，我們現(xiàn)在常見的時間系統(tǒng)包括三種，分別是：
以地球自轉(zhuǎn)周期為基準(zhǔn)的世界時（Universal Time ， UT1）
以地球繞太陽公轉(zhuǎn)周期為基準(zhǔn)的歷書時（Ephemeris Time ， ET）
以原子內(nèi)部電子能級躍遷發(fā)射的電磁振蕩頻率為基準(zhǔn)的原子時（International Atomic Time，法語：Temps Atomique International, TAI）
世界時（UT1）是通過將地球自轉(zhuǎn)一周的時間記為一天來確定的時間標(biāo)準(zhǔn) 。它基于地球相對于平太陽的角度變化來劃分時間刻度。世界時在航海和導(dǎo)航領(lǐng)域，以及天體測量和天文大地測量領(lǐng)域中，起到了重要作用。
然而，由于地球自轉(zhuǎn)的速度并不是恒定的，世界時的穩(wěn)定性不足，難以完全滿足現(xiàn)代科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用對極高精度時間的需求，比如天文觀測和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）。
為了滿足更高精度的實際需要，科學(xué)家們引入了原子時。具體來說，原子時是通過原子鐘來實現(xiàn)的，而原子鐘利用的是原子內(nèi)部電磁振蕩的周期來計時，這種振蕩周期非常穩(wěn)定。
因此，原子時具有極高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，能夠提供極其精準(zhǔn)的時間標(biāo)準(zhǔn)，從而被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、導(dǎo)航系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

銫原子鐘圖片來源：維基百科
1967年，第十三屆國際計量代表大會決定將秒的定義從天文秒改為原子秒，將銫-133原子無干擾的基態(tài)超精細(xì)能級躍遷對應(yīng)輻射的9192631770個周期所持續(xù)的時間定為1秒，也就是說，將銫-133原子發(fā)出的輻射振動9192631770次所持續(xù)的時間定為1秒，稱作國際單位制秒。
這一決定標(biāo)志著原子時的正式確立，并為后續(xù)的時間計量系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ) 。
值得一提的是，為了實現(xiàn)我們國家標(biāo)準(zhǔn)時間的自主校準(zhǔn)，中國科學(xué)院國家授時中心以張首剛研究員為代表的科學(xué)家們長期扎根西部，甘于寂寞，攻關(guān)十余年，成功研制高穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行冷原子銫噴泉基準(zhǔn)鐘，把我國標(biāo)準(zhǔn)時間與國際標(biāo)準(zhǔn)時間的偏差從100納秒減小到5納秒內(nèi) 。

在中國科學(xué)院國家授時中心空間鍶原子光鐘實驗室，測量儀器顯示相關(guān)實驗信號。新華社采訪人員張博文攝
【什么？！地球自轉(zhuǎn)變慢了，5年后一分鐘只有59秒？】一分鐘為什么會變成59秒？
以地球自轉(zhuǎn)為參考的世界時，一直是國際標(biāo)準(zhǔn)時間產(chǎn)生的重要參數(shù)之一。一天被分為24小時，1小時60分鐘，一分鐘60秒，世界時刻反映了地球相對于宇宙背景的轉(zhuǎn)動角度，這是很重要的。
而采用原子時是一種非常準(zhǔn)確、不變的時間定義方法，但它也帶來了一個令人不安的后果：原子時與地球自轉(zhuǎn)定義的世界時不太匹配。

原子時與世界時之間的差異。圖片來源：文獻(xiàn)[1]
幾個世紀(jì)以來，時間測量的穩(wěn)定度不斷提高，使我們能夠看到地球的自轉(zhuǎn)速度并不恒定，這就會使原子時和世界時之間產(chǎn)生差異。
為了兼顧這兩種需要，便引入了協(xié)調(diào)世界時（Coordinated Universal Time, UTC）系統(tǒng) 。當(dāng)國際原子時與世界時的時刻相差達(dá)到0.9秒時，就需要對協(xié)調(diào)世界時（UTC）進(jìn)行調(diào)整，即增加或減少1秒，以盡量接近世界時，這就是所謂的閏秒（負(fù)閏秒，最后一分鐘為59秒；正閏秒，最后一分鐘為61秒）。這種添加閏秒的世界時就是協(xié)調(diào)世界時，也稱世界標(biāo)準(zhǔn)時間，是目前使用最廣泛的時間系統(tǒng) 。
自1972年UTC正式使用至今以來，地球自轉(zhuǎn)一直處于不斷減慢的趨勢，協(xié)調(diào)世界時已經(jīng)添加了27個閏秒，均為正閏秒。然而，自2020年年中以來，地球自轉(zhuǎn)速率呈現(xiàn)加快趨勢。
因此科學(xué)家估計，在2029年，人類可能就需要首次減少1秒為“負(fù)閏秒”，對應(yīng)的1分鐘只有59秒，來保持原子鐘時間與地球自轉(zhuǎn)周期的同步。
地球自轉(zhuǎn)速度為何不恒定？
在千年的時間尺度上，地球自轉(zhuǎn)速度的變化受三個地球物理過程的影響。
首先，海水和海底之間的摩擦?xí)饾u消耗地球自轉(zhuǎn)的動能，從而減緩地球的自轉(zhuǎn)速度，這就是所謂的潮汐效應(yīng) 。
其次，由于冰期后回彈，地球形狀會發(fā)生變化，變得更為扁平，使地球的慣性矩發(fā)生變化，降低了其自轉(zhuǎn)速度。這類似于滑冰運(yùn)動員在旋轉(zhuǎn)時將手臂向身體兩側(cè)平伸以減速旋轉(zhuǎn)的原理。
最后，地球內(nèi)部的一些過程，即地核和其外層（地幔、地殼）之間的相互作用和相互影響，例如地磁場變化和地幔對流，也會導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生變化。
根據(jù)美國國家航空航天局（NASA）和國際地球自轉(zhuǎn)和參考系統(tǒng)服務(wù)（IERS）的數(shù)據(jù)，地球的自轉(zhuǎn)速度確實在緩慢減慢。研究表明，地球自轉(zhuǎn)周期每個世紀(jì)增加大約1.8毫秒。雖然這個變化看似微?。誄な奔涑叨壬?，其累積效應(yīng)卻非常顯著。
例如，古代天文學(xué)家記錄的日食時間與我們今天計算的時間存在顯著差異。2500年前（大約春秋戰(zhàn)國時期）觀測到的日食時間與現(xiàn)代時鐘相比，時鐘誤差約為4小時。
原本，科學(xué)家預(yù)計由于這些地球物理過程的作用，地球自轉(zhuǎn)速度的減緩將使得首個“負(fù)閏秒”在2026年到來。
然而，衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)顯示，從1986年開始，隨著全球氣候變暖加劇，格陵蘭和南極的冰蓋正在加速融化。這一現(xiàn)象導(dǎo)致海平面加速上升，進(jìn)一步減緩了地球自轉(zhuǎn)速度。由于冰蓋融化和海平面上升的雙重效應(yīng)，地球的慣性矩增加，自轉(zhuǎn)速度變得更慢，從而推遲了負(fù)閏秒的到來。

極地冰層融化并向赤道移動，減緩了地球的自轉(zhuǎn)速度。圖片來源：文獻(xiàn)[3]
閏秒會帶來什么影響？
閏秒通常在世界協(xié)調(diào)時（UTC）6月30日或12月31日的23:59:60實施。閏秒的調(diào)整對日常生活的直接影響較小，人們往往感受不到閏秒所帶來的變化。
但對依賴精確時間同步的技術(shù)系統(tǒng)和應(yīng)用領(lǐng)域，如計算機(jī)、金融、航空航天等領(lǐng)域，閏秒?yún)s有重要影響。
例如，閏秒的加入或刪除需要全球同步，對計算機(jī)系統(tǒng)的時間管理提出了挑戰(zhàn) 。
2012年，多個大型網(wǎng)站就因為時間同步錯誤，導(dǎo)致服務(wù)器崩潰，出現(xiàn)了短暫的服務(wù)中斷。2015年，閏秒再度來臨時，工程師們修復(fù)了部分2012年出現(xiàn)的問題，但發(fā)現(xiàn)了新的問題。又如，每次閏秒調(diào)整， GNSS系統(tǒng)需要更新時間數(shù)據(jù) ，以保證授時精度。如果未能及時調(diào)整，可能導(dǎo)致導(dǎo)航電文的不準(zhǔn)確。
與傳統(tǒng)的增加一秒的閏秒不同，史無前例的負(fù)閏秒將會給許多依賴精確時間同步的系統(tǒng)帶來新的挑戰(zhàn)和不確定性。計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、金融系統(tǒng)等等往往已經(jīng)設(shè)計好如何處理增加的正閏秒，但對如何處理減少的負(fù)閏秒則可能缺乏足夠的準(zhǔn)備。科學(xué)家們正在呼吁各界共同努力，為負(fù)閏秒的實施做好充分準(zhǔn)備，以確保全球技術(shù)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。

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盡管閏秒的初衷是保持UTC與地球自轉(zhuǎn)時間UT1同步，但閏秒的調(diào)整，特別是潛在的負(fù)閏秒，正不斷增加時間同步系統(tǒng)的復(fù)雜性。有人提議實施幅度更大的校正，如閏分、閏時，以將調(diào)整時間延長至百年、千年；也有人建議停止校正，同時公布世界時和國際原子時之間不斷增長的時刻差。
2022年第27屆國際計量大會決定，最遲不晚于2035年廢除閏秒，改為閏分，即允許國際原子時與世界時的時刻相差在1分鐘以內(nèi) 。并要求各方協(xié)商提出一個可以將“協(xié)調(diào)世界時”持續(xù)至少百年的新方案。
隨著科技的發(fā)展，新的時間同步技術(shù)會不斷涌現(xiàn)，例如更精準(zhǔn)的光鐘和更加智能的網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議，都可能為解決閏秒問題提供新的途徑。
參考文獻(xiàn)
[1] Tavella, Patrizia, and Jerry X. Mitrovica. "Melting ice solves leap-second problem—for now." (2024).
[2]Agnew, Duncan Carr. "A global timekeeping problem postponed by global warming." Nature 628.8007 (2024): 333-336.
[3] Gibney, Elizabeth. "Climate change has slowed Earth’s rotation—and could affect how we keep time." Nature 628.8007 (2024): 243-244.
策劃制作
作者丨Denovo 物理化學(xué)專業(yè)博士生
審核丨尹東山中國科學(xué)院國家授時中心副研究員
策劃丨王夢如
責(zé)編丨王夢如
審校丨徐來林林

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什么？！地球自轉(zhuǎn)變慢了，5年后一分鐘只有59秒？

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