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◎記者湯芳
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，地球 s自轉(zhuǎn)趨于變慢，科學(xué)家預(yù)測(cè)再過一億年，一天可以增加半小時(shí)；在更短的時(shí)間尺度內(nèi)，比如未來幾萬年或幾十萬年，隨著月球潮汐力的減弱，地球 的自轉(zhuǎn)會(huì)變慢。
8月25日，第二屆空間科學(xué)大會(huì)在太原召開。會(huì)上，原子鐘作為一個(gè)重要的話題被提了出來。
原子鐘作為最精確的計(jì)時(shí)工具，在人類計(jì)時(shí)史上做出了很多貢獻(xiàn)。不久前，一些科學(xué)家利用高精度原子鐘記錄了最短的地球日。
一般來說，一個(gè)地球日大約持續(xù)24小時(shí)。但今年6月29日，地球自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間比24小時(shí)少了1.59毫秒，成為原子鐘計(jì)時(shí)以來最短的一天。
地球的縮短。;地球自轉(zhuǎn)周期意味著地球 s旋轉(zhuǎn)加速。根據(jù)《亞洲—大洋洲地球科學(xué)學(xué)會(huì)年度會(huì)議報(bào)告》的說法，科學(xué)家認(rèn)為地球的加速度 s的旋轉(zhuǎn)是由錢德勒 s揮桿。
那么，原子鐘計(jì)時(shí)的原理是什么呢？是地球 s自轉(zhuǎn)真的在加速嗎？錢德勒抖動(dòng)是怎么來的？近日，科技日?qǐng)?bào)記者就這些問題采訪了相關(guān)專家。
世界上最精確的計(jì)時(shí)工具
有三種常見的時(shí)間系統(tǒng)，即基于地球的世界時(shí)；;地球自轉(zhuǎn)周期，天文歷時(shí)間(et)基于地球 圍繞太陽公轉(zhuǎn)的周期，以及基于銫原子內(nèi)部電磁振蕩頻率的原子時(shí)(at)。 航天科技集團(tuán)公司第五研究院研究員翟浩告訴記者。
時(shí)間系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從天文時(shí)間到原子時(shí)的過程。天文時(shí)間是指觀測(cè)到天象，即太陽、月亮、星星等天體周期性運(yùn)動(dòng)所獲得的時(shí)間，包括上述的世界時(shí)和年歷時(shí)間。原子時(shí)是指根據(jù)原子吸收或釋放能量時(shí)發(fā)出的電磁波，利用原子鐘獲得的時(shí)間。
原子時(shí)萌芽于20世紀(jì)40年代末，誕生于50年代初。1967年，第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定將秒的定義由天文秒改為原子秒，即將銫原子零場(chǎng)基態(tài)9192631770個(gè)周期的超精細(xì)躍遷的持續(xù)時(shí)間定義為1秒，以1958年1月1日0: 00: 00作為原子時(shí)間的起點(diǎn)，從而開創(chuàng)了以微觀量子躍遷為計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的新時(shí)代。
翟浩說，原子鐘常用的元素是銫、銣、氫和堿土金屬。因?yàn)檫@種原子有非常高精度的能級(jí)躍遷，所以它輸出的電磁波非常穩(wěn)定。一系列精密儀器控制這些電磁波，使得原子鐘時(shí)間非常準(zhǔn)確。典型的銫原子束頻率標(biāo)準(zhǔn)的精度為1014個(gè)數(shù)量級(jí)，比宏觀授時(shí)的天文時(shí)間精度高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。如此精確的原子時(shí)為天文學(xué)、航海、航天等領(lǐng)域的發(fā)展提供了有力的保障。。
從工作原理上講，原子鐘是一種基于量子力學(xué)、原子物理學(xué)等物理機(jī)制產(chǎn)生穩(wěn)定準(zhǔn)確的時(shí)頻信號(hào)的裝置。 翟浩說，原子鐘分為微波原子鐘和光學(xué)鐘兩大類。目前用作國(guó)際時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)的銫原子噴泉鐘屬于微波原子鐘，其精度已經(jīng)達(dá)到了很高的指標(biāo)。計(jì)量科學(xué)研究院銫原子噴泉基準(zhǔn)鐘nim6的頻率不確定度優(yōu)于5.8×1016，相差1秒相當(dāng)于5400萬年。國(guó)家授時(shí)中心等單位的光鐘也達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，系統(tǒng)不確定度達(dá)到了5×1017，相當(dāng)于6億年。
世界時(shí)與地球密切相關(guān)旋轉(zhuǎn)。如果地球 地球自轉(zhuǎn)加速，它也會(huì)加速，如果地球 s自轉(zhuǎn)變慢了，它也會(huì)變慢。所以隨著時(shí)間的推移，原子時(shí)和世界時(shí)的差距會(huì)越來越大。
目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間稱為協(xié)調(diào)世界時(shí)(utc)，是一種基于原子時(shí)秒長(zhǎng)度并盡可能接近世界時(shí)的國(guó)際時(shí)間計(jì)量體系。每當(dāng)原子時(shí)和世界時(shí)之差逐年累積到0.9秒時(shí)，utc就會(huì)以正負(fù)1閏秒來彌補(bǔ)誤差，同時(shí)保持時(shí)間刻度的統(tǒng)一。
地球 美國(guó)的自轉(zhuǎn)在短期內(nèi)會(huì)加速，但在長(zhǎng)期內(nèi)會(huì)減慢。
目前，地球的平均周期為自轉(zhuǎn)是23小時(shí)56分04秒。有學(xué)者認(rèn)為，地球剛誕生的時(shí)候，自轉(zhuǎn)速度很快，一天只有8個(gè)小時(shí)；在恐龍時(shí)代，地球一天有23.5個(gè)小時(shí)；從恐龍時(shí)代到現(xiàn)在的一億多年里，地球的平均周期是自轉(zhuǎn)拉長(zhǎng)了30分鐘左右，也就是平均每年拉長(zhǎng)了16.4微秒左右。
國(guó)家天文臺(tái)研究員平勁松表示，隨著地球的動(dòng)態(tài)演化，地球自轉(zhuǎn)在幾十億年前就開始變慢。研究表明，最近的減速率約為每世紀(jì)2毫秒。地球 地球和月球引力的固體潮汐阻力減緩了地球的自轉(zhuǎn)。
根據(jù)原子鐘的精確測(cè)量，今年地球自轉(zhuǎn)越來越快，一天的時(shí)間縮短了。平勁松強(qiáng)調(diào)，事實(shí)上，在過去的半個(gè)世紀(jì)里，地球 s自轉(zhuǎn)在長(zhǎng)期減速的趨勢(shì)下經(jīng)歷了短期的起伏，即地球加速自轉(zhuǎn)。
例如，2020年將有28個(gè)最短地球日。其中，2020年7月19日，地球自轉(zhuǎn)一周，24小時(shí)相差1.47毫秒，創(chuàng)下當(dāng)年最短地球日的紀(jì)錄。2022年6月29日，這一紀(jì)錄被打破。
平勁松說，一個(gè)合理的解釋是，溫室效應(yīng)的加劇導(dǎo)致全球變暖，地球兩極和高海拔的冰川融化，全球海平面每年上升3毫米左右，地球上的物質(zhì)重新分配，導(dǎo)致繞旋轉(zhuǎn)軸的整體慣性矩減小，地球加速 s旋轉(zhuǎn)。
從感官上來說，人類很難感受到地球的變化旋轉(zhuǎn)速率。但是，這種毫秒級(jí)的變化，對(duì)于人類使用的各種高精度儀器設(shè)備來說，是非常重要的。例如，地球的變化 s旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)軸。建立精確的動(dòng)態(tài)地球坐標(biāo)參考系統(tǒng)非常重要，它也決定了衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和定軌的精度。
錢德勒 s的搖擺是一個(gè)百年老問題。
錢德勒擺動(dòng)是地球的擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸。美國(guó)天文學(xué)家賽斯·卡羅·錢德勒于1891年通過天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)地球的擺動(dòng)幅度為39米。;擺動(dòng)周期大約是14個(gè)月。
錢德勒公司。;地球的擺動(dòng)并不直接導(dǎo)致地球的加速旋轉(zhuǎn)。 北京大學(xué)特聘副研究員楊毅表示，兩者之間存在一定的相關(guān)性，但兩者之間的因果關(guān)系并不明確。事實(shí)上，地球系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)遷移和角動(dòng)量交換可以引起地球的位置 的旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)速率來改變。
地球是一個(gè)不均勻的橢球體，這被認(rèn)為是chandler s揮桿。但事實(shí)上，作為地球的一部分?jǐn)[動(dòng)，錢德勒 s擺動(dòng)是地球科學(xué)界的百年難題。科學(xué)家們提出了潮汐作用，與液體核心的動(dòng)量交換，大地震和其他機(jī)制，這些也可以導(dǎo)致錢德勒擺動(dòng)。此外，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)錢德勒 的擺動(dòng)也與大氣和海洋有關(guān)。
美國(guó)國(guó)家航空航天局的研究人員。;美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室建議錢德勒 美國(guó)的擺動(dòng)是由大氣和海洋運(yùn)動(dòng)的耦合驅(qū)動(dòng)的。他們的計(jì)算機(jī)模擬顯示，海底的壓力波動(dòng)占總驅(qū)動(dòng)的三分之二。但至少到目前為止，還沒有能帶動(dòng)錢德勒搖擺的動(dòng)作。
楊毅介紹，科學(xué)家成立了國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)協(xié)會(huì)，其任務(wù)之一就是定期測(cè)量地球的方向 s旋轉(zhuǎn)軸和監(jiān)視器錢德勒 s揮桿。因?yàn)殄X德勒 的擺動(dòng)是地球的擺動(dòng)。;地球表面的旋轉(zhuǎn)軸，會(huì)引起地球緯度的變化。早在1899年，世界上就建立了國(guó)際緯度天文臺(tái)，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)緯度變化，以獲得錢德勒 的揮桿信息。天津緯度站、上海佘山天文臺(tái)等機(jī)構(gòu)參與了國(guó)際計(jì)劃。
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