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发表于 2012-4-9 12:40
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地球自转速率的变化
叶叔华
1961-06-09
我们日常所用的时间,无论是北京时、莫斯科时,或者是全球通用的世界时,都是拿地球的自转周期来计量的。天文工作者用望远镜去观测恒星,用恒星作为不动的目标来测量地球的自转,然后再校准我们的钟。通常所谓一天,就是地球自转一周所经历的时间再加上地球公转在一年当中的平均数(大约是每天三分五十六秒半),然后等分为二十四小时或者是八万六千四百秒。如果地球的自转速率发生变化,一天的长短就跟着变动,一秒的长短也不得不改变了。秒是时间的基本单位,而时间又是与长度、质量并列的三种最基本的物理量,它和科学技术的许多部门都有关系。另一方面,引起地球自转速率变化的原因又和地球表面与内部物质分布以及运动的情况密切相关,因此,地球自转变化的研究还可以帮助我们了解地球的结构和演化。
事实上,地球的自转速率是在变化着的,现在已经知道这种变化有三种类型:第一种是一年一周的季节性的变化,也就是地球自转在一年之间有时快有时慢;第二种是在几年或者几十年之间,自转速率不规则的起伏性的变化;第三种是一直变慢的趋向,也称为长期性变化。
首先发现的是长期性变化,这种变化是从长期观测月亮的运行中找到的。自从十七世纪初期,刻普勒从大量的天文观测归纳出行星运动的三个定律,牛顿的万有引力定律更基本地阐明物体之间的引力关系以后,根据这些定律来研究太阳、月亮和其他天体的运动,并且推算它们位置的学科——天体力学就建立起来了。
天体力学的发展,不但能够准确地预测日月食,推算行星的位置;在公元1846年和1930年,还帮助天文学家根据计算去找寻当时所未知的遥远行星。海王星和冥王星的先后发现,标志着人类掌握客观规律的伟大胜利。
可是,天体力学看来并没有完全解决关于月亮运动的问题。1695年,从古代和当时日月食观测的比较,发现月亮的运动有加速现象。大约在五十年以后,这个现象得到了进一步的证实:月亮的运动每世纪要加快十弧秒左右。
月亮为什么愈跑愈快,这个问题吸引了当代许多数学家的注意。欧拉和拉格朗日都曾经研究过这个问题,没有得到解决。直到1787年,拉伯拉斯指出:由于大行星对地球的引力作用,地球轨道的偏心率逐渐变小,这样就影响到太阳对月亮的吸力,使得月亮的运动逐渐加快。拉伯拉斯计算得月亮的长期加速值应该是每世纪十点一八弧秒,正好和观测所得到的数值吻合。
看来月亮运动的问题已经圆满解决了,不料在六十六年之后,重新复核拉伯拉斯的计算时,又找出漏洞。原来既然地球轨道有了变化,势必影响月亮的运动速度,因而理论推算的月亮长期加速值只应该是每世纪五点七零弧秒,这和观测值还相差得很多。
这个悬案,一直到1905年,太阳运动也发现有微小的长期加速现象,继后在水星、金星的运动中找到同样的现象以后,才弄清楚所谓月亮长期加速的问题实际上是地球自转速率长期减慢的后果。
天体力学运动方程中的时间变量,本来设想是均匀的。这就是说,计算的天体位置应该对应于一只走得一点不差的理想钟所指示的时间。现在,我们所用的是地球自转所指示的时间。如果地球钟愈走愈慢,观测到的天体运动就会愈来愈快,观测与计算之间就不能一致。运动愈快的天体,反映出来的偏差愈大。月亮、水星、金星、太阳(太阳运动实质上是地球运动的反映)都是太阳系中运行比较快的天体,其中月亮走得最快,所以长期加速现象也发现得最早。其他三个天体,既然长期加速的性质相同,数值上又都比例于它们的运动速度,这就毫无疑问地证实了地球的自转速率是逐渐减慢了。
地球为什么会愈转愈慢呢?海水潮汐所引起的摩擦,会消耗地球的一部分能量,因而使自转的速率慢下来。许多学者对潮汐摩擦作了种种估算,发现浅窄海湾所引起的潮汐摩擦,大致和观测所得的长期减慢值相符合,其中以白令海峡的影响为最大。月亮长期加速所对应的地球自转长期变化是每世纪变慢千分之一、二秒左右。
地球自转速率的不规则变化,也是首先在月亮观测中发现的。十九世纪中叶有了更完整的月亮运动理论,拿根据这个理论计算的月亮历表和过去的月亮观测比较,又发现月亮的运动另有一种不规则的起伏性变化。变化的原因虽然找不到,可是从1650年以来,变化的情况可以用一个周期为二百六十年的经验公式来表示。这个现象的产生有两个可能:第一个可能是月亮的运动理论还有考虑不周到的地方,因而不能完全代表观测结果;另外一个可能是地球自转速率的变化,也就是说:理论计算时用的是理想的钟,实际观测用的是走得不准的钟,因而对不起头来了。
1919年,卜朗更详细地研究月亮运动的理论,重新加以发展。他的月亮运动理论在今天看来,依然是十分完善的。可以说,从引力理论出发,该考虑的因素都考虑了。为了求得与观测结果一致,虽然缺乏任何理论根据,卜朗还是不得不把代表月亮运动起伏变化的经验公式,引用进来。可是事与愿违,自从1923年起,卜朗的月亮历表被用为天文年历中推算月亮位置的根据以后,推算的位置总是不对头,而且不论是把经验公式加进去或干脆是把它删掉都无补于事。
看来问题并不出在月亮身上,是不是地球又在背地里作怪呢?经过许多天文家的努力,把十七世纪以来的月亮、太阳、水星、金星的观测资料加以详细分析以后,1939年终于在这些天体的运动中找到相同的起伏现象,起伏的大小分别比例于这些天体的运动速度。这样就完全证实了地球的自转速率有不规则的起伏变化。
起伏变化的情况大致是这样:十七世纪的大部分时期内,地球自转速率都在增快,十八世纪初期起,基本上变慢。十九世纪前半又有一段变快的时期,1840年到1860年之间又慢下来,以后又逐渐转快,特别是在1870年附近快得更多。1900年到1915年之间又有一段特别慢的时期,目前的趋向仍然是在变慢。如果在1900年把地球钟和理想的钟校准的话,到现在,地球钟已经比理想钟慢上35秒了。
地球自转速率的长期和起伏变化,问题的出现与得到肯定所经历的过程基本上是相同的。两者都是从理论上计算的月亮位置和实际上观测位置的偏差引起,又同样是以太阳、金星、水星的情况为旁证来加以肯定。理论与观测的偏差是长期累积的结果,因此,用上面的方式不可能觉察到更短期的效应。如果我们拥有比地球更稳定的钟,就不难更及时更细致地检查地球自转运动的情况,地球自转速率的季节性变化,正是这样找到的。
1935年左右,在波茨坦和巴黎都曾经进行过用石英钟和天文摆钟来考查地球自转速率季节性变化的工作。限于摆钟本身的误差和当时石英钟的精确度,所得到的结果缺乏说服力。经过十几年的时间,在钟的质量和用天文观测决定时间的工作精确度逐渐提高的情况下,终于得到一致的结论:地球的自转速率在一年之中呈现季节性的变化,春季慢了约千分之一秒,秋季快大约同样的多。累积下来,每年5、6月间,地球钟比理想钟要慢上百分之三秒;9、10月间又要快上百分之三秒。这个数字看来虽小,可是对于研究高稳定度的振荡频率和钟的工作来说,其伤脑筋的程度并不下于六十年来地球钟慢了35秒所引起的编算历表工作的困难。
既然种种烦恼都是由于地球自转速率不能守恒引起,我们又偏偏选择了这样一个善变的量来计量我们的时间,那么最合理的解决办法当然是另定一个可靠的时间单位,或者是在有足够的根据以后,把地球自转速率的变化加以修正。 |
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