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自原子钟计时以来最短的一天，为什么地球自转“赶时间”？
从长远来看，地球的自转趋于放缓，科学家预计每天将增加半小时，再过1亿年；在短时间内，如未来几万年或几十万年，随着月球潮汐力的减弱，地球的自转速度将放缓。
8月25日，第二届中国空间科学大会在山西太原举行。会上提到了原子钟作为一个重要话题。
原子钟作为最准确的计时工具，在人类计时史上做出了许多贡献，不久前，一些科学家用高精度原子钟记录了迄今为止最短的地球日。
一般来说，地球每天大约24小时。然而，今年6月29日，地球自转一周比24小时少了1.59毫秒，成为原子钟计时以来最短的一天。
地球自转一周的缩短意味着地球自转的加速。根据《亚洲-大洋洲地球科学会年度会议报告》，科学家们认为地球自转的加速是由钱德勒的摆动引起的。
那么，原子钟计时的原理是什么呢？地球自转真的在加速吗？钱德勒是如何摆动的？最近，《科技日报》记者就这些问题采访了相关专家。
世界上最准确的计时工具
“基于地球自转周期的世界时间系统有三种常见的时间系统（UT）、以地球绕太阳公转周期为基准的历书（ET）原子的基准和以δ原子内部电磁振荡频率为基准（AT）。中国航天科技集团有限公司第五研究院510研究员翟浩向记者介绍。
时间系统的发展经历了从天文学到原子学的过程。天文学是指观察天文学现象的时间，即太阳、月亮、星星和其他天体的周期性运动，包括上述世界和书籍。原子时是指利用原子钟在原子吸收或释放能量时发出的电磁波获得的时间。
原子时萌芽于20世纪40年代末，诞生于20世纪50年代初。1967年，第十三届国际计量代表大会决定将秒的定义从天文秒改为原子秒，9192631770个周期的持续时间为1秒，称为原子秒，1958年1月1日0:000秒作为原子时的计时起点，从而开创了以微观量子跳跃为计时标准的新时代。
翟浩说，原子钟中常用的元素有锑、氯、氢和碱土金属。由于这种原子具有非常高精度的能级跃迁，其输出的电磁波非常稳定。一系列精密仪器控制这些电磁波，使原子钟的计时非常准确。以10-14量级为准确度的典型∞原子束频标，比宏观计时天文时准确度高几个数量级。这样准确的原子，为天文、航海、航天等领域的发展提供了强有力的保障。
“从工作原理来看，原子钟是一种基于量子力学和原子物理的设备，利用原子跳跃原理产生稳定准确的时间频率信号。翟浩说，原子钟分为两类：微波原子钟和光钟。目前，作为国际时间频率的基准，用于微波原子钟，其准确性已达到较高的指标。NIM6的频率不确定性优于5.8×10-16，相当于5400万年不差1秒。中国科学院国家授时中心等单位的光钟也达到了国际先进水平，系统不确定性达到了5×10-17，相当于6亿年不差1秒。
世界与地球自转密切相关。如果地球自转加快，世界就会加快，地球就会减慢，世界就会减慢。因此，随着时间的推移，原子和世界之间的差距将越来越大。
目前，国际标准时间被称为协调世界时间（UTC），它是一种基于原子时秒长的国际时间计量系统，在时间上尽可能接近世界。每当原子时间和世界时间的差异逐年积累到0.9秒，协调世界时，通过正负1闰秒来弥补误差，同时保持时间尺度的均匀性。
地球自转短期加速，但长期减缓
目前，地球自转的平均周期为23小时56分04秒。一些学者认为，当地球诞生时，每天只有8小时，恐龙时代每天有23.5小时，恐龙时代的平均周期约为30分钟，每年约为16.4微秒。
中国科学院国家天文台研究员平金松表示，随着地球动力学的进化，地球旋转自几十亿年前以来一直在放缓。研究表明，最近的放缓速度约为每世纪2毫秒。月球引力的固体潮汐拖动减缓了地球旋转。
根据原子钟的准确测量结果，地球今年转得越来越快，一天的时间也越来越短。平强松强调，事实上，在过去的半个世纪里，在长期放缓的趋势下，地球自转有一个短期的起伏，即地球加速旋转。
例如，2020年出现了28个最短的地球日。其中，2020年7月19日，地球以24小时差1.47毫秒自转一周，创下当年最短的地球日纪录；这一纪录于2022年6月29日被打破。
平劲松说，一个合理的解释是，温室效应的加剧导致全球变暖，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，导致自转轴整体旋转惯性减少，地球自转加速。
在感官上，人类很难感受到地球自转速率的变化。然而，毫秒级的变化对于人类使用的各种高精度仪器和设备非常重要。例如，地球自转速率和自转轴的变化对于建立准确的动态地球坐标参考系统至关重要，也决定了卫星导航、定位和轨道定位的准确性。
钱德勒摆动的机制是百年难题
1891年，美国天文学家塞斯·卡洛·钱德勒通过天文观察发现，地球表面摆动幅度为3-9米，摆动周期约为14个月。
北京大学特聘副研究员杨毅说：“钱德勒的摆动并不直接导致地球自转加速。”，两者之间存在一定的相关性，但两者之间的因果关系尚不清楚。事实上，地球系统内的物质迁移和角动交换可能会导致地球自转轴的位置和速率的变化。
地球是椭球体不均匀的特征，被认为是钱德勒摆动的原因之一。但事实上，作为地球摆动的一部分，钱德勒摆动的刺激机制是地球科学界百年来的一个难题。科学家们提出了潮汐效应、与液体核心的动态交换、大地震等机制，这也会导致钱德勒摆动。此外，科学家们发现钱德勒摆动的范围也与大气层、海洋等有关。
美国航天局喷气促进实验室的研究人员提出，钱德勒摆动是由大气层和海洋运动耦合驱动的。他们的计算机模拟显示，海底的压力波动占总驱动力的三分之二。但至少到目前为止，还没有一项运动能够固定地驱动钱德勒摆动。
据杨毅介绍，科学家们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，监测钱德勒的摆动。由于钱德勒的摆动是地球自转轴在地表上的摆动，因此会导致地球纬度的变化。早在1899年，国际纬度观测研究所就成立了国际纬度观测研究所，长期监测纬度变化，以获取钱德勒摆动信息。天津纬度站、上海佘山天文台等机构都参与了国际计划。
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