地球自轉學問大

中學生就知道地球會自轉,自轉形成晝夜,自轉軸傾斜造成季節。但你知道嗎?地球自轉其實是忽快忽慢的,沒有一天是 24 小時,長期來說還有越轉越慢的趨勢。地球自轉軸也不是雷打不動,它會繞圈圈、各種搖擺,導致歲差和北極點不斷漂移等古怪現象。中研院地球科學研究所特聘研究員趙丰,帶你穿越上下億萬年的古今地球,聊聊中學地科老師沒告訴你的事。

趙丰,曾任美國國家暨太空總署 (NASA) 太空測地學實驗室主任,2006 年離開 NASA,回到臺灣任教,曾任中央大學地球科學學院院長、中研院地球科學研究所所長,目前為中研院地球科學研究所特聘研究員。攝影│林洵安

趙丰,曾任美國國家暨太空總署 (NASA) 太空測地學實驗室主任,2006 年離開 NASA,回到臺灣任教,曾任中央大學地球科學學院院長、中研院地球科學研究所所長,目前為中研院地球科學研究所特聘研究員。 攝影│林洵安

 

 太陽系分家產

說起地球自轉,首先得弄清楚:地球為什麼會轉,第二個問題是:為啥轉了 46 億年還不會停?

「地球會轉,是因為它在太陽系形成之初,分到一部分的『家產』:角動量。」趙丰幽默的比喻:「地球為什麼到現在還轉不停?因為分到的家產 (角動量) 還沒有用完啊。」

角動量是什麼?簡單說,它是物體轉動時的一種物理量。物體的質量越大、轉動半徑越大、轉速越快,角動量就越大。更重要的是,在沒有外力的情況下,角動量永遠守恆,不會變多、也不會變少,只能互相交換。

怎麼交換?靠摩擦!比方說,兩個旋轉的陀螺擦撞、分開,結果一個變慢,另一個就變快,就是前者的角動量藉由摩擦轉移到後者。而地球分到的角動量,則是跟太陽系其他天體「摩擦」來的。

時間回到 46 億年前,一場劇烈的超新星爆炸,太陽系誕生了。新生的太陽系宛如爐子上的一鍋熱粥,大小天體亂轉亂竄,就像一顆顆高速旋轉的大小陀螺,不斷發生碰撞,交換彼此的角動量。

 

太陽系形成的初始條件,決定了整個太陽系的角動量總和。所有天體藉由互相撞擊,交換彼此的角動量,各自分得一部份「家產」。圖片來源│NASA

太陽系形成的初始條件,決定了整個太陽系的角動量總和。所有天體藉由互相撞擊,交換彼此的角動量,各自分得一部份「家產」。 圖片來源│NASA

 

最後,太陽、地球、其他行星、小行星等所有天體,各自分到一部份的角動量 (家產),恆星和行星開始穩定的公轉和自轉,太陽系才逐漸成形。

然後勒?「從此,地球就過著穩定旋轉的日子……」並沒有!首先,地球自轉忽快忽慢,沒有一天是 24 小時。

 

  地球自轉忽快忽慢

在原子鐘發明以先,地球自己就是時鐘。人們把地球自轉一周後,回到面對太陽同一角度所經歷的時間,訂為「一天」,後來又把一天等分為 24 份,每一等分稱為 1 小時。

近代改用原子鐘定義時間,重新測量地球自轉。結果發現:

二、三十年下來,地球自轉沒有一天是 24 小時。每天都跟 24 小時或多、或少差了千分之一、二秒。

為什麼?地球沒有受到外力,角動量不是應該守恆嗎?

「因為地球不是一塊死板板、硬梆梆的剛體,」趙丰說:「大氣環流海洋洋流地函對流,地球時時刻刻都在變化。」

地球自轉有角動量,大氣環流、海洋洋流、地函對流也有角動量。所謂角動量守恆,是指地球上所有物體角動量的總和不變,但可以互相交換。

比方說,地球自轉是由西向東轉,當大氣向東流速變快,會對地面的推擠摩擦,從地球本身「借走」一點角動量,導致地球自轉變慢;相反的,如果大氣向東的流速變慢,也會藉著摩擦,「還給」地球一些角動量,使地球自轉變快。

地球不是一整塊死板板的剛體,大氣環流、海洋洋流、地函對流、巨大地震、冰河融化......地球無時不刻不變化,影響自轉速度和地軸方向。尤其當大氣、海洋、地函對流方向等等發生改變,因為角動量守恆,地球自轉就會忽快忽慢。資料來源 │趙丰 圖片重製 │林洵安

地球不是一整塊死板板的剛體,大氣環流、海洋洋流、地函對流、巨大地震、冰河融化……地球無時不刻不變化,影響自轉速度和地軸方向。尤其是當大氣、海洋、地函對流方向等等發生改變,因為角動量守恆,地球自轉就會忽快忽慢。 資料來源 │趙丰 圖片重製 │林洵安

 

「今天大氣拿走一點,明天海洋還來一點,加加減減的,地球自轉就忽快忽慢了,」趙丰繼續比喻:「就像銀行的存款,今天吃個大餐,明天領個薪水,每天生活的收入支出,都會讓戶頭金額微微變動。」

但麻煩來了!如果地球好一陣子都轉得比較慢,一天慢個一千分之一秒,兩三年下來,就可能慢上 1 秒了。我們該不該把原子鐘也塞進 1 秒,以免跟地球自轉越差越遠,這就是過去發生了二十幾次的閏秒事件。

最近一次閏秒發生在 2017 年的 1 月 1 號,那年元旦假期幸運的多了……1 秒鐘。

 

 地球越轉越慢、月球越來越遠

好幾年才加減 1 秒,根本無感?沒關係!如果把時間拉長,從幾百萬、幾千萬、幾億年的尺度來看,地球真的越轉愈慢,每 100 年穩定慢上千分之一秒。

可別小看千分之一秒?想想,如果是累積了 100 萬年、100 個 100 萬年 (1 億年)……差距就非常可觀,而地球已經 46 億歲了。

從化石證據知道, 4 億年前,地球一天只有 22 小時,再往前推,新生地球可能幾小時就轉一圈!反過來說,

當未來地球越轉越慢,一天真的有 25 小時可用。只不過還要再等上……2 億年。

誰讓地球剎車了?罪魁禍首是:月球!月球吸引地球的海水,引發潮汐現象,海水來來回回摩擦地表,就像貼在地球表面的「剎車皮」,讓地球慢慢「減速」。

至於地球消失的角動量,則被月球神不知鬼不覺的接收,用來增加月球公轉的速度……

 

 

要看更完整的精采文章,請至研之有物官網:

http://research.sinica.edu.tw/chao-fong-earth-rotation-moon-angular-momentum/

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