地球自轉是怎麼測量的呢?過去科學家是用現成的星星當作參考座標系,但不夠精確。現今使用的精密儀器,包括人造衛星的雷射測距、無線電天文的長基線干涉術,以及全球定位系統 GPS。例如:以遍布全球上空的衛星當作座標 (如上圖),測量地面測站與天上某四顆衛星的距離,計算每個時刻地面測站的當下位置,然後比較不同時刻的位置變化,藉此推知地球自轉的速度。 圖片重製 │林洵安

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。

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。

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,地球自轉是由東向西轉,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……

月球在地球引發潮汐,讓地球自轉越來越慢,地球消失的角動量則轉移到月球,增加月球公轉的速度。「為什麼不是增加月球自轉的速度?」因為地球對月球的潮汐力更強,造成月面如海水起伏摩擦,早就讓月球自轉「停擺」了,現在只能用同一面面對地球。
資料來源 │趙丰 圖片重製 │林洵安

「可是……不是說角動量一定要守恆嗎?但地球的角動量越來越少了……」

地球和月球互相吸引,又不受外力影響,可以看成一個系統。地球消失的角動量轉移到月球,整個系統的角動量還是守恆的!

月球的公轉角動量增加,又造成一個有趣的現象:

月球公轉速度變快,地球引力越來越拉不住它,於是月球越跑越遠、公轉軌道越來越大,每年平均遠離地球 3.8 公分。

由此反推,過去月球應該離地球非常近,當時月亮大又圓,而且每次漲潮都是恐怖大海嘯。

而未來,地球將越轉越慢,直到停止自轉,最後永遠只用同一面對著月球。屆時,地球只有一半地區可中秋賞月,但那時月亮只不過是天邊一顆不起眼的小白點。

地軸從來不安分

最後,地球自轉不只愈來愈慢,自轉軸還會各種搖擺,就像你甩出陀螺或是丟出飛盤,它們的旋轉軸也會繞圈圈或是些微晃動。

最有名的就是歲差現象:地軸週期性的繞圈圈,造成春分、秋分,冬至、夏至相對於星體的角度年年改變。幕後的主要黑手是:太陽和月球的引力,使地球自轉軸以 25800 年為週期,繞出一個圓錐。影響所及,人類的曆法必須考慮它、對它修正,才能跟著上地軸的「舞步」。

地球就像陀螺一樣,自轉軸會週期性的繞圈圈,造成春分、秋分,冬至、夏至相對於星體的角度年年改變,比方說:地軸北方所對的「極星」隨著時間改變,未來將從北極星轉向織女星。
資料來源 │趙丰 圖片重製 │林洵安

但即使沒有外力,地球自轉軸也會自己擺動,造成許多古怪的現象,像是北極點不斷漂移,稱為極移。

早在 1900 年,人類就訂出地理北極點的位置,統一全世界的地圖和座標。但事實是,地球真正的北極點每天都像個陀螺似的,一邊打轉、一邊朝美國東部的方向漂移,目前已移動十多公尺。

原因與冰河期後的反彈現象有關。在冰河期,地表被厚重的冰層壓住,等到冰河期一過,冰原融化了,壓力解除了,大地就像彈簧床緩緩回彈,使地表某些地區「長胖」了。

地球的「形狀」改變了,質量重新分配,自轉軸也會跟著微調,真正的北極點 (自轉軸穿出北方地面之處) 也就換位置了。這還是角動量守恆的結果!你可以把同一塊黏土捏成各種形狀,試著轉轉看,就會發現轉動軸真的會改變。

看到這裡,地球的大轉、小轉是不是把你的腦袋轉暈了呢?總的來說,地球自轉宛如氣勢恢弘的交響樂曲,主旋律是漸慢板,但其中還隱藏著更多奇妙的副旋律,崮中奧妙有賴科學家細細品聆了。

地球自轉的學問好有趣,但跟生活好像沒有關係?

關係可大了!如果沒有研究地球自轉,GPS 就無法精確定位,現代人的日子就沒法過了。

現代開車、找路都需要的 GPS (全球定位系統) 衛星導航。原理是:地面接受器同時接收某四顆衛星傳來的訊號,訊號中有每顆衛星的座標和訊號發射時間,接受器再由收到訊號的時間差,反推每顆衛星距離它多遠,最後綜合考慮四顆衛星的座標和距離,推算出地面接受器當下的位置,完成定位任務。

問題來了!地球本身會自轉,接受器自己就動來動去,怎麼精確評估與衛星的距離?所以接受器必須時時接收當下地球自轉的資訊,修正計算,以免導航誤差。

值得一提的是,GPS的成功使用與地球自轉研究非常密切。譬如當地球上的科學家為了追蹤和指揮太空飛行物,或是發射到其他行星的太空船,地面指揮站必須能精準計算距離和位置,而第一步就得先扣除地球自轉造成的誤差。另外,地球自轉的研究也能幫助評估全球暖化的人為影響。

地球自轉是怎麼測量的呢?過去科學家是用現成的星星當作參考座標系,但不夠精確。現今使用的精密儀器,包括人造衛星的雷射測距、無線電天文的長基線干涉術,以及全球定位系統 GPS。例如:以遍布全球上空的衛星當作座標 (如上圖),測量地面測站與天上某四顆衛星的距離,計算每個時刻地面測站的當下位置,然後比較不同時刻的位置變化,藉此推知地球自轉的速度。
圖片重製 │林洵安

全球暖化跟地球自轉有什麼關係?

當前有種迷思:地球本來就有週期性的氣候變遷,例如:冰河期和間冰期的來來去去,目前的暖化現象只是自然週期的一部份,人為的影響不是主因,一切都是某些科學家大驚小怪。

所以科學家必須了解冰河期的自然週期,作為全球暖化的背景資料,才能正確評估人類的影響程度。

而冰河期最重要的成因,來自其他行星引力,首先改變地球公轉軌道,讓它變得更橢或更圓,此週期約為 10 萬年。當軌道越橢,日照量越少,冬夏差異越大,冰河期越容易發生。

其次,行星引力造成地軸傾角週期性的擺盪,也會影響冬夏差異的強弱,這個週期約為 4 萬年。

最後,地球公轉軌道也會晃動,加上地球自轉軸本來就會轉圈圈,聯手改變地球最接近或遠離太陽的日子,週期約為 2 萬年。當北半球冬季遇上遠日點,就容易形成冰河期。

資料來源 │趙丰 圖片重製 │林洵安

以上這些「萬年起跳」的週期,就是地球氣候變遷的自然週期。由此可知,人為破壞雖然局部的,但是 3~5 年就相當有感,效果又快又猛烈,真的是全球暖化的主要凶手。

地球自轉還有什麼有趣的研究方向嗎?

所有地球自轉會發生的現象,在其他行星上都會發生。前面說過地球對月球的潮汐力,讓月球只能用同一面面對地球,這個現象就廣泛的發生在各大行星與它們的衛星。國外行星研究正夯,這是很有發展的方向。

地球自轉還能探索地球內部。當前科技無法像電影般潛入地心,地球內部現象必須依靠地表能夠量測的數據反推,包括地震波、重力場、地球自轉變化、磁場的變化量。

最近兩三年,我從地球自轉的快慢變化,發現一個 6 年上下的小週期震盪,推測地球的內心會像鐘擺一樣來回搖擺。

我的推論是:地球的內核和外核不是完美的圓形,中間又隔著液體層,所以內核在液體內可能會晃動 ,造成鐘擺般的簡諧運動 。當地球內核晃動,外面地殼因為角動量守恆就會跟著改變轉速,造成地球自轉週期性的改變。

總之,只要發揮想像力,可以做的主題非常多,非常有趣的!