周期变化的地球时钟

我们知道，地球的一天是在不断变化的，而且是在一天天变长：13亿年前，每年有500多天，一天不到18个小时;又过了大约10亿年，生物种类大爆发，那时候每年有420天，一天约有21个小时;今天，我们已经非常习惯一年365天(或366天)，一天24个小时的日子了。

可是，除了这种长期变化外，科学家惊讶地发现，地球一天的长度在短时间内也是来回摆动的：大约每6年，地球的一天长度就会变动一次，每次增加或减少0.1毫秒左右。对于个人而言，0.1毫秒的时间甚至不够用来眨一次眼，这种尺度的时间变化对我们的日常生活不会产生影响。

但是，有些精密仪器可能不太喜欢这种改变：全球定位系统通过接收不同位置的卫星发出的信号来确定接收器的位置，在赤道上，信号发射时间相差0.1毫秒所产生的位置误差可达0.5米;航空航天、军事指挥、金融结算等领域需要精密授时，原子钟、卫星授时等是常用的报时手段，如果信号发出和接收的双方采用不同的授时方法和时间标准，哪怕只相差0.1毫秒也会影响指令的发出时间以及完成程度。因此，科学家们迫切需要搞明白，地球一天的长度为什么会变化。

地球一天的长度取决于地球自转一周需要多长时间，许多因素会影响地球的自转时间，比如与其他行星的引力相互作用、海洋和大气中的活动以及地核和地幔之间的电磁交互作用等。可是，按理来说，这些因素要么对地球自转有长期影响，要么对地球的影响应该是不定时的，为什么地球的时长会出现六年一次的固定变化呢?

　　定时“逆行”的地球内核

最近，科学家找到了解释这个谜团的新理论——定时震荡的地球内核可能是导致地球时钟周期变化的“齿轮”。

地球的内核大约有冥王星那么大，它是一个主要由铁和镍组成的实心球，外层还包裹着流动的熔融铁水。当然，这一切是科学家根据数据处理和模拟实验猜想的，现有技术根本没办法直接观察地球内核的结构和运动。19世纪，科学家发现，地震时震源会向四面八方传播振动，这些振动波有的只在地下传播，有的能穿过地下的岩层，撼动地表，有的沿水平方向传播，有的沿垂直方向传播。基于这些差别，科学家将地震波分为在地下传播的体波和沿地表传播的面波，其中体波又分为纵波(P波)和横波(S波)两类。

地震波能为我们提供很多地球内部的秘密，比如不同部位的运动速度。地球在不断自转，由于距地心的距离不同，不同圈层的速度是不一样的，就像田径场上同一起跑线同时起步的运动员，跑在内圈的总是比外圈更快那样。那么，与其他部分相比，地球的内核跑得更快还是更慢呢?

这个问题P波可以解答。我们知道，海豚会通过回声进行定位：向四面八方不断发射声波，这些声波遇到物体时会发生反弹，根据反弹时间进行定位。如果有一条鱼正向海豚靠近，声波返回到海豚耳中的时间会更短，反之则更长。P波定速的原理与此类似，如果地核朝向观察者旋转，则在地球内部传播的P波反弹的距离比地核远离观察者时的更短，所需时间也更短。根据这个原理，1996年，一项科学研究首次提出，地球内核旋转的速度比地球其他部分更快。

这个结论与我们的常识相符，毕竟地核跑的是“内圈”，它的速度理应更快一些。但是，最近一项研究提出了近乎相反的结论：地球内核的旋转速度不是固定不变的，有时跑得快，有时又会减速，甚至还会“逆行”。

　　意外发现解开时钟之谜

这项研究结论来自“人造地震波”。1960年代以前，人们习惯在地面上进行核试验，这些试验所产生的辐射影响范围大、时间长，后来，为了健康和环保着想，核试验就被转到了地下。核武器在地底爆炸能产生类似地震波的振动，为了检测和监测地下核试验，科学家在全球建立了几个地震仪阵列，其中，位于美国蒙大拿州的大孔径地震仪阵列(LASA)是最大的一个。

LASA从1964年到1978年运行，在LASA运行的14年里，科学家们收集到了大量自然地震和地下核试验所产生的振动数据，通过分析这些数据，科学家们得知了更多的地核秘密。美国南加州大学的地球科学家王伟和约翰·维代尔收集了1969年至1974年间苏联地下核弹试验产生的P波的到达时间，结果发现，在1969-1971年，地球内核的旋转速度不断变慢，速度最小时，地核的速度甚至比地壳还慢，到了1971-1974年，地核开始反向旋转并逐渐加速。也就是说，大约每6年时间，地球内核就会改变一次运动方向。

地核的这一运动方式让科学家联想到了时长的变化——每6年，地球一天的长度就会发现微小的改变，有时变长一些，有时变短一些。时长的变化与地核的转向有什么关系呢?这是因为地核转向影响着地球的自转。

我们的地球已经自转了45亿年，是什么力量支撑它持续运动这么长时间呢?答案是“角动量”。物体做圆周运动所产生的动量就是角动量。旋转的陀螺、滚动的车轮以及自转的地球所具有的动量都属于角动量。

46亿年前的太阳系还处于星云状态，一场超新星爆发打破了太阳系星云的宁静，导致其中的物质在引力作用下不断向中心旋转、坍塌。随着氢和氦以及少量重元素的不断聚集，中心区域物质密度变得越来越大，温度也越来越高，最终达到了氢元素核聚变所需的温度和压力——太阳诞生了。由于宇宙基本是真空的，几乎没有外力作用，星云物质快速旋转产生的角动量衰减得十分缓慢，由这些星云物质组成的地球从“出生”以来就在不断自转，就像一个在光滑平面上持续打转的陀螺。

不过，地球自转了这么久，它也有点“疲累”了，月球的潮汐力正不断消耗地球的自转角动量，使得地球的自转速度逐渐变慢，以至于一天的时长也在逐渐增加。地核的“转向”同样影响着地球的自转角动量：因为地核以与地幔和地壳不同的速度旋转，则两者之间存在角动量交换。核幔角动量交换将地球自转动能变为热能，积累在核幔边界，使地壳和地幔旋转得更快，地核旋转得更慢，这进一步消耗了地球的自转角动量，拖慢了地球自转的速度——一天变得更长。但是，当地核忽然转向时，这一切就会颠倒过来：地壳和地幔旋转变慢，地核旋转变快，地球的自转角动量得到增加，自转变快，时长变短。

地核“齿轮”正向转一转，地球时钟就会加速;反向拨一拨，地球时钟减速，这也许就是地球时钟周期变化的原因。