最后更新：2025年10月2日

为什么白天越来越长？

地球自转因月球潮汐而减慢 — *地球受到月球施加的潮汐力作用而减速。这种能量耗散逐渐延长了白天的时长。图片来源：astronoo.com*

地球自转变慢的起源

数百万年来地球的减速

地球绕其自转轴的旋转在地质时间尺度上并非恒定不变。对化石珊瑚和叠层石的古生物学分析表明，4亿年前，地球一年大约有420天。这一现象可通过与角动量守恒及地月引力相互作用相关的基本物理定律来解释。

月球减缓地球自转：潮汐力的影响

导致这一减速的主要因素是月球施加的潮汐力。该力使地球的固体部分和流体部分发生形变。由于地幔的黏滞性和海洋的惯性，潮汐隆起并非正对月球，而是略微超前，从而产生一个制动扭矩。这一扭矩将地球自转的角动量逐渐转移至月球的轨道运动中，导致月球以每年约3.8厘米的速度逐渐远离我们。

能量转移、热耗散与日长增加

这种能量转移涉及热耗散（主要发生在海洋中），并导致地球自转速度减慢。目前，平均日长每世纪增加约1.7毫秒。这种变化看似微小，但累积数百万年后，其影响将变得显著。

不稳定且不可预测的旋转

地球围绕一条假想的轴自转，该轴倾斜并指向北天极。在赤道处，这种自转产生的表面速度约为1674.364公里/小时。长期以来，这一自转被视为通用的参考基准，用于精确测量时间。但实际上，这一速度既非恒定也非完全规则：地球存在细微但可测量的波动，导致时间不同步。

自20世纪60年代以来，这些不规则性导致增加了闰秒以补偿地球自转的逐渐减缓。为保持原子时与天文时的一致性，总共增加了34秒。因此，有些分钟会持续61秒。这一现象虽在短期内影响甚微，却凸显了不断重新定义时间的必要性。

地球自转减缓的原因

地球自转的不稳定性源于一系列内外因素。地球并非完全刚性的天体：其不同层圈——金属内核、地幔、地壳、大气层——以动态且非同步的方式相互作用。月球通过其潮汐效应，数十亿年来一直作为天然制动器减缓地幔自转。但太阳系中的其他天体，如行星和太阳，也通过引力作用加剧了这种减速过程。

一颗受时空危险影响的星球

精确的地球物理现象也会调节日长：大陆漂移、大地震、洋流、剧烈气象事件。这些效应可使地球自转加快或减慢几微秒。我们的星球实际上在时空的四维结构上"颠簸"，这是一张被恒星质量弯曲的宇宙蹦床。这些由广义相对论预测的混沌引力流，永久地影响着地球的惯性行为。

原子秒 vs 天文时间

1967年，秒被重新定义为基于铯-133原子9,192,631,770次振荡的原子时。但该定义并未完美划分恒星日或太阳日。微小的误差依然存在，并因上述自然变化而被放大。

为何要精确测量日长？

这些波动使得持续监测日长成为必要。时间测量系统必须定期重新同步，以确保地面与空间仪器之间的时间一致性。这种精度对现代技术至关重要，尤其是对全球导航系统（如GPS）而言。在2万公里高空，时间计算若出现几微秒的延迟，将导致地球表面定位误差达数百米。

IERS与全球时间监测

因此，国际地球自转与参考系统服务局（IERS）等组织持续监测地球自转的变化。这些观测结果使得全球法定时间得以定期调整，并确保了依赖时间的系统的可靠性。

2035年闰秒将终结

自1972年以来，协调世界时（UTC）偶尔会通过增加闰秒进行调整，以补偿地球自转相对于原子时间的不规则减速。这一额外的秒数通常会在6月或12月底被不可预测地插入，以将UTC与UT1世界时之间的差异保持在0.9秒以内。尽管这一做法在科学上合理，但对全球计算机系统而言却带来了问题。

数字时间的一个问题性不连续性

插入闰秒会导致时间不连续。许多全球计算机系统和网络，特别是用于卫星导航（GNSS）、金融交易或电信基础设施的系统，需要连续且严格单调的时间运行。突然增加一秒会打破这种连续性，可能导致同步错误、服务中断甚至严重故障。

揭示关键事件

在这些闰秒插入过程中，已多次报告重大事故：服务器崩溃、GPS系统冻结、嵌入式软件故障。全球同步的日益复杂性使得这一操作的成本和风险不断攀升。例如，2012年一次闰秒曾导致航空系统和社交网络系统中断，凸显了该方法与现代数字需求日益脱节的现状。

2035年放弃的决定

面对这些挑战，国际电信联盟（ITU）和国际计量局（BIPM）在主要科学大国同意下，于2022年11月投票决定自2035年起取消闰秒。届时，协调世界时（UTC）系统将逐渐与天文时间（UT1）不同步，但这种漂移速度缓慢：大约每50至100年产生一秒的差异，具体取决于地球自转的演变情况。

技术延续与天文精度之间的折衷

这一技术折中方案确保了数字系统时间的完美连续性，同时将更长期的任何可能调整留给后代决定。已有讨论提出，未来可采取间隔更长的调整方式，例如每500或1000年调整一整分钟。这一历史性变革标志着民用时间与天文时间的分离，但反映了适应数字时代的非时间性公约需求。

地球自转是如何测量的？

地球的倾角与黄道面 — 地球的运动如同旋转的陀螺沿轨道运行。其轴端在水平面上缓慢画圆，指向北天极，这便是岁差运动。地球的所有运动均不规则且随时间变化，太阳系天体引力作用导致持续不断的微小波动，甚至地震等局部事件也会对其自转产生影响。

地球自转，由星辰揭示

地球自转的测量依赖于高精度天文、大地测量和物理方法的结合。历史上，正是通过对天体（尤其是太阳和恒星）的观测，才得以定义“日”的概念。如今，现代技术能够以微秒级的精度测量日长的变化。

从恒星日到太阳日：两种时间不同步

最古老的方法基于恒星时，即同一颗恒星连续两次经过当地子午线的时间间隔。这一自转周期称为恒星日，持续约23小时56分4.0905秒。由于地球绕太阳公转，它比持续24小时的平太阳日略短。这两种时间的对比揭示了地球自转中的细微差异。

原子钟的革命

自20世纪中期以来，原子钟的出现彻底革新了时间计量学。如今，秒的定义完全基于铯-133原子的超精细振荡。1967年，国际计量大会（CGPM）将这一标准确定为每秒9,192,631,770次振荡。国际原子时（TAI）由此成为物理时间的绝对基准。

UTC：天空与原子之间的同步

TAI与实际地球自转（通过天文技术测量）的比较可以检测出差异。这些差异被整合为修正后的世界时，称为UTC（协调世界时），当TAI与UT1之间的差异超过0.9秒时，会添加或减去闰秒。

空间大地测量精度测量

地球的自转也通过空间大地测量技术进行测量，例如VLBI（甚长基线干涉测量），该技术利用极遥远类星体发射的无线电信号来确定不同纬度地面站点的精确位置。这项技术能够探测地球定向的微小变化，包括章动、岁差和极移。

其他工具也有助于精确测量地球自转：

SLR（卫星激光测距）：利用激光脉冲测量地球与带有后向反射器的卫星之间的距离。
GNSS（全球导航卫星系统）：通过分析在轨卫星的位置和时钟，推算日长的变化。
DORIS（多普勒轨道成像和卫星无线电定位综合系统）：一种利用多普勒效应确定卫星位置并监测地球自转的法国系统。

最后，国际地球自转与参考系统服务（IERS）协调所有这些测量，并定期发布地球自转参数，这些参数对于科学应用、电信、天文学和空间导航至关重要。

长期后果

迈向与月球同步自转的地球

地球自转减缓会带来若干物理、天文和气候方面的后果。从极长的时间尺度（数十亿年）来看，若这一趋势持续，地球可能最终与月球达到同步自转状态：届时一个地球日将等同于一个太阴月，月球将仅在地球的一个半球可见——正如当前我们从地球上观测月球时所见的情形相反。

原子时 vs 天文时：日益扩大的差异

与此同时，这种减速现象被纳入时间测量体系。基于地球自转的世界时（UT1）与国际原子时（TAI）逐渐产生偏差。为维持时间一致性，协调世界时（UTC）会不定期增加闰秒。然而，由于该机制对全球数字系统造成的复杂性，自2035年起将停止实施。

潮汐摩擦：行星演化的驱动力

最后，在更大的尺度上，潮汐能的耗散在行星系统的动态演化中起着重要作用。这种被称为潮汐摩擦的机制也会影响系外行星系统，尤其是在某些系外行星相对于其恒星的引力锁定过程中。

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