如果地球自转速度慢一倍，研究表明地球自转在逐渐变慢

作者/陈|师范大学科教研究所地球科学系，易天文地学团队创始人“一分钟是60秒”是大家熟悉的时间单位换算。

但是，过去有很多“一分钟61秒”的情况，是因为我们在日历上加了“闰秒”。自1972年以来，协调世界时(UTC)共加入了27个闰秒，平均大约两年就会插入一个闰秒。有趣的是，UTC上次加入闰秒是在六年前。最近甚至出现了要不要“减去闰秒”的讨论。这是怎么回事？闰秒为什么会出现，它的作用是什么？

00-1010“一天有24小时，一小时有60分钟，一分钟有60秒”。在这些时间单位中，“日”的概念是最自然、最直观的。白天，会有日出日落，白天黑夜。地球上的大多数动物即使不能使用日历和计时工具，也是按日循环生活的。你如何定义一天有多长？过去，人们习惯于在中午测量两个极影之间的最短时间间隔，以获得一天的长度，这被称为“太阳日”。有了一天的长度，我们就可以把它分成小时、分钟、秒，或者小时、分钟等时间单位。

然而，随着观测和计时工具的技术改进，人们发现太阳每次到达最高点的时间间隔并不完全一致，但随着季节的变化会有几十秒的差距，也就是说每个太阳日的长度并不固定。但是，如果“一天”的长度不是固定的，那么以“天”为基础定义的小时、分钟、秒等时间单位的长度，肯定会随着每一天的长度不同而变化，所以“今天一秒，明天一秒”的奇怪情况，肯定会产生很多问题。

一年中太阳日长度的变化。图//维基百科因此，定义“平均太阳日”就是为了解决这个问题。顾名思义，“平均太阳日”就是将一年中所有太阳日的长度进行平均，定义的时间长度就是一个平均太阳日，这样一天的长度是固定的，不用担心时间单位长度会不断变化的问题！

但是，真的是这样吗？

平均太阳日的出现并没有使时间的基本定义固定下来，因为无论是太阳日还是平均太阳日的长短都是由地球的自转速度决定的，但地球的自转速度并不是完全稳定的。因此，对于另一段时间，秒的定义被改为基于地球公转的周期，但任何基于天体运动定义的时间单位都会有一个类似的问题：天体运动的周期不会完全稳定。

后来，随着原子钟的发展，并且为了使时间的基本单位尽可能地成为一个恒定值，1967年的世界度量衡会议将一秒重新定义为“铯133原子在基态两个超精细能级之间跃迁所对应的9192631770个辐射周期的持续时间”，用这个定义测得的时间称为“原子时”。

美国NIST-F1铯原子钟。图//wikimedia

在讨论闰秒前，先看「一秒钟」是如何被定义的

以原子钟为基础，对时间基本单位的定义变得更加准确和稳定。然而，这样一来，一秒钟的长度与地球自转无关。但毕竟“日”的概念是地球自转形成的，“每天86400秒”的单位换算仍然有效。如果长期只使用原子时，使用的时间会逐渐偏离实际的平均太阳日，即地球自转周期。如果误差无限累积，可能会出现时钟明明指向中午十二点，外面却是漆黑一片，风很大的场景。为了追求更精确的时间单位，将人类的天文钟与大自然割裂开来，似乎是本末倒置。

1972年，世界时间局决定让UTC使用标准定义的秒来计量时间，用“闰秒”来修正与太阳日的偏差，以使UTC中的一秒符合定义，不至于让它与实际的地球自转周期渐行渐远。每当UTC与平均太阳日的时差达到0.6秒左右时，就会进行闰秒修正，使UTC与平均太阳日的时差不超过0.9秒。

闰秒一般插在UTC的12月31日或6月30日最后一秒之后，每次插闰秒都要提前半年公布。当插入闰秒时，UTC会出现“23: 59: 60”，但很多计算机系统并不“识别”这样奇怪的时间格式，所以插入闰秒可以说是很多电信、导航等系统工程师的噩梦。

为什么会要加入闰秒，而闰秒又会带来什么困扰

1972年从UTC总共插入了27个闰秒，但没有扣除一秒。主要原因是，当定义一秒钟的原子时，比当时平均太阳日定义的一秒钟略短，这也意味着原子时走得更快，因此UTC将需要添加秒钟来对齐平均太阳日。

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另外，由于地球长期受月球的潮汐力作用，使自转转速逐渐减慢，一个太阳日的长度就会越来越长，像是化石证据就显示四亿年前地球上的一天大约是现在的 22 小时。因此如果地球自转转速的趋势持续，未来 UTC 加入闰秒的频率应该会越来越高，也更不会有需要扣除闰秒的需求。

近年地球自转速度比预期还快，让「负闰秒」成为可能选项

然而事情没有这么简单，根据近年的观测发现，地球自转转速有略为上升的迹象，而目前地球的转速比过去 50 年都来的快！地球自转速度为何会有这样的变化，目前也还没有确定的答案。不过像是大地震和冰川融化等事件，都是可能提高地球自转转速的因子。因为这些现象能够改变地球内部或表面的质量分布。当质量向地球中心移动，由于角动量守恆定律，地球转速就会提升，就如同花式滑冰的选手在旋转时收起手臂，就可以加速旋转是一样的原理。

地球自转的些微加速，让 UTC 已经超过五年没有加入闰秒，而目前科学家也还不能确定地球自转些微加速的趋势会持续多久，会加速到多快。

如果地球的转速持续变快，代表一日的长度会持续缩短，未来就可能会遇到原子时间超前太阳日的现象，而若是原子时间比太阳日还快上 0.9 秒时，如果相关单位没有以其他方式解决，史上首次的负闰秒就有可能出现，不过想必这应该不是系统的工程师会乐于见到的事情。

大家不妨猜猜看，下一次 UTC 进行闰秒修正时，会是增加一秒还是扣除一秒呢？如果负闰秒真的出现了，可别忘了见证史上第一个只有 59 秒的一分钟呀！

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