嫌24小時不夠用？四億年前，地球一天只有22小時

採訪編輯：黃曉君｜美術編輯：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。

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。

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，每一等分稱為一小時。

近代改用原子鐘定義時間，重新測量地球自轉。結果發現：

2、30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。

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，就可能慢上一秒了。我們該不該把原子鐘也塞進一秒，以免跟地球自轉越差越遠，這就是過去發生了20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……一秒鐘。

地球越轉越慢、月球越來越遠

好幾年才加減一秒，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（一億年)……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……

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2萬5800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」。

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10多公尺。