24小時不夠用?四億年前,地球一日只有22小時

24小時不夠用?四億年前,地球一日只有22小時
圖片來源 │NASA

我們想讓你知道的是

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。

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。

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圖片來源 │NASA
地球的北極點從來都不安份,從1900年開始,北極點已經朝向美國東部方向漂移十多公尺(圖中綠色箭頭,但為了方便辨識,將實際尺度大大的誇張)。(圖片來源 │NASA)

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。

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圖片重製 │林洵安
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,這個週期約為四萬年。

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,週期約為兩萬年。當北半球冬季遇上遠日點,就容易形成冰河期。

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資料來源 │趙丰,圖片重製 │林洵安
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,但是三到五年就相當有感,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2、3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!

本文經研之有物授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航