一天并非24小時(shí)，日長(zhǎng)變化每8.6年“輪回”一次

身邊的天文學(xué)

人們總是覺(jué)得，假期的日子很短，上班的每一天都很長(zhǎng)。事實(shí)上，如果忽略心理感官的干預(yù)，用科學(xué)手段去丈量時(shí)間，就會(huì)發(fā)現(xiàn)我們歷經(jīng)的每一天確實(shí)并非精確的24小時(shí)，而是以極其微小的幅度變化。

日長(zhǎng)變化有何規(guī)律?近期，我國(guó)科研人員首次發(fā)現(xiàn)了日長(zhǎng)變化中存在約8.6年周期的顯著振幅增強(qiáng)信號(hào)，并首次發(fā)現(xiàn)該振蕩的極值時(shí)刻與地磁場(chǎng)快速變化的發(fā)生存在密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

目前該研究成果已經(jīng)在線發(fā)表在《自然·通訊》上。

分離綜合波 揪出日長(zhǎng)變化中的“潛規(guī)則”

“科學(xué)家早已發(fā)現(xiàn)，每天的時(shí)長(zhǎng)不是固定不變的。從一個(gè)較大的時(shí)間尺度上分析，日長(zhǎng)正在逐漸變長(zhǎng)。”近日，該研究參與者、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)、中國(guó)科學(xué)院行星科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員黃乘利在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示。

侏羅紀(jì)時(shí)期一天的時(shí)長(zhǎng)大約只有23小時(shí)10—20分鐘。由于月球和太陽(yáng)對(duì)地球的潮汐作用消耗了地球的能量，地球自轉(zhuǎn)越來(lái)越慢，日長(zhǎng)因此變長(zhǎng)，平均約每100年變長(zhǎng)0.002秒。

黃乘利指出，除了這一長(zhǎng)期規(guī)律外，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)日長(zhǎng)變化在相對(duì)短期內(nèi)具有周期性規(guī)律。一般認(rèn)為，尺度為數(shù)十年的年代際變化和尺度約5—10年的亞十年變化很可能與地球深內(nèi)部物理有關(guān)。

此次研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)除了此前公認(rèn)的6年周期外，日長(zhǎng)變化每隔8.6年也“輪回”一次。值得一提的是，日長(zhǎng)變化類似一條正弦曲線，但振幅正逐漸增大。通俗來(lái)講，隨著時(shí)間的推移，日長(zhǎng)在平均日長(zhǎng)時(shí)間線上有規(guī)律地上下波動(dòng)，有時(shí)比24小時(shí)少幾毫秒，有時(shí)又會(huì)比24小時(shí)多幾毫秒，而極值卻越來(lái)越大，即時(shí)間的變化幅度正在變大。

研究人員如何在數(shù)十年來(lái)搜集的日長(zhǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中找出這一規(guī)律?

“我們采用了國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)系統(tǒng)提供的1962—2019年的日長(zhǎng)變化數(shù)據(jù)，結(jié)合大量數(shù)值模擬算例分析，基于標(biāo)準(zhǔn)小波時(shí)頻變換方法和我們獨(dú)立發(fā)展的‘去小波邊緣效應(yīng)’的策略，首次發(fā)現(xiàn)了8.6年信號(hào)的振幅增大現(xiàn)象。”論文第一作者、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)副研究員段鵬碩表示。

他進(jìn)一步解釋到，標(biāo)準(zhǔn)小波時(shí)頻變換方法是該領(lǐng)域比較獨(dú)特的一種方法，能定量識(shí)別并提取觀測(cè)序列中的周期性諧波信號(hào)。日常生活中7種單色光可以合成白光，白光也可以通過(guò)一個(gè)小小的三棱鏡拆分出單色光，日長(zhǎng)變化規(guī)律的探索也如此。事實(shí)上，日長(zhǎng)與很多因素有關(guān)，如地球內(nèi)部不同的物理結(jié)構(gòu)或事件影響等。我們真實(shí)測(cè)量的日長(zhǎng)數(shù)據(jù)可看成是一條綜合波，可以拆分成很多不同因素主導(dǎo)的分波，學(xué)界將之稱為小波。而標(biāo)準(zhǔn)小波時(shí)頻變換方法就是學(xué)者們經(jīng)常用到的“三棱鏡”，可將想要分析的數(shù)據(jù)從綜合數(shù)據(jù)中拆分出來(lái)。

然而，該方法雖具有很高的頻率分辨能力，但也具有顯著的邊緣效應(yīng)問(wèn)題。研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的“去小波邊緣效應(yīng)”策略可以彌補(bǔ)這一不足，使得研究人員準(zhǔn)確分離出目標(biāo)諧波信號(hào)，最終找出日長(zhǎng)變化背后隱藏的這一規(guī)律。

扭轉(zhuǎn)阿爾芬波 或?yàn)槿臻L(zhǎng)周期變化的“推手”

除了8.6年周期的振幅增強(qiáng)信號(hào)，研究人員還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇特現(xiàn)象。“巧合的是，每到極值時(shí)刻的前1—2年，地磁場(chǎng)都會(huì)出現(xiàn)快速變化，即地磁急變。”黃乘利告訴科技日?qǐng)?bào)記者，“我們查閱了以往很多地磁方面的記錄，都與這一現(xiàn)象相吻合。這或許有助于揭開日長(zhǎng)在亞十年尺度下周期性變化的機(jī)制。”

研究團(tuán)隊(duì)抓住這一線索，結(jié)合大量前人的研究數(shù)據(jù)，提出日長(zhǎng)8.6年周期性變化可能與地球液核表面赤道附近的扭轉(zhuǎn)阿爾芬波振蕩有關(guān)。

地球內(nèi)部充滿磁場(chǎng)，如果將磁場(chǎng)的磁力線想象成一根根琴弦，當(dāng)磁場(chǎng)受到擾動(dòng)時(shí)，磁力線這些琴弦就會(huì)振蕩，振蕩會(huì)沿著磁場(chǎng)傳播出去，便形成了阿爾芬波。當(dāng)磁力線聚集成一個(gè)個(gè)稱作“磁流管”的管狀結(jié)構(gòu)時(shí)，在磁流管中傳播的阿爾芬波就是扭轉(zhuǎn)阿爾芬波。

扭轉(zhuǎn)阿爾芬波向外傳播，與地幔發(fā)生耦合作用，就會(huì)導(dǎo)致日長(zhǎng)中出現(xiàn)同樣周期的波動(dòng)信號(hào)。

“目前地磁急變的預(yù)測(cè)是國(guó)際上的一個(gè)難題。此次研究提供了一種新的研究入口，可以通過(guò)精確分離地球自轉(zhuǎn)的亞十年變化振蕩信號(hào)，預(yù)測(cè)未來(lái)地磁急變發(fā)生的時(shí)刻。”段鵬碩表示，現(xiàn)階段日長(zhǎng)8.6年的周期性變化信號(hào)正處于低谷，正逼近極小值，因此預(yù)測(cè)在最近的1—2年內(nèi)，地球很可能會(huì)有一次新的地磁急變事件發(fā)生。

不難看出，通過(guò)日長(zhǎng)精細(xì)變化特征的研究，可以深入了解地球深內(nèi)部的磁流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。“后續(xù)，我們將密切關(guān)注地磁變化的相關(guān)信息和報(bào)道，也會(huì)將這套自主研發(fā)的數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)用到天文地球動(dòng)力學(xué)的其他領(lǐng)域。”黃乘利說(shuō)。

關(guān)鍵詞： 日長(zhǎng)變化