一天并非24小時，日長變化每8.6年“輪回”一次

身邊的天文學

人們總是覺得，假期的日子很短，上班的每一天都很長。事實上，如果忽略心理感官的干預，用科學手段去丈量時間，就會發(fā)現(xiàn)我們歷經的每一天確實并非精確的24小時，而是以極其微小的幅度變化。

日長變化有何規(guī)律?近期，我國科研人員首次發(fā)現(xiàn)了日長變化中存在約8.6年周期的顯著振幅增強信號，并首次發(fā)現(xiàn)該振蕩的極值時刻與地磁場快速變化的發(fā)生存在密切的對應關系。

目前該研究成果已經在線發(fā)表在《自然·通訊》上。

分離綜合波 揪出日長變化中的“潛規(guī)則”

“科學家早已發(fā)現(xiàn)，每天的時長不是固定不變的。從一個較大的時間尺度上分析，日長正在逐漸變長。”近日，該研究參與者、中國科學院上海天文臺、中國科學院行星科學重點實驗室研究員黃乘利在接受科技日報記者采訪時表示。

侏羅紀時期一天的時長大約只有23小時10—20分鐘。由于月球和太陽對地球的潮汐作用消耗了地球的能量，地球自轉越來越慢，日長因此變長，平均約每100年變長0.002秒。

黃乘利指出，除了這一長期規(guī)律外，科學家們還發(fā)現(xiàn)日長變化在相對短期內具有周期性規(guī)律。一般認為，尺度為數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部物理有關。

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

研究人員如何在數十年來搜集的日長數據庫中找出這一規(guī)律?

“我們采用了國際地球自轉服務系統(tǒng)提供的1962—2019年的日長變化數據，結合大量數值模擬算例分析，基于標準小波時頻變換方法和我們獨立發(fā)展的‘去小波邊緣效應’的策略，首次發(fā)現(xiàn)了8.6年信號的振幅增大現(xiàn)象。”論文第一作者、中國科學院上海天文臺副研究員段鵬碩表示。

他進一步解釋到，標準小波時頻變換方法是該領域比較獨特的一種方法，能定量識別并提取觀測序列中的周期性諧波信號。日常生活中7種單色光可以合成白光，白光也可以通過一個小小的三棱鏡拆分出單色光，日長變化規(guī)律的探索也如此。事實上，日長與很多因素有關，如地球內部不同的物理結構或事件影響等。我們真實測量的日長數據可看成是一條綜合波，可以拆分成很多不同因素主導的分波，學界將之稱為小波。而標準小波時頻變換方法就是學者們經常用到的“三棱鏡”，可將想要分析的數據從綜合數據中拆分出來。

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問題。研究團隊自主研發(fā)的“去小波邊緣效應”策略可以彌補這一不足，使得研究人員準確分離出目標諧波信號，最終找出日長變化背后隱藏的這一規(guī)律。

扭轉阿爾芬波 或為日長周期變化的“推手”

除了8.6年周期的振幅增強信號，研究人員還發(fā)現(xiàn)了一個奇特現(xiàn)象。“巧合的是，每到極值時刻的前1—2年，地磁場都會出現(xiàn)快速變化，即地磁急變。”黃乘利告訴科技日報記者，“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在亞十年尺度下周期性變化的機制。”

研究團隊抓住這一線索，結合大量前人的研究數據，提出日長8.6年周期性變化可能與地球液核表面赤道附近的扭轉阿爾芬波振蕩有關。

地球內部充滿磁場，如果將磁場的磁力線想象成一根根琴弦，當磁場受到擾動時，磁力線這些琴弦就會振蕩，振蕩會沿著磁場傳播出去，便形成了阿爾芬波。當磁力線聚集成一個個稱作“磁流管”的管狀結構時，在磁流管中傳播的阿爾芬波就是扭轉阿爾芬波。

扭轉阿爾芬波向外傳播，與地幔發(fā)生耦合作用，就會導致日長中出現(xiàn)同樣周期的波動信號。

“目前地磁急變的預測是國際上的一個難題。此次研究提供了一種新的研究入口，可以通過精確分離地球自轉的亞十年變化振蕩信號，預測未來地磁急變發(fā)生的時刻。”段鵬碩表示，現(xiàn)階段日長8.6年的周期性變化信號正處于低谷，正逼近極小值，因此預測在最近的1—2年內，地球很可能會有一次新的地磁急變事件發(fā)生。

不難看出，通過日長精細變化特征的研究，可以深入了解地球深內部的磁流體動力學問題。“后續(xù)，我們將密切關注地磁變化的相關信息和報道，也會將這套自主研發(fā)的數據處理方法應用到天文地球動力學的其他領域。”黃乘利說。

關鍵詞： 日長變化