地球的自转摇摆不定导致了我们需要闰秒

在过去的 50 年里，我们的时间增加了 27 个闰秒。

由于已知原因，我们的星球正在逐渐减速，并由于部分已知原因而摇摆不定。 我们常常认为时间是不变的和抽象的，但我们的时钟是基于天体的运动。 每隔几年，我们地球上的时钟就必须增加一秒钟，以将理论时间适配到天文时间。

科学家、工程师和程序员通常认为时间在他们的工作中是绝对的。但是，出于物理和人为原因，这种有用的近似在技术上是错误的。相对论恰恰与此有关。用人类的话来说，我们的时钟和日历也不是基于抽象的、绝对的时间。相反，它们以天体的周期为基准：一天是地球绕其轴自转一圈，一年是地球绕太阳公转一圈。由于我们的时钟与地球的复杂现实相耦合，我们的时间并非一成不变。相反，时间会随着时间逐渐改变。

在过去的 50 年里，我们的时间增加了 27 个闰秒。在这些时刻，时钟发出不寻常的滴答声：23:59:59、23:59:60、00:00:00。额外的秒数说明了地球自转的变化，因为我们的星球正在逐渐向下旋转并沿途波动。

是什么导致地球日波动？

有一个渐进的、稳定的因素，也有许多短暂的因素。

理想化的地球中心和月球之间的引力相互作用决定了我们的相互轨道。然而，地球的直径足够大，月球的引力从较近的一侧比从较远的一侧强得多。由此产生的重力梯度拉近了地球的近侧，同时较不紧密地抓住了远侧，形成了两个凸起。这种影响在我们的日常生活中很明显，因为在海洋潮汐中，每天两次的频率占主导地位。

水和固体地壳流入和流出凸起需要一些时间。因此，峰值相对于月球的头顶位置略有延迟，在它的弧线后面跟踪。因为一个凸起离月球较近，所以月球对它的引力更强。由于凸起落后于月球位置，因此净拉力向后，与自转相反。这会在与地球旋转 相反的方向上围绕地球的中轴施加净扭矩，从而稍微减慢它的速度。

这里的“稍微”是一个有趣的术语：地球的自转周期在一千年中平均每天仅减慢 2 毫秒。然而，持续减速代表着 3.7 太瓦的旋转功率损失，大约是所有人类发电厂容量总和的一半。其中一些能量被转移到月球轨道上。随着水和岩石上升和下降的摩擦消散热量，其中大部分损失掉了。

随着时间的推移，这种微小的放缓加起来。数百万年前，地球上的每一天都比今天短几个小时。在遥远的未来，如果地球能够存活足够长的时间，它的速度将减慢到接近一个月的一天。这就是潮汐锁定现象。不仅月球的一侧将始终面向我们，而且月球将始终位于地球的一侧上方，而另一侧是看不见的。

当我们的自转不可避免地逐渐放缓时，一些更神秘和短暂的影响会导致一天中的短期漂移。地球形状的变化——更准确地说是质量分布——改变了它的惯性矩，就像著名的花样滑冰运动员拉动她的胳膊和腿加速旋转一样。一些质量转移对我们来说是不可见的，例如地球液体核心内的流动或移动的地幔层。随着大陆漂移和极地冰盖的增长和收缩，质量的运动也会产生微小的变化。质量向低纬度移动会减慢自转速度，而向两极迁移会增加自转速度。

质量的变化有时可以归因于特定的事件或原因。例如，2004 年的印度洋地震导致物质向下沉降到地球，减少了地球的惯性矩并略微加快了它的自转。三峡大坝稍微减少了地球的自转。该结构的高架混凝土和钢结构影响很小，但它迫使高海拔、远离地球中心的巨大水量产生了微妙的影响。大气和地表之间的相互作用也可能起到一定作用。从广义上讲，我们可能不了解这些影响中的大部分，但科学家们确实在仔细追踪它们的后果。

短暂的效果会叠加在渐进的效果之上。虽然白天在几千年中变长，但间歇性事件导致它在几年和几十年中上下波动几毫秒。该模式就像沿着下降路径的小上升和凹陷。

自 1960 年代以来，一天的时长已从略低于 86,400 秒漂移到长了 3 毫秒（86.400.003 秒）。如果每个旋转日多持续 1 毫秒，那么抽象时钟每 1,000 天就会损失一秒，并且需要一个闰秒才能恢复。此图表显示一天的长度和闰秒。每隔几年，额外的毫秒数就会加起来，并宣布闰秒来收回累积的剩余时间。

最终，我们需要闰秒，因为我们的时钟不是科学家和软件工程师的简化时钟。地球的运动受到大量因素的影响，就像真实宇宙中的真实物体一样。它并没有完全遵守一个抽象的数学规则，即一天永远恰好是 86,400 秒。即使我们的人类生活越来越脱离自然，我们的身体、我们的环境和我们的社会的周期仍然与太阳和季节的节奏同步。计算机程序员只需要更聪明地解决这个问题，而不是试图让它消失。