地球自转学问大

中学生就知道地球会自转，自转形成昼夜，自转轴倾斜造成季节。但你知道吗？地球自转其实是忽快忽慢的，没有一天是 24 小时，长期来说还有越转越慢的趋势。地球自转轴也不是雷打不动，它会绕圈圈、各种摇摆，导致岁差和北极点不断漂移等古怪现象。中研院地球科学研究所特聘研究员赵丰，带你穿越上下亿万年的古今地球，聊聊中学地科老师没告诉你的事。

太阳系分家产

说起地球自转，首先得弄清楚：地球为什么会转，第二个问题是：为啥转了 46 亿年还不会停？

「地球会转，是因为它在太阳系形成之初，分到一部分的『家产』：角动量。」赵丰幽默的比喻：「地球为什么到现在还转不停？因为分到的家产 (角动量) 还没有用完啊。」

角动量是什么？简单说，它是物体转动时的一种物理量。物体的质量越大、转动半径越大、转速越快，角动量就越大。更重要的是，在没有外力的情况下，角动量永远守恒，不会变多、也不会变少，只能互相交换。

怎么交换？靠摩擦！比方说，两个旋转的陀螺擦撞、分开，结果一个变慢，另一个就变快，就是前者的角动量借由摩擦转移到后者。而地球分到的角动量，则是跟太阳系其他天体「摩擦」来的。

时间回到 46 亿年前，一场剧烈的超新星爆炸，太阳系诞生了。新生的太阳系宛如炉子上的一锅热粥，大小天体乱转乱窜，就像一颗颗高速旋转的大小陀螺，不断发生碰撞，交换彼此的角动量。

最后，太阳、地球、其他行星、小行星等所有天体，各自分到一部份的角动量 (家产)，恒星和行星开始稳定的公转和自转，太阳系才逐渐成形。

然后勒？「从此，地球就过著稳定旋转的日子……」并没有！首先，地球自转忽快忽慢，没有一天是 24 小时。

地球自转忽快忽慢

在原子钟发明以先，地球自己就是时钟。人们把地球自转一周后，回到面对太阳同一角度所经历的时间，订为「一天」，后来又把一天等分为 24 份，每一等分称为 1 小时。

近代改用原子钟定义时间，重新测量地球自转。结果发现：

二、三十年下来，地球自转没有一天是 24 小时。每天都跟 24 小时或多、或少差了千分之一、二秒。

为什么？地球没有受到外力，角动量不是应该守恒吗？

「因为地球不是一块死板板、硬梆梆的刚体，」赵丰说：「大气环流、海洋洋流、地函对流，地球时时刻刻都在变化。」

地球自转有角动量，大气环流、海洋洋流、地函对流也有角动量。所谓角动量守恒，是指地球上所有物体角动量的总和不变，但可以互相交换。

比方说，地球自转是由东向西转，当大气向东流速变快，会对地面的推挤摩擦，从地球本身「借走」一点角动量，导致地球自转变慢；相反的，如果大气向东的流速变慢，也会藉著摩擦，「还给」地球一些角动量，使地球自转变快。

「今天大气拿走一点，明天海洋还来一点，加加减减的，地球自转就忽快忽慢了，」赵丰继续比喻：「就像银行的存款，今天吃个大餐，明天领个薪水，每天生活的收入支出，都会让户头金额微微变动。」

但麻烦来了！如果地球好一阵子都转得比较慢，一天慢个一千分之一秒，两三年下来，就可能慢上 1 秒了。我们该不该把原子钟也塞进 1 秒，以免跟地球自转越差越远，这就是过去发生了二十几次的闰秒事件。

最近一次闰秒发生在 2017 年的 1 月 1 号，那年元旦假期幸运的多了……1 秒钟。

地球越转越慢、月球越来越远

好几年才加减 1 秒，根本无感？没关系！如果把时间拉长，从几百万、几千万、几亿年的尺度来看，地球真的越转愈慢，每 100 年稳定慢上千分之一秒。

可别小看千分之一秒？想想，如果是累积了 100 万年、100 个 100 万年 (1 亿年)……差距就非常可观，而地球已经 46 亿岁了。

从化石证据知道， 4 亿年前，地球一天只有 22 小时，再往前推，新生地球可能几小时就转一圈！反过来说，

当未来地球越转越慢，一天真的有 25 小时可用。只不过还要再等上……2 亿年。

谁让地球刹车了？罪魁祸首是：月球！月球吸引地球的海水，引发潮汐现象，海水来来回回摩擦地表，就像贴在地球表面的「刹车皮」，让地球慢慢「减速」。

至于地球消失的角动量，则被月球神不知鬼不觉的接收，用来增加月球公转的速度……

「可是……不是说角动量一定要守恒吗？但地球的角动量越来越少了……」

地球和月球互相吸引，又不受外力影响，可以看成一个系统。地球消失的角动量转移到月球，整个系统的角动量还是守恒的！

月球的公转角动量增加，又造成一个有趣的现象：

月球公转速度变快，地球引力越来越拉不住它，于是月球越跑越远、公转轨道越来越大，每年平均远离地球 3.8 公分。

由此反推，过去月球应该离地球非常近，当时月亮大又圆，而且每次涨潮都是恐怖大海啸。

而未来，地球将越转越慢，直到停止自转，最后永远只用同一面对著月球。届时，地球只有一半地区可中秋赏月，但那时月亮只不过是天边一颗不起眼的小白点。

地轴从来不安分

最后，地球自转不只愈来愈慢，自转轴还会各种摇摆，就像你甩出陀螺或是丢出飞盘，它们的旋转轴也会绕圈圈或是些微晃动。

最有名的就是岁差现象：地轴周期性的绕圈圈，造成春分、秋分，冬至、夏至相对于星体的角度年年改变。幕后的主要黑手是：太阳和月球的引力，使地球自转轴以 25800 年为周期，绕出一个圆锥。影响所及，人类的历法必须考虑它、对它修正，才能跟著上地轴的「舞步」。

但即使没有外力，地球自转轴也会自己摆动，造成许多古怪的现象，像是北极点不断漂移，称为极移。

早在 1900 年，人类就订出地理北极点的位置，统一全世界的地图和座标。但事实是，地球真正的北极点每天都像个陀螺似的，一边打转、一边朝美国东部的方向漂移，目前已移动十多公尺。

原因与冰河期后的反弹现象有关。在冰河期，地表被厚重的冰层压住，等到冰河期一过，冰原融化了，压力解除了，大地就像弹簧床缓缓回弹，使地表某些地区「长胖」了。

地球的「形状」改变了，质量重新分配，自转轴也会跟著微调，真正的北极点 (自转轴穿出北方地面之处) 也就换位置了。这还是角动量守恒的结果！你可以把同一块黏土捏成各种形状，试著转转看，就会发现转动轴真的会改变。

看到这里，地球的大转、小转是不是把你的脑袋转晕了呢？总的来说，地球自转宛如气势恢弘的交响乐曲，主旋律是渐慢板，但其中还隐藏著更多奇妙的副旋律，崮中奥妙有赖科学家细细品聆了。

地球自转的学问好有趣，但跟生活好像没有关系？

关系可大了！如果没有研究地球自转，GPS 就无法精确定位，现代人的日子就没法过了。

现代开车、找路都需要的 GPS (全球定位系统) 卫星导航。原理是：地面接受器同时接收某四颗卫星传来的讯号，讯号中有每颗卫星的座标和讯号发射时间，接受器再由收到讯号的时间差，反推每颗卫星距离它多远，最后综合考虑四颗卫星的座标和距离，推算出地面接受器当下的位置，完成定位任务。

问题来了！地球本身会自转，接受器自己就动来动去，怎么精确评估与卫星的距离？所以接受器必须时时接收当下地球自转的资讯，修正计算，以免导航误差。

值得一提的是，GPS的成功使用与地球自转研究非常密切。譬如当地球上的科学家为了追踪和指挥太空飞行物，或是发射到其他行星的太空船，地面指挥站必须能精准计算距离和位置，而第一步就得先扣除地球自转造成的误差。另外，地球自转的研究也能帮助评估全球暖化的人为影响。

全球暖化跟地球自转有什么关系？

当前有种迷思：地球本来就有周期性的气候变迁，例如：冰河期和间冰期的来来去去，目前的暖化现象只是自然周期的一部份，人为的影响不是主因，一切都是某些科学家大惊小怪。

所以科学家必须了解冰河期的自然周期，作为全球暖化的背景资料，才能正确评估人类的影响程度。

而冰河期最重要的成因，来自其他行星引力，首先改变地球公转轨道，让它变得更椭或更圆，此周期约为 10 万年。当轨道越椭，日照量越少，冬夏差异越大，冰河期越容易发生。

其次，行星引力造成地轴倾角周期性的摆荡，也会影响冬夏差异的强弱，这个周期约为 4 万年。

最后，地球公转轨道也会晃动，加上地球自转轴本来就会转圈圈，联手改变地球最接近或远离太阳的日子，周期约为 2 万年。当北半球冬季遇上远日点，就容易形成冰河期。

以上这些「万年起跳」的周期，就是地球气候变迁的自然周期。由此可知，人为破坏虽然局部的，但是 3~5 年就相当有感，效果又快又猛烈，真的是全球暖化的主要凶手。

地球自转还有什么有趣的研究方向吗？

所有地球自转会发生的现象，在其他行星上都会发生。前面说过地球对月球的潮汐力，让月球只能用同一面面对地球，这个现象就广泛的发生在各大行星与它们的卫星。国外行星研究正夯，这是很有发展的方向。

地球自转还能探索地球内部。当前科技无法像电影般潜入地心，地球内部现象必须依靠地表能够量测的数据反推，包括地震波、重力场、地球自转变化、磁场的变化量。

最近两三年，我从地球自转的快慢变化，发现一个 6 年上下的小周期震荡，推测地球的内心会像钟摆一样来回摇摆。

我的推论是：地球的内核和外核不是完美的圆形，中间又隔著液体层，所以内核在液体内可能会晃动 ，造成钟摆般的简谐运动 。当地球内核晃动，外面地壳因为角动量守恒就会跟著改变转速，造成地球自转周期性的改变。

总之，只要发挥想像力，可以做的主题非常多，非常有趣的！