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閏秒的誕生 │ 科學史上的今天:06/30

張瑞棋_96
・2015/06/30 ・910字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

1972 年的今天,就在要結束跨入第二天的那一剎那(格林威治標準時間的 6 月 30 日午夜),發生了一件神奇的事:世界各國標準實驗室的時鐘竟然同時出現不可能的時間!

以台灣為例,當時的時間是 7 月 1 日的 07:59:59,但下一秒時鐘顯示的竟然是 07:59:60!然後再下一秒才是 08:00:00。這是某種時空扭曲嗎?還是甚麼跨國組織的巨大陰謀?

這起事件的背後推手的確是個國際組織──國際時間局。但目的純粹是為了校正秒的標準定義改變後所造成的誤差。

一秒最初的定義是平均太陽日的 1/86400,純粹就是按一天 24小時 x 60分鐘 x 60秒劃分而來。但是地球自轉的速度並不穩定,事實上,長期而言,地球自轉會越來越慢,因此自 1960 年起改以 1900 年的地球公轉週期為計算基準,將一秒的定義改為那一年的 1/31,556,925.9747。

另一方面,波蘭裔的美國物理學家拉比(Isidor Rabi)在三○年代時就提議利用原子束穿過電磁場時,電子在兩個能階間躍遷所輻射之電磁波與電磁場達到共振時的頻率做為計時器。直到 1955 年,一些技術成熟後,英美兩國才做出銫原子鐘,共振頻率達 9,192,631,770 Hz,代表誤差幾乎只有十億分之一秒。

1967 年,國際度量衡大會通過改以銫原子鐘所用的原理定義秒,從此擺脫了與日、年的關係。然而我們日常生活還是沿用傳統的的計時方式,因此與原子鐘會有些微誤差,於是國際時間局(現已由國際度量衡局取代)遂決議每當誤差累積超過 0.9 秒,就得在每年的 6 月 30 日或 12 月 31 日的最後一秒鐘增減一秒,以便與原子鐘同步。多出來的一秒就是閏秒。1972年的 6 月 30 日就是第一次調整,至今一共已經多增加了 27 秒。最近一次的閏秒是台灣時間 2017 年 1 月 1 日 7:59:60,至於下一次……可就得問問地球囉。

不過在目前這樣的網路時代,閏秒的調整卻會造成許多不便,甚至引發災難;2012 年的那次調整就造成許多知名網站的當機。因此,早有許多聲浪主張取消閏秒,不過 2015 年國際電信聯盟的無線通信大會已表決決定,閏秒機制至少會維持到 2023 年,至於 2023 年之後會怎麼發展,就讓我們拭目以待吧!

編按:本文原完成於 2015 年,於 2018 年 6 月根據後續實際情況對內文作調整,因此與收錄版有差異。

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 661 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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用這劑補好新冠預防保護力!免疫功能低下病患防疫新解方—長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2882字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022 年美、法、英、澳及歐盟等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示該藥品針對 Omicron、BA.4、BA.5 等變異株具療效。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
帕克斯洛維德
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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地球自轉速度比預期的快,史無前例的「負閏秒」會出現嗎?
EASY天文地科小站_96
・2022/02/04 ・2755字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 作者/陳子翔|師大地科系,師大科教所, EASY 天文地科團隊創辦者

「一分鐘是 60 秒」是大家再熟悉不過的時間單位換算。

然而過去其實曾出現過許多次「一分鐘有61秒」的情形,原因是我們在曆法中加入了「閏秒」。自 1972 年至今,協調世界時(UTC)總共加入過 27 個閏秒,大約平均兩年就會插入一個閏秒。不過有趣的是,UTC 上一次加入閏秒已經是六年前的事了,最近甚至還有是否要「減去閏秒」的討論,這是怎麼一回事?閏秒為什麼會出現,它的功能又是什麼呢?

在討論閏秒前,先看「一秒鐘」是如何被定義的

「一日有 24 小時,一小時有 60 分鐘,一分鐘有 60 秒」,在這些時間單位中,「日」的概念是最天然而直覺的。在一天當中會有日出與日落、白晝與黑夜,地球上大多數的動物即便不會使用曆法與計時工具,也都依著一天一天的循環生活著。而要如何定義一天到底有多長呢?過去的人們以中午竿影達到最短的時間為基準,測量兩次竿影達最短的時間間隔來得出一日的長度,這樣定義出的一日就叫做一個「太陽日」。而有了一日的長度,就可以在以這個基準去切分成「小時」、「分鐘」和「秒」,或是「時辰」和「刻」等時間單位了。

然而隨著觀測與計時工具的技術提升,人們發現太陽每次達到最高點的時間間隔並不是完全一致的,而是會隨著季節有數十秒的差距,代表每一個太陽日的長度並不是固定的。但如果「一日」的長度是不固定的,那麼以「日」為基準定義的時、分、秒等時間單位,長度也當然會跟著每天的長度不同而變化,這樣「今天的一秒,不是明天的一秒」的奇怪狀況想必會產生許多問題。

一年當中太陽日長度的變化。圖/wikipedia

因此「平均太陽日」就被定義出來以解決這樣的問題。顧名思義,「平均太陽日」就是把一年當中所有太陽日長度取平均,定義出的時間長度就是一個平均太陽日,如此一來一日的長度就能固定下來,也就不用擔心時間單位的長度會不斷變化的問題啦!

但,真的是這樣嗎?

平均太陽日的出現沒有讓時間的基本定義就此定下來,因為不論是太陽日或是平均太陽日,它們的長度都是決定於地球自轉的轉速,然而地球的轉速卻不是完全穩定的。因此又有一段時間,秒的定義改成以地球公轉的週期為基準訂定,但任何以天體運行為基礎定義出來的時間單位,都會有相似的問題:天體運行的週期不會是完全穩定不變的。

後來隨著原子鐘的發展,也為了盡可能讓時間的基本單位是一個不會變動的定值,1967 年世界度量衡大會決議將一秒鐘重新定義為「銫 133 原子於基態之兩個超精細能階間躍遷時所對應輻射的 9192631770 個週期的持續時間」,而以這個定義進行計時的時間則稱作「原子時間」。

美國的 NIST-F1 銫原子鐘。圖 /wikimedia

為什麼會要加入閏秒,而閏秒又會帶來什麼困擾

改成以原子鐘為基準後,時間基本單位的定義變得更加精確而穩定。不過這麼一來,一秒的長度就與地球自轉沒有關係了。但「日」的概念終究還是地球自轉形成的,「一日有 86400 秒」這樣的單位換算也依然成立,如果長久下來都只以原子時間計時,我們使用的時間就會慢慢偏離實際的平均太陽日,也就是偏離地球的自轉週期。如果誤差無限制的累積下去,或許就會出現明明時鐘指著中午十二點,外頭卻是夜黑風高的景象。為了追求更加精確的時間單位,卻讓人類的計時計日與自然脫節,似乎就本末倒置了。

為了讓 UTC 中的一秒符合定義,又不要讓其與實際地球自轉週期漸行漸遠,1972 年世界時間局決定讓 UTC 使用標準定義的秒來計時,並以「閏秒」來修正偏離太陽日的問題。每當 UTC 與平均太陽日的時間差距達到約 0.6 秒時,就會以閏秒修正,好讓 UTC 與平均太陽日不會出現超過 0.9 秒的差距。

閏秒通常會插入在 UTC 12 月 31 日或是 6 月 30 日的最後一秒後面,而且每次插入秒都要提前半年公告。當閏秒插入時,UTC 就會出現「23 時 59 分 60 秒」,然而很多電腦系統並「不認得」這樣奇怪的時間格式,因此插入閏秒可說是讓許多電信、導航等系統工程師相當頭痛的噩夢。

為什麼過去閏秒都是加秒而沒有減秒?

從 1972 年 UTC 總共插入了 27 個閏秒,但從來沒有扣除過任何一秒。主要的原因是由於原子時間中的一秒被定義時,本就略短於當時平均太陽日定義的一秒,也代表原子時間是走得比較快一些的,因此 UTC 會需要透過加秒來對齊平均太陽日。

另外,由於地球長期受月球的潮汐力作用,使自轉轉速逐漸減慢,一個太陽日的長度就會越來越長,像是化石證據就顯示四億年前地球上的一天大約是現在的 22 小時。因此如果地球自轉轉速的趨勢持續,未來 UTC 加入閏秒的頻率應該會越來越高,也更不會有需要扣除閏秒的需求。

近年地球自轉速度比預期還快,讓「負閏秒」成為可能選項

然而事情沒有這麼簡單,根據近年的觀測發現,地球自轉轉速有略為上升的跡象,而目前地球的轉速比過去 50 年都來的快!地球自轉速度為何會有這樣的變化,目前也還沒有確定的答案。不過像是大地震和冰川融化等事件,都是可能提高地球自轉轉速的因子。因為這些現象能夠改變地球內部或表面的質量分布。當質量向地球中心移動,由於角動量守恆定律,地球轉速就會提升,就如同花式滑冰的選手在旋轉時收起手臂,就可以加速旋轉是一樣的原理。

地球自轉的些微加速,讓 UTC 已經超過五年沒有加入閏秒,而目前科學家也還不能確定地球自轉些微加速的趨勢會持續多久,會加速到多快。

如果地球的轉速持續變快,代表一日的長度會持續縮短,未來就可能會遇到原子時間超前太陽日的現象,而若是原子時間比太陽日還快上 0.9 秒時,如果相關單位沒有以其他方式解決,史上首次的負閏秒就有可能出現,不過想必這應該不是系統的工程師會樂於見到的事情。

大家不妨猜猜看,下一次 UTC 進行閏秒修正時,會是增加一秒還是扣除一秒呢?如果負閏秒真的出現了,可別忘了見證史上第一個只有 59 秒的一分鐘呀!

參考資料

  1. Earth Is Spinning Faster Now Than It Was 50 Years Ago | Discover Magazine
  2. 時間的單位:秒(s)
    https://www.nml.org.tw/measurement/new-knowledge/3668-時間的單位:秒-s.html

延伸閱讀

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一天 24 小時不夠用?再等等,地球自轉越來越慢……
研之有物│中央研究院_96
・2019/06/16 ・5119字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 526 ・七年級

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|黃曉君、美術編輯|林洵安

地球自轉學問大

中學生就知道地球會自轉,自轉形成晝夜,自轉軸傾斜造成季節。但你知道嗎?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。地球自轉軸也不是雷打不動,它會繞圈圈、各種搖擺,導致歲差和北極點不斷漂移等古怪現象。中研院地球科學研究所特聘研究員趙丰,帶你穿越上下億萬年的古今地球,聊聊中學地科老師沒告訴你的事。

趙丰,曾任美國國家暨太空總署 (NASA) 太空測地學實驗室主任,2006 年離開 NASA,回到臺灣任教,曾任中央大學地球科學學院院長、中研院地球科學研究所所長,目前為中研院地球科學研究所特聘研究員。
攝影│林洵安

太陽系分家產

說起地球自轉,首先得弄清楚:地球為什麼會轉,第二個問題是:為啥轉了 46 億年還不會停?

「地球會轉,是因為它在太陽系形成之初,分到一部分的『家產』:角動量。」趙丰幽默的比喻:「地球為什麼到現在還轉不停?因為分到的家產 (角動量) 還沒有用完啊。」

角動量是什麼?簡單說,它是物體轉動時的一種物理量。物體的質量越大、轉動半徑越大、轉速越快,角動量就越大。更重要的是,在沒有外力的情況下,角動量永遠守恆,不會變多、也不會變少,只能互相交換。

怎麼交換?靠摩擦!比方說,兩個旋轉的陀螺擦撞、分開,結果一個變慢,另一個就變快,就是前者的角動量藉由摩擦轉移到後者。而地球分到的角動量,則是跟太陽系其他天體「摩擦」來的。

時間回到 46 億年前,一場劇烈的超新星爆炸,太陽系誕生了。新生的太陽系宛如爐子上的一鍋熱粥,大小天體亂轉亂竄,就像一顆顆高速旋轉的大小陀螺,不斷發生碰撞,交換彼此的角動量。

太陽系形成的初始條件,決定了整個太陽系的角動量總和。所有天體藉由互相撞擊,交換彼此的角動量,各自分得一部份「家產」。
圖片來源│NASA

最後,太陽、地球、其他行星、小行星等所有天體,各自分到一部份的角動量 (家產),恆星和行星開始穩定的公轉和自轉,太陽系才逐漸成形。

然後勒?「從此,地球就過著穩定旋轉的日子……」並沒有!首先,地球自轉忽快忽慢,沒有一天是 24 小時。

地球自轉忽快忽慢

在原子鐘發明以先,地球自己就是時鐘。人們把地球自轉一周後,回到面對太陽同一角度所經歷的時間,訂為「一天」,後來又把一天等分為 24 份,每一等分稱為 1 小時。

近代改用原子鐘定義時間,重新測量地球自轉。結果發現:

二、三十年下來,地球自轉沒有一天是 24 小時。每天都跟 24 小時或多、或少差了千分之一、二秒。

為什麼?地球沒有受到外力,角動量不是應該守恆嗎?

「因為地球不是一塊死板板、硬梆梆的剛體,」趙丰說:「大氣環流海洋洋流地函對流,地球時時刻刻都在變化。」

地球自轉有角動量,大氣環流、海洋洋流、地函對流也有角動量。所謂角動量守恆,是指地球上所有物體角動量的總和不變,但可以互相交換。

比方說,地球自轉是由西向東轉,當大氣向東流速變快,會對地面的推擠摩擦,從地球本身「借走」一點角動量,導致地球自轉變慢;相反的,如果大氣向東的流速變慢,也會藉著摩擦,「還給」地球一些角動量,使地球自轉變快。

地球不是一整塊死板板的剛體,大氣環流、海洋洋流、地函對流、巨大地震、冰河融化……地球無時不刻不變化,影響自轉速度和地軸方向。尤其是當大氣、海洋、地函對流方向等等發生改變,因為角動量守恆,地球自轉就會忽快忽慢。
資料來源 │趙丰 圖片重製 │林洵安

「今天大氣拿走一點,明天海洋還來一點,加加減減的,地球自轉就忽快忽慢了,」趙丰繼續比喻:「就像銀行的存款,今天吃個大餐,明天領個薪水,每天生活的收入支出,都會讓戶頭金額微微變動。」

但麻煩來了!如果地球好一陣子都轉得比較慢,一天慢個一千分之一秒,兩三年下來,就可能慢上 1 秒了。我們該不該把原子鐘也塞進 1 秒,以免跟地球自轉越差越遠,這就是過去發生了二十幾次的閏秒事件。

最近一次閏秒發生在 2017 年的 1 月 1 號,那年元旦假期幸運的多了……1 秒鐘。

地球越轉越慢、月球越來越遠

好幾年才加減 1 秒,根本無感?沒關係!如果把時間拉長,從幾百萬、幾千萬、幾億年的尺度來看,地球真的越轉愈慢,每 100 年穩定慢上千分之一秒。

可別小看千分之一秒?想想,如果是累積了 100 萬年、100 個 100 萬年 (1 億年)……差距就非常可觀,而地球已經 46 億歲了。

從化石證據知道, 4 億年前,地球一天只有 22 小時,再往前推,新生地球可能幾小時就轉一圈!反過來說,

當未來地球越轉越慢,一天真的有 25 小時可用。只不過還要再等上……2 億年。

誰讓地球剎車了?罪魁禍首是:月球!月球吸引地球的海水,引發潮汐現象,海水來來回回摩擦地表,就像貼在地球表面的「剎車皮」,讓地球慢慢「減速」。

至於地球消失的角動量,則被月球神不知鬼不覺的接收,用來增加月球公轉的速度……

月球在地球引發潮汐,讓地球自轉越來越慢,地球消失的角動量則轉移到月球,增加月球公轉的速度。「為什麼不是增加月球自轉的速度?」因為地球對月球的潮汐力更強,造成月面如海水起伏摩擦,早就讓月球自轉「停擺」了,現在只能用同一面面對地球。
資料來源 │趙丰 圖片重製 │林洵安

「可是……不是說角動量一定要守恆嗎?但地球的角動量越來越少了……」

地球和月球互相吸引,又不受外力影響,可以看成一個系統。地球消失的角動量轉移到月球,整個系統的角動量還是守恆的!

月球的公轉角動量增加,又造成一個有趣的現象:

月球公轉速度變快,地球引力越來越拉不住它,於是月球越跑越遠、公轉軌道越來越大,每年平均遠離地球 3.8 公分。

由此反推,過去月球應該離地球非常近,當時月亮大又圓,而且每次漲潮都是恐怖大海嘯。

而未來,地球將越轉越慢,直到停止自轉,最後永遠只用同一面對著月球。屆時,地球只有一半地區可中秋賞月,但那時月亮只不過是天邊一顆不起眼的小白點。

地軸從來不安分

最後,地球自轉不只愈來愈慢,自轉軸還會各種搖擺,就像你甩出陀螺或是丟出飛盤,它們的旋轉軸也會繞圈圈或是些微晃動。

最有名的就是歲差現象:地軸週期性的繞圈圈,造成春分、秋分,冬至、夏至相對於星體的角度年年改變。幕後的主要黑手是:太陽和月球的引力,使地球自轉軸以 25800 年為週期,繞出一個圓錐。影響所及,人類的曆法必須考慮它、對它修正,才能跟著上地軸的「舞步」。地球就像陀螺一樣,自轉軸會週期性的繞圈圈,造成

地球就像陀螺一樣,自轉軸會週期性的繞圈圈,造成春分、秋分,冬至、夏至相對於星體的角度年年改變,比方說:地軸北方所對的「極星」隨著時間改變,未來將從北極星轉向織女星。
資料來源 │趙丰 圖片重製 │林洵安

但即使沒有外力,地球自轉軸也會自己擺動,造成許多古怪的現象,像是北極點不斷漂移,稱為極移。

早在 1900 年,人類就訂出地理北極點的位置,統一全世界的地圖和座標。但事實是,地球真正的北極點每天都像個陀螺似的,一邊打轉、一邊朝美國東部的方向漂移,目前已移動十多公尺。

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。

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。

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 4 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 2 萬年。當北半球冬季遇上遠日點,就容易形成冰河期。

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 3~5 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。

最近兩三年,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!

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本文轉載自中央研究院研之有物,原文為一天 24 小時不夠用?再等等,地球自轉越來越慢……,泛科學為宣傳推廣執行單位

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