图源：Kevin Gill, CC BY 2.0 , via Wikimedia Commons
一天到底有多长？为什么是24小时？到底哪些因素在影响着地球自转一周的时长？你是否也曾想过，要是一天的时长不止24小时该有多好——这样你就有足够的时间来完成更多的事，也有更多的时间休息？其实，如若不是几十亿年前的一种现象，让地球的一天停止了延长，这种情况很可能会发生。
地球上的一天的长度并非总是24小时。大约在45亿年前，在月球刚形成时，地球上一天的长度还不到10小时。但随着月球的潮汐力逐渐地减缓地球自转，一天的时间变得越来越长。直至今日，这种潮汐力仍然以每世纪约1.7毫秒的速度延长一天的长度。然而，在很长一段时间内，地球上的一天其实并没有延长。
在一项新发表于《科学进展》（Science Advances）杂志上的研究中，一组天体物理学家发现，在22亿年前到6亿年前之间，由于几种潮汐力的相互抵消，地球以相同的速度旋转了10多亿年，将一天的长度恒定在19.5小时左右。如果没有这十多亿年的停顿，我们现在的一天的长度可能会超过65个小时。
月球引潮力是由月球的引力产生的，它会通过拉动地球的海洋而减缓地球的自转。具体来说，它会在地球离月球最近的一侧和最远的一侧产生潮汐隆起，海洋会因此经历高潮。月球的引力牵引着这些隆起，加上这些隆起的位置也会随地球的自转而变化，使潮汐和海底之间产生摩擦，因而减缓了地球的自转速度。与此同时，太阳也会产生潮汐力。会产生扭矩的太阳潮汐有两种，第一种是与太阳引潮力有关的太阳扭矩，它的作用方式与月球引潮力一样，会引起海洋潮汐的微小变化，起到减缓地球自转的作用，增加一天的长度。第二种是热力潮，它存在于地球大气中，当阳光加热大气层时，大气膨胀，形成一个可以与太阳引力相互作用的大气隆起，起到加速地球自转的作用，缩短一天的长度。虽然太阳的引力更强大，但地球与太阳的距离比地球与月球距离的要大得多，这使得在地球地质史的大部分时间里，月球潮汐比太阳潮汐强10倍左右。因此，总的来说，地球的自转速度会变慢，一天的时间会持续变长。但是，在20亿年前的某个时刻，一切都变了。地球大气层变得更加温暖，大气的隆起开始变得更大。这会影响阳光在大气中产生的热波，大气的温度越高，波在大气中传播的速度越快。这些波在大气中传播的频率产生了大气共振。大气共振的频率由多种因素决定，包括温度。在地球历史的大部分时间里，大气共振一直与地球的自转速度不同步。但在研究所聚焦的那段长达十多亿年的时间里，这种共振与一天的长度保持同步。当时的共振周期约为10小时，地球的自转周期（约19.5小时）几乎是共振周期的两倍，每当地球完成大约半圈的自转时，大气波就会产生共振。这时，太阳引起的大气潮汐变得更强，足以抵消月球的潮汐。导致的结果是，在那段时间里，地球的自转既没有变快也没有变慢。直到6亿年前，一天的时间才再次开始变长。
研究人员利用地质证据，比如这些来自潮汐河口的样本，揭示了春季和小潮的周期。粗带对应大潮，细带对应小潮。（图/G.E. Williams via utoronto.ca ）除了地质证据外，研究人员还利用全球大气环流模型预测了这一时期的大气温度，并发现计算机模型的预测结果，与来自极古老岩层的涨潮和退潮的地质证据相一致。这项研究结果表明，太阳和月球之间的潮汐平衡，是由大气温度和地球自转速度之间的偶然但又极其重要的联系造成的。研究人员表示，尽管那段停滞时期在地质历史上已离我们很遥远，但它为气候危机提供了一个新的视角。由于大气共振随温度变化，当前正在变暖的大气可能也会对目前的潮汐不平衡产生影响。随着全球变暖，地球温度升高，共振频率也将随之升高，这会使大气远离共振，进而导致来自太阳的潮汐影响减小。因此，一天的长度可能还将以更快的速度变长。
本文首发于微信公众号“原理”（principia1687) ，《赛先生》获授权转载。参考来源：
1. https://www.artsci.utoronto.ca/news/why-day-24-hours-long-astrophysicists-reveal
2. https://arstechnica.com/science/2023/07/the-gravitational-interactions-that-have-helped-us-dodge-60-hour-days/
3. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add2499
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