自然謎蹤：深藏地底的時鐘齒輪

周期變化的地球時鐘

　　我們知道，地球的一天是在不斷變化的，而且是在一天天變長：13億年前，每年有500多天，一天不到18個小時;又過了大約10億年，生物種類大爆發，那時候每年有420天，一天約有21個小時;今天，我們已經非常習慣一年365天(或366天)，一天24個小時的日子了。

　　可是，除了這種長期變化外，科學家驚訝地發現，地球一天的長度在短時間內也是來回擺動的：大約每6年，地球的一天長度就會變動一次，每次增加或減少0.1毫秒左右。對于個人而言，0.1毫秒的時間甚至不夠用來眨一次眼，這種尺度的時間變化對我們的日常生活不會產生影響。

　　但是，有些精密儀器可能不太喜歡這種改變：全球定位系統通過接收不同位置的衛星發出的信號來確定接收器的位置，在赤道上，信號發射時間相差0.1毫秒所產生的位置誤差可達0.5米;航空航天、軍事指揮、金融結算等領域需要精密授時，原子鐘、衛星授時等是常用的報時手段，如果信號發出和接收的雙方采用不同的授時方法和時間標準，哪怕只相差0.1毫秒也會影響指令的發出時間以及完成程度。因此，科學家們迫切需要搞明白，地球一天的長度為什么會變化。

　　地球一天的長度取決于地球自轉一周需要多長時間，許多因素會影響地球的自轉時間，比如與其他行星的引力相互作用、海洋和大氣中的活動以及地核和地幔之間的電磁交互作用等。可是，按理來說，這些因素要么對地球自轉有長期影響，要么對地球的影響應該是不定時的，為什么地球的時長會出現六年一次的固定變化呢?

　　定時“逆行”的地球內核

　　最近，科學家找到了解釋這個謎團的新理論——定時震蕩的地球內核可能是導致地球時鐘周期變化的“齒輪”。

　　地球的內核大約有冥王星那么大，它是一個主要由鐵和鎳組成的實心球，外層還包裹著流動的熔融鐵水。當然，這一切是科學家根據數據處理和模擬實驗猜想的，現有技術根本沒辦法直接觀察地球內核的結構和運動。19世紀，科學家發現，地震時震源會向四面八方傳播振動，這些振動波有的只在地下傳播，有的能穿過地下的巖層，撼動地表，有的沿水平方向傳播，有的沿垂直方向傳播。基于這些差別，科學家將地震波分為在地下傳播的體波和沿地表傳播的面波，其中體波又分為縱波(P波)和橫波(S波)兩類。

　　地震波能為我們提供很多地球內部的秘密，比如不同部位的運動速度。地球在不斷自轉，由于距地心的距離不同，不同圈層的速度是不一樣的，就像田徑場上同一起跑線同時起步的運動員，跑在內圈的總是比外圈更快那樣。那么，與其他部分相比，地球的內核跑得更快還是更慢呢?

　　這個問題P波可以解答。我們知道，海豚會通過回聲進行定位：向四面八方不斷發射聲波，這些聲波遇到物體時會發生反彈，根據反彈時間進行定位。如果有一條魚正向海豚靠近，聲波返回到海豚耳中的時間會更短，反之則更長。P波定速的原理與此類似，如果地核朝向觀察者旋轉，則在地球內部傳播的P波反彈的距離比地核遠離觀察者時的更短，所需時間也更短。根據這個原理，1996年，一項科學研究首次提出，地球內核旋轉的速度比地球其他部分更快。

　　這個結論與我們的常識相符，畢竟地核跑的是“內圈”，它的速度理應更快一些。但是，最近一項研究提出了近乎相反的結論：地球內核的旋轉速度不是固定不變的，有時跑得快，有時又會減速，甚至還會“逆行”。

　　意外發現解開時鐘之謎

　　這項研究結論來自“人造地震波”。1960年代以前，人們習慣在地面上進行核試驗，這些試驗所產生的輻射影響范圍大、時間長，后來，為了健康和環保著想，核試驗就被轉到了地下。核武器在地底爆炸能產生類似地震波的振動，為了檢測和監測地下核試驗，科學家在全球建立了幾個地震儀陣列，其中，位于美國蒙大拿州的大孔徑地震儀陣列(LASA)是最大的一個。

　　LASA從1964年到1978年運行，在LASA運行的14年里，科學家們收集到了大量自然地震和地下核試驗所產生的振動數據，通過分析這些數據，科學家們得知了更多的地核秘密。美國南加州大學的地球科學家王偉和約翰·維代爾收集了1969年至1974年間蘇聯地下核彈試驗產生的P波的到達時間，結果發現，在1969-1971年，地球內核的旋轉速度不斷變慢，速度最小時，地核的速度甚至比地殼還慢，到了1971-1974年，地核開始反向旋轉并逐漸加速。也就是說，大約每6年時間，地球內核就會改變一次運動方向。

　　地核的這一運動方式讓科學家聯想到了時長的變化——每6年，地球一天的長度就會發現微小的改變，有時變長一些，有時變短一些。時長的變化與地核的轉向有什么關系呢?這是因為地核轉向影響著地球的自轉。

　　我們的地球已經自轉了45億年，是什么力量支撐它持續運動這么長時間呢?答案是“角動量”。物體做圓周運動所產生的動量就是角動量。旋轉的陀螺、滾動的車輪以及自轉的地球所具有的動量都屬于角動量。

　　46億年前的太陽系還處于星云狀態，一場超新星爆發打破了太陽系星云的寧靜，導致其中的物質在引力作用下不斷向中心旋轉、坍塌。隨著氫和氦以及少量重元素的不斷聚集，中心區域物質密度變得越來越大，溫度也越來越高，最終達到了氫元素核聚變所需的溫度和壓力——太陽誕生了。由于宇宙基本是真空的，幾乎沒有外力作用，星云物質快速旋轉產生的角動量衰減得十分緩慢，由這些星云物質組成的地球從“出生”以來就在不斷自轉，就像一個在光滑平面上持續打轉的陀螺。

　　不過，地球自轉了這么久，它也有點“疲累”了，月球的潮汐力正不斷消耗地球的自轉角動量，使得地球的自轉速度逐漸變慢，以至于一天的時長也在逐漸增加。地核的“轉向”同樣影響著地球的自轉角動量：因為地核以與地幔和地殼不同的速度旋轉，則兩者之間存在角動量交換。核幔角動量交換將地球自轉動能變為熱能，積累在核幔邊界，使地殼和地幔旋轉得更快，地核旋轉得更慢，這進一步消耗了地球的自轉角動量，拖慢了地球自轉的速度——一天變得更長。但是，當地核忽然轉向時，這一切就會顛倒過來：地殼和地幔旋轉變慢，地核旋轉變快，地球的自轉角動量得到增加，自轉變快，時長變短。

　　地核“齒輪”正向轉一轉，地球時鐘就會加速;反向撥一撥，地球時鐘減速，這也許就是地球時鐘周期變化的原因。