天体物理学家揭示地球日延长过程中的亿年停滞现象

多伦多大学（University of Toronto）的天体物理学家揭开了一个谜团：为什么地球的白昼会在月球潮汐的影响下逐渐延长，而地球白昼的延长却停顿了十多亿年。他们的研究表明，从大约 20 亿年前到 6 亿年前，太阳驱动的大气潮汐抵消了月球的影响，维持了地球的自转速率，并将一天的持续时间稳定在 19.5 小时。

(相关资料图)

一组天体物理学家的研究表明，从大约 20 亿年前到 6 亿年前，由太阳驱动的大气潮汐抵消了月球的影响，使地球的自转速度保持稳定，昼长保持在恒定的 19.5 小时。资料来源：凯文-M-吉尔

如果没有这十亿年地球自转速度减慢的停顿，我们现在一天 24 小时的时间将延长到 60 多个小时。

描述这一结果的研究最近发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上。科学家们利用地质证据和大气研究工具表明，太阳和月球之间的潮汐僵局是大气温度与地球自转速度之间偶然但却具有巨大影响的联系造成的。

这篇论文的作者包括加拿大多伦多大学加拿大理论天体物理研究所（CITA）的理论天体物理学家诺曼-默里（Norman Murray）、加拿大理论天体物理研究所和加拿大多伦多大学物理系的研究生吴汉波（Hanbo Wu）、大卫-A. 邓拉普天文学与天体物理学系和多伦多大学士嘉堡分校物理与环境科学系的克里斯汀-梅努；波尔多天体物理实验室的杰里米-拉孔特和前 CITA 博士后研究员；以及多伦多大学物理系的克里斯托弗-李。

地球大气的功率谱。x 轴为波长，例如，5 表示自西向东传播的波长为地球周长的五分之一，-5 表示自东向西传播的波长为地球周长的五分之一。y 轴是频率，单位是每天一个周期，例如 2 表示每天两个周期，即 12 小时。棕色水平细线表示每天一个、两个、三个等周期（24 小时、12 小时、8 小时周期，以此类推）。资料来源：Sakazaki & Hamilton

当月球在大约 45 亿年前刚刚形成时，一天的时间还不到 10 个小时。但从那时起，月球对地球的引力减缓了地球的自转，导致一天的时间越来越长。如今，它仍在以每个世纪约 1.7 毫秒的速度延长。

月球通过拉动地球上的海洋来减缓地球的自转，在地球的两侧形成潮汐隆起，这就是我们所体验到的涨潮和退潮。月球对这些隆起的引力，加上潮汐和海底之间的摩擦，就像我们旋转的星球上的一个制动器。

穆雷说："太阳光也会产生具有相同类型隆起的大气潮汐。太阳引力拉动这些大气隆起，对地球产生扭矩。但它并没有像月球那样减缓地球的自转，而是加速了地球的自转。"

在地球地质历史的大部分时间里，月球潮汐的作用超过了太阳潮汐，大约是太阳潮汐的十倍；因此，地球的自转速度减慢，白昼延长。但在大约 20 亿年前，大气隆起较大，这是因为当时的大气温度较高，而且大气的自然共振--波在大气中移动的频率--与白昼的长度相匹配。

大气层就像钟一样，其共振频率由包括温度在内的各种因素决定。换句话说，海浪--比如 1883 年印度尼西亚喀拉喀托火山大爆发产生的海浪--穿过大气层的速度由其温度决定。同样的原理也解释了为什么钟在温度恒定的情况下总是能发出相同的声音。

默里和他的合作者在研究中依赖于地质证据，比如这些来自潮汐河口的样本，它们揭示了春潮和低潮的周期。资料来源：G.E. 威廉姆斯

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。今天，两次大气"大潮"环绕地球一周需要 22.8 小时；由于共振和地球 24 小时的自转周期不同步，大气潮汐相对较小。

但在所研究的十亿年期间，大气温度较高，共振周期约为 10 小时。此外，在那个纪元到来时，地球的自转速度因月球而减慢，达到了 20 小时。

当大气共振和日长成为偶数--10 小时和 20 小时--大气潮汐得到加强，隆起变大，太阳的潮汐拉力变得足够强大，足以抵消月球潮汐。

默里说："这就像推着孩子荡秋千。如果你的推力和秋千的周期不同步，秋千就不会荡得很高。但是，如果它们是同步的，当秋千在其行程的一端停止时，你正好在推动它，那么推动力就会增加秋千的动力，它就会荡得更远更高。这就是大气共振和潮汐的作用"。

除了地质证据之外，默里和他的同事们还利用全球大气环流模型（GCMs）来预测这一时期的大气温度，从而得出了他们的研究结果。全球大气环流模型与气候学家用来研究全球变暖的模型相同。穆雷认为，这些模型在研究小组的研究中如此有效，是一个很大的收获。

穆雷说："我曾与那些对气候变化持怀疑态度的人交谈过，他们不相信那些告诉我们正处于气候危机中的全球环流模型。我告诉他们 我们在研究中使用了这些全球环流模型，它们是正确的。"

尽管距离地质历史较远，但这一结果为气候危机增添了新的视角。由于大气共振会随着温度的变化而变化，默里指出，我们目前正在变暖的大气可能会对这种潮汐失衡产生影响。

"随着全球变暖，地球温度升高，共振频率也随之升高--大气层离共振越来越远。因此，来自太阳的力矩就会减少，因此，白天的长度就会变长，比其他情况下更快。"

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