地球不只是旋轉(zhuǎn)，它也搖擺不定

尼克·佛萊明

我們腳下的地球大部分時(shí)間似乎堅(jiān)固不動(dòng)，令人放心。但這是一個(gè)錯(cuò)覺(jué)，這個(gè)錯(cuò)覺(jué)來(lái)自我們有限的認(rèn)知。

我們的這個(gè)行星每23小時(shí)56分鐘4秒自轉(zhuǎn)一次。它也圍繞著太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)，我們的太陽(yáng)系也在圍繞著銀河系的中心飛速運(yùn)轉(zhuǎn)，而我們的銀河系也正在飛向宇宙中一個(gè)被稱為巨引源的空間。這里涉及的速度要是說(shuō)出來(lái)會(huì)令人頭暈?zāi)垦！?/p>

即使你忽視了這一切，地球也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不穩(wěn)定。在我們腳下，巨大的巖石塊不斷地相互磨合，形成山谷，一起形成山脈，或者形成河流和海洋。我們腳下的地面在永遠(yuǎn)漂移、伸展和搖擺。

在大多數(shù)情況下，這沒(méi)有什么可擔(dān)心的。然而，我們對(duì)這些現(xiàn)象越來(lái)越多的了解會(huì)讓我們對(duì)地球內(nèi)部的運(yùn)作有更好的理解，對(duì)試圖跟蹤和著陸航天器的人也很方便。我們現(xiàn)在已知有七個(gè)因素使地球移動(dòng)。

臺(tái)式地球儀是一個(gè)完美的球體，因此它可以在固定的軸上平滑地旋轉(zhuǎn)。然而，真正的地球不是這樣一個(gè)完美的球體，其中的質(zhì)量分布不均勻，容易移動(dòng)。所以，地球旋轉(zhuǎn)的軸線以及軸的南北端也在移動(dòng)。

此外，由于旋轉(zhuǎn)軸與其圖形軸不同，圖形軸周圍的質(zhì)量平衡，所以當(dāng)?shù)厍蛐D(zhuǎn)時(shí)就會(huì)擺動(dòng)。

在科學(xué)界，牛頓早就預(yù)測(cè)到了這種擺動(dòng)。更準(zhǔn)確地說(shuō)，它由許多明顯的擺動(dòng)組成。

影響最大的一個(gè)被稱為“錢德勒搖擺”，這是美國(guó)天文學(xué)家小塞特·錢德勒在1891年首次觀察到的，它導(dǎo)致極點(diǎn)移動(dòng)9米，需要大約14個(gè)月才能完成一個(gè)完整的周期。

20世紀(jì)，科學(xué)家提出了各種各樣的原因，包括大陸儲(chǔ)水，大氣壓力，地震以及地球核心和地幔邊界相互作用的變化。

加利福尼亞州帕薩迪納市美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的地球物理學(xué)家理查德·格羅斯在2000年解決了這個(gè)謎團(tuán)。1985年至1995年，他將天氣和海洋新模型應(yīng)用于對(duì)錢德勒搖擺的觀測(cè)，通過(guò)計(jì)算，2/3的擺動(dòng)是由于海底壓力波動(dòng)引起的，1/3是由大氣壓力的變化所致。

格羅斯說(shuō)：“它們的相對(duì)重要性隨時(shí)間而變化，但是現(xiàn)在廣泛接受的原因是大氣和海洋壓力變化的結(jié)合?！?/p>

季節(jié)是影響地球搖擺的第二大因素，那是因?yàn)樗鼈儗?dǎo)致了雨、雪和濕度在不同地理區(qū)域的變化。

1899年以來(lái)，科學(xué)家使用星星的相對(duì)位置能夠精確定位兩極；20世紀(jì)70年代以來(lái)有了衛(wèi)星就更加方便。但是，即使在消除了錢德勒搖擺和季節(jié)性波動(dòng)的影響之后，相對(duì)地殼來(lái)說(shuō)，北極和南極的旋轉(zhuǎn)極點(diǎn)仍然在移動(dòng)。

在2016年4月發(fā)表的一項(xiàng)研究中，也在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工作的蘇仁德拉·阿迪卡里和埃里克·埃文斯辨認(rèn)出兩個(gè)更重要的地球擺動(dòng)拼圖。

在2000年之前，地球的旋轉(zhuǎn)軸線向加拿大漂移，每年幾厘米。但隨后的測(cè)量顯示，旋轉(zhuǎn)軸改變了方向，改為朝向不列顛群島。一些科學(xué)家認(rèn)為，這可能是由于格陵蘭島和南極冰蓋迅速融化造成的冰塊損失所致。

阿迪卡里和埃文斯開始檢驗(yàn)這個(gè)觀點(diǎn)。他們將極地位置的GPS測(cè)量與GRACE（使用衛(wèi)星測(cè)量地球周圍質(zhì)量變化的研究）的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。

他們發(fā)現(xiàn)，格陵蘭和南極冰蓋的融化只解釋了最近兩極方向移動(dòng)的2/3左右。他們得出結(jié)論，剩下的1/3是由于大陸（主體是歐亞大陸）上遺留的水引起的水量下降。

該地區(qū)受含水層枯竭和干旱的影響。然而，起初涉及的水量似乎太小，無(wú)法產(chǎn)生這樣的影響。

然后他們考慮到受影響地區(qū)的位置。阿迪卡里說(shuō)：“從旋轉(zhuǎn)物體的基本物理學(xué)角度來(lái)看，我們知道極點(diǎn)的移動(dòng)對(duì)于大約±45°緯度的變化非常敏感。這正是歐亞大陸所存失水的原因。

這項(xiàng)研究還確定了大陸水儲(chǔ)存是對(duì)地球旋轉(zhuǎn)中擺動(dòng)的另一個(gè)合理解釋。

在整個(gè)20世紀(jì)，研究人員一直感到困惑，因?yàn)樾D(zhuǎn)軸每6年至14年移動(dòng)一次，總體漂移為向東或向西0.5米至1.5米。阿迪卡里和埃文斯發(fā)現(xiàn)，在2002年至2015年間，歐亞大陸干旱年份對(duì)應(yīng)于向東擺動(dòng)，濕潤(rùn)年份對(duì)應(yīng)于向西擺動(dòng)。

阿迪卡里說(shuō)：“我們找到了一個(gè)完美的匹配，成功確定全球范圍內(nèi)的年際濕干變異性和年際極移之間一對(duì)一匹配，這是第一次?！?/p>

水和冰的這些運(yùn)動(dòng)是由自然過(guò)程和人類行為相結(jié)合造成的，但是影響地球擺動(dòng)的其他變化都是人類自己所為。

在2009年的一項(xiàng)研究中，JPL 的費(fèi)利克斯·蘭德勒計(jì)算得出，如果二氧化碳水平在2000年至2100年間翻一番，海洋就會(huì)變暖并膨脹，致使北極在下個(gè)世紀(jì)每年向阿拉斯加和夏威夷移動(dòng)1.5厘米左右。

類似的是，在2007年的一項(xiàng)研究中，蘭德勒模擬了二氧化碳增加對(duì)海底壓力和循環(huán)造成的海洋變暖的影響。他發(fā)現(xiàn)，這些變化會(huì)將質(zhì)量轉(zhuǎn)移到更高緯度地區(qū)，這樣會(huì)將地球上的一天縮短0.1毫秒多一點(diǎn)的時(shí)間，即萬(wàn)分之一秒。

大量的水和冰如果四處移動(dòng)，就會(huì)影響地球的旋轉(zhuǎn)。移動(dòng)足夠大的巖石也具有相同的效果。

構(gòu)成地球表面的構(gòu)造板塊突然滑過(guò)彼此時(shí)，就會(huì)發(fā)生地震。在理論上，這可能產(chǎn)生影響。

格羅斯研究了2010年智利海岸發(fā)生的8.8級(jí)大地震。在尚未發(fā)表的研究中，他計(jì)算出板塊運(yùn)動(dòng)將地球的質(zhì)量平衡軸線移動(dòng)了約8厘米。

然而，這只是一個(gè)基于模型的估計(jì)。格羅斯等人因此試圖通過(guò)跟蹤GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)中的地震來(lái)觀察地球旋轉(zhuǎn)方式的真正轉(zhuǎn)變。

到目前為止，已經(jīng)證明還不成功，因?yàn)榕懦绊懙厍蛐D(zhuǎn)的所有其他因素是一件棘手的事。格羅斯說(shuō)：“這些模型并不完美，因?yàn)闅埩粼胍粞谏w了較小的地震信號(hào)。”

當(dāng)構(gòu)造板滑過(guò)彼此時(shí)發(fā)生的質(zhì)量運(yùn)動(dòng)也會(huì)影響一天的長(zhǎng)度。這有點(diǎn)像一個(gè)滑冰運(yùn)動(dòng)員在一個(gè)點(diǎn)上旋轉(zhuǎn)：她可以通過(guò)收回胳膊而加速，從而使她的質(zhì)量更接近身體；或者通過(guò)相反的方式減速。例如，格羅斯計(jì)算，2011年日本的9.1級(jí)地震將這一天的長(zhǎng)度縮短了1.8微秒。

當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，會(huì)觸發(fā)通過(guò)地球內(nèi)部傳遞能量的地震波。

地震波分為兩種：“P波”反復(fù)擠壓其穿過(guò)的材料并使其膨脹，振動(dòng)與行進(jìn)方向相同；較慢的“S波”從一側(cè)到另一側(cè)擺動(dòng)巖石，振動(dòng)與其行進(jìn)方向成直角。

強(qiáng)烈的風(fēng)暴也可能產(chǎn)生類似地震引發(fā)的地震波，這些波被稱為微震。直到最近，科學(xué)家才確定了微S波的來(lái)源。

在東京大學(xué)的西田究（Kiwamu Nishida）和東北大學(xué)的阿田川良太（Ryota Takagi）發(fā)表的研究報(bào)告中，他們?cè)谌毡灸喜渴褂昧?02個(gè)探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)來(lái)跟蹤P 波和S 波，將其起源追溯到一次嚴(yán)重的北大西洋風(fēng)暴，并將其稱為“氣象炸彈”：中心的大氣壓力急劇下降的風(fēng)暴。

以這種方式跟蹤微震行動(dòng)將有助于研究人員更好地了解地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

不僅僅是地球上的現(xiàn)象影響著我們這顆行星的運(yùn)動(dòng)。最近的研究表明，大地震更有可能在滿月或新月前后，這可能是因?yàn)樘?yáng)、月球和地球呈一條直線，增加了重力，對(duì)我們的行星發(fā)生了作用。

在2016年9月發(fā)表的一項(xiàng)研究中，東京大學(xué)的井出鄉(xiāng)四（Satoshi Ide）和他的同事分析了過(guò)去20年來(lái)大地震前兩周的潮汐壓力。 在最大的12次地震中（全部達(dá)到8.2級(jí)或以上），有9次發(fā)生在接近滿月或新月的前后。沒(méi)有發(fā)現(xiàn)較小的地震有這種關(guān)系。

井出的結(jié)論是，這些時(shí)候額外的重力可能在構(gòu)造板塊上增加作用。其變化雖然很小，但如果板塊受到壓力，額外的力量就足以將巖石小的破裂變成更大的破裂。

雖然這看上去合理，但許多科學(xué)家持懷疑態(tài)度，因?yàn)榫龅难芯恐豢疾炝?2次地震。

更有爭(zhēng)議的是這一觀點(diǎn)：太陽(yáng)內(nèi)部的振動(dòng)可以用來(lái)解釋地球上的一些擺動(dòng)現(xiàn)象。

當(dāng)氣體在太陽(yáng)內(nèi)部移動(dòng)時(shí)，它們產(chǎn)生兩種不同類型的波浪。由壓力變化產(chǎn)生的稱為p模式，而當(dāng)致密材料通過(guò)重力向下拉動(dòng)時(shí)形成的那些稱為g模式。

p模式只需要幾分鐘就能完成一個(gè)完整的振動(dòng)周期，而g模式需要幾十分鐘到幾小時(shí)。這段時(shí)間是模式的“周期”。

1995年，由加拿大金斯頓女王大學(xué)的大衛(wèi)·湯姆森牽頭的小組分析了1992年至1994年從太陽(yáng)流出的大量帶電粒子的太陽(yáng)風(fēng)表現(xiàn)的模式。他們報(bào)告的波動(dòng)與p模式和g模式周期相同，表明太陽(yáng)的這些振動(dòng)以某種方式影響太陽(yáng)風(fēng)。

2007年，湯姆森接著報(bào)告說(shuō)，海底通信電纜電壓發(fā)生波動(dòng)，原因不明確。地球上的地震觀測(cè)甚至移動(dòng)電話信號(hào)丟失也產(chǎn)生了與太陽(yáng)內(nèi)部波浪相匹配的頻率模式。

然而，其他科學(xué)家相信湯姆森的這個(gè)說(shuō)法是站不住腳的。根據(jù)模擬，這些太陽(yáng)振動(dòng)，特別是g模式，等到達(dá)太陽(yáng)表面時(shí)已經(jīng)非常微弱，不會(huì)影響太陽(yáng)風(fēng)。即使情況并非如此，在遠(yuǎn)離地球時(shí)，行星際介質(zhì)的湍流就會(huì)破壞這些模式。

加利福尼亞州圣地亞哥從事預(yù)測(cè)科學(xué)的皮特·賴?yán)Q：“當(dāng)我們觀察不同的時(shí)間段時(shí)，發(fā)現(xiàn)頻率正在變動(dòng)，特別是在g 模式下，它們應(yīng)該保持相對(duì)穩(wěn)定?！痹缭?996年，他發(fā)表了一篇研究報(bào)告質(zhì)詢湯姆森的原始結(jié)果?！拔覀兛戳舜笮l(wèi)·湯姆森看過(guò)的相同數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行了相同的分析，并沒(méi)有找到有關(guān)p模式或g模式的證據(jù)。”

顯然，湯姆森的想法可能不會(huì)成功。但是，我們的地球搖擺還有很多其他原因。