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Jul. 25 2023

地球歷史中曾有14億年,一天的長度都維持在19.5小時

  • 1972年由阿波羅17號拍攝的「藍色彈珠」,是地球最為人所熟知的影像。來源:NASA

    1972年由阿波羅17號拍攝的「藍色彈珠」,是地球最為人所熟知的影像。來源:NASA

  • 日地月系統中重力、熱力與時間的變化關係。來源:Science

    日地月系統中重力、熱力與時間的變化關係。來源:Science

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根據多倫多大學的最新研究顯示,我們現在熟知的每日24小時正在緩慢延長中,但這個緩慢增加的時間其實在地球歷史中有三分之一的時間幾乎保持不變,每日的長度都在19.5小時左右,這個違反直覺的研究結果引起科學界的高度重視,甚至可能與原始生命的演化與發展過程息息相關!

1972年由阿波羅17號拍攝的「藍色彈珠」,是地球最為人所熟知的影像。來源:NASA

1972年由阿波羅17號拍攝的「藍色彈珠」,是地球最為人所熟知的影像。來源:NASA

由於月球引發地球潮汐的影響,月球正在以每年4公分的速度緩緩遠離地球,同時地球的自轉速度也因此變得逐漸增加,每100年大約增加千分之1.7秒。科學家更進一步研究發現,在20億年前至6億年前這段長達14億年的時間當中,地球自轉速度很穩定地固定在19.5小時,來自多倫多大學的天體物理學家建立歷來最詳細的地球自轉速度變化模型,推算出除了月球引起的潮汐運動是造成地球自轉減速的主因之外,太陽拉動並加熱大氣層,以及大氣層內的共振波重合,使得地球自轉速度被鎖定在19.5小時長達14億年,幾乎佔據地球46億年歷史的近三分之一。

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日地月系統中重力、熱力與時間的變化關係。來源:Science

日地月系統中重力、熱力與時間的變化關係。來源:Science

在該團隊提出的最佳擬合動力學模型中,隨著月球對地球產生的潮汐作用逐漸遠離,月球在地球早期歷史中更加接近地球,因而產生更大的扭矩(torque),減緩地球自轉速度的效應也越強烈,在上圖中以黑色實線標示。而太陽對地球自轉速度產生的扭矩則沒有太明顯的隨時間上的變化。在大氣層的熱力作用方面,由於大氣層受到日夜變化產生出溫度差異的共振,當時每日的長度約為20小時,而大氣共振繞行地球一周的時間約為10小時,這種大氣波動對地球自轉的加速度效應巧妙地抵消了月球潮汐力造成的減速效應。在22億年前首先達到扭矩平衡狀態,維持到14億年前左右,在這個時期中每日長度反而稍有減少。然後在6億年前至4億年前又有第二個短暫共振效應出現的時段。在這個時段中,地球的每日長度並沒有明顯變化,幾乎固定在22小時左右。

因此,研究團隊估計若是沒有太陽與大氣層的交互作用,而僅僅是月球與海洋的潮汐力影響地球自轉速度,地球現在一天的長度將超過60個小時。地球自轉速度變化與氣候變遷有很重要的關聯性,尤其在近百年的全球暖化趨勢中,更多的冰原融化成為淡水,海平面上升,都與地球的質量分布改變相關,也和地球自轉速度變化有密切關係。這類全球性的變化和發展引起了天文學家們高度重視。

 

參考資料:Science Alert

原始論文:Science

本文轉載自臺北市立天文科學教育館網站。

 

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