自然謎蹤：深藏地底的時(shí)鐘齒輪

周期變化的地球時(shí)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(gè)小時(shí);又過了大約10億年，生物種類大爆發(fā)，那時(shí)候每年有420天，一天約有21個(gè)小時(shí);今天，我們已經(jīng)非常習(xí)慣一年365天(或366天)，一天24個(gè)小時(shí)的日子了。

　　可是，除了這種長期變化外，科學(xué)家驚訝地發(fā)現(xiàn)，地球一天的長度在短時(shí)間內(nèi)也是來回?cái)[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(gè)人而言，0.1毫秒的時(shí)間甚至不夠用來眨一次眼，這種尺度的時(shí)間變化對我們的日常生活不會產(chǎn)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(tǒng)通過接收不同位置的衛(wèi)星發(fā)出的信號來確定接收器的位置，在赤道上，信號發(fā)射時(shí)間相差0.1毫秒所產(chǎn)生的位置誤差可達(dá)0.5米;航空航天、軍事指揮、金融結(jié)算等領(lǐng)域需要精密授時(shí)，原子鐘、衛(wèi)星授時(shí)等是常用的報(bào)時(shí)手段，如果信號發(fā)出和接收的雙方采用不同的授時(shí)方法和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，哪怕只相差0.1毫秒也會影響指令的發(fā)出時(shí)間以及完成程度。因此，科學(xué)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(zhuǎn)一周需要多長時(shí)間，許多因素會影響地球的自轉(zhuǎn)時(shí)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(zhuǎn)有長期影響，要么對地球的影響應(yīng)該是不定時(shí)的，為什么地球的時(shí)長會出現(xiàn)六年一次的固定變化呢?

　　定時(shí)“逆行”的地球內(nèi)核

　　最近，科學(xué)家找到了解釋這個(gè)謎團(tuán)的新理論——定時(shí)震蕩的地球內(nèi)核可能是導(dǎo)致地球時(shí)鐘周期變化的“齒輪”。

　　地球的內(nèi)核大約有冥王星那么大，它是一個(gè)主要由鐵和鎳組成的實(shí)心球，外層還包裹著流動的熔融鐵水。當(dāng)然，這一切是科學(xué)家根據(jù)數(shù)據(jù)處理和模擬實(shí)驗(yàn)猜想的，現(xiàn)有技術(shù)根本沒辦法直接觀察地球內(nèi)核的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動。19世紀(jì)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，地震時(shí)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(xué)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(nèi)部的秘密，比如不同部位的運(yùn)動速度。地球在不斷自轉(zhuǎn)，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(shí)起步的運(yùn)動員，跑在內(nèi)圈的總是比外圈更快那樣。那么，與其他部分相比，地球的內(nèi)核跑得更快還是更慢呢?

　　這個(gè)問題P波可以解答。我們知道，海豚會通過回聲進(jìn)行定位：向四面八方不斷發(fā)射聲波，這些聲波遇到物體時(shí)會發(fā)生反彈，根據(jù)反彈時(shí)間進(jìn)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(shí)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(zhuǎn)，則在地球內(nèi)部傳播的P波反彈的距離比地核遠(yuǎn)離觀察者時(shí)的更短，所需時(shí)間也更短。根據(jù)這個(gè)原理，1996年，一項(xiàng)科學(xué)研究首次提出，地球內(nèi)核旋轉(zhuǎn)的速度比地球其他部分更快。

　　這個(gè)結(jié)論與我們的常識相符，畢竟地核跑的是“內(nèi)圈”，它的速度理應(yīng)更快一些。但是，最近一項(xiàng)研究提出了近乎相反的結(jié)論：地球內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)速度不是固定不變的，有時(shí)跑得快，有時(shí)又會減速，甚至還會“逆行”。

　　意外發(fā)現(xiàn)解開時(shí)鐘之謎

　　這項(xiàng)研究結(jié)論來自“人造地震波”。1960年代以前，人們習(xí)慣在地面上進(jìn)行核試驗(yàn)，這些試驗(yàn)所產(chǎn)生的輻射影響范圍大、時(shí)間長，后來，為了健康和環(huán)保著想，核試驗(yàn)就被轉(zhuǎn)到了地下。核武器在地底爆炸能產(chǎn)生類似地震波的振動，為了檢測和監(jiān)測地下核試驗(yàn)，科學(xué)家在全球建立了幾個(gè)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(gè)。

　　LASA從1964年到1978年運(yùn)行，在LASA運(yùn)行的14年里，科學(xué)家們收集到了大量自然地震和地下核試驗(yàn)所產(chǎn)生的振動數(shù)據(jù)，通過分析這些數(shù)據(jù)，科學(xué)家們得知了更多的地核秘密。美國南加州大學(xué)的地球科學(xué)家王偉和約翰·維代爾收集了1969年至1974年間蘇聯(lián)地下核彈試驗(yàn)產(chǎn)生的P波的到達(dá)時(shí)間，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在1969-1971年，地球內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)速度不斷變慢，速度最小時(shí)，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(zhuǎn)并逐漸加速。也就是說，大約每6年時(shí)間，地球內(nèi)核就會改變一次運(yùn)動方向。

　　地核的這一運(yùn)動方式讓科學(xué)家聯(lián)想到了時(shí)長的變化——每6年，地球一天的長度就會發(fā)現(xiàn)微小的改變，有時(shí)變長一些，有時(shí)變短一些。時(shí)長的變化與地核的轉(zhuǎn)向有什么關(guān)系呢?這是因?yàn)榈睾宿D(zhuǎn)向影響著地球的自轉(zhuǎn)。

　　我們的地球已經(jīng)自轉(zhuǎn)了45億年，是什么力量支撐它持續(xù)運(yùn)動這么長時(shí)間呢?答案是“角動量”。物體做圓周運(yùn)動所產(chǎn)生的動量就是角動量。旋轉(zhuǎn)的陀螺、滾動的車輪以及自轉(zhuǎn)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(tài)，一場超新星爆發(fā)打破了太陽系星云的寧靜，導(dǎo)致其中的物質(zhì)在引力作用下不斷向中心旋轉(zhuǎn)、坍塌。隨著氫和氦以及少量重元素的不斷聚集，中心區(qū)域物質(zhì)密度變得越來越大，溫度也越來越高，最終達(dá)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(zhì)快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的角動量衰減得十分緩慢，由這些星云物質(zhì)組成的地球從“出生”以來就在不斷自轉(zhuǎn)，就像一個(gè)在光滑平面上持續(xù)打轉(zhuǎn)的陀螺。

　　不過，地球自轉(zhuǎn)了這么久，它也有點(diǎn)“疲累”了，月球的潮汐力正不斷消耗地球的自轉(zhuǎn)角動量，使得地球的自轉(zhuǎn)速度逐漸變慢，以至于一天的時(shí)長也在逐漸增加。地核的“轉(zhuǎn)向”同樣影響著地球的自轉(zhuǎn)角動量：因?yàn)榈睾艘耘c地幔和地殼不同的速度旋轉(zhuǎn)，則兩者之間存在角動量交換。核幔角動量交換將地球自轉(zhuǎn)動能變?yōu)闊崮埽e累在核幔邊界，使地殼和地幔旋轉(zhuǎn)得更快，地核旋轉(zhuǎn)得更慢，這進(jìn)一步消耗了地球的自轉(zhuǎn)角動量，拖慢了地球自轉(zhuǎn)的速度——一天變得更長。但是，當(dāng)?shù)睾撕鋈晦D(zhuǎn)向時(shí)，這一切就會顛倒過來：地殼和地幔旋轉(zhuǎn)變慢，地核旋轉(zhuǎn)變快，地球的自轉(zhuǎn)角動量得到增加，自轉(zhuǎn)變快，時(shí)長變短。

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