北極星是現(xiàn)在最靠近北天極的一顆星,，對(duì)于身處北半球的人來(lái)說(shuō)，它的位置幾乎不變,，可以用它來(lái)辨別方向,。

圖1 來(lái)源：作者提供

但根據(jù)中科院上海天文臺(tái)的科學(xué)家們對(duì)地球自轉(zhuǎn)的研究，在未來(lái),，北極星的這一作用將被織女星替代,。

科學(xué)家為什么要研究地球自轉(zhuǎn)變化？地球自轉(zhuǎn)的變化對(duì)我們眼中的星空有什么影響呢,？

地球自轉(zhuǎn)一直在變化,，

而且變化相當(dāng)復(fù)雜

晝夜交替，日月星辰東升西落,，背后的原因是地球自西向東的自轉(zhuǎn),。地球圍繞一條通過(guò)地心、連接南北極的假想軸轉(zhuǎn)動(dòng),，這就是地球自轉(zhuǎn),，而那根假想軸被稱作自轉(zhuǎn)軸。

從地球北半球看,，北極星的位置幾乎不變,，這是因?yàn)樗鼛缀跽龑?duì)著地球自轉(zhuǎn)軸。

但地球自轉(zhuǎn)一直是恒定的嗎,？

答案是否定的,！

地球的自轉(zhuǎn)一直在變化，而且變化得相當(dāng)復(fù)雜,，既有“歲差-章動(dòng)”，還有“極移”和“日長(zhǎng)變化”,。

• 1. 歲差-章動(dòng)：自轉(zhuǎn)軸的陀螺式轉(zhuǎn)動(dòng)和點(diǎn)頭

地球圍繞著自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),。

在地球自轉(zhuǎn)的同時(shí)，自轉(zhuǎn)軸也在轉(zhuǎn)動(dòng),，就像一個(gè)陀螺,，會(huì)造成天極約每2.6萬(wàn)年圍繞黃極轉(zhuǎn)動(dòng)一周（如圖2所示），這便是歲差,。

圖2：地球自轉(zhuǎn)軸圍繞黃極轉(zhuǎn)動(dòng)的示意圖

圖片版權(quán)：上海天文臺(tái)

陀螺式運(yùn)動(dòng)的同時(shí),，天極還相對(duì)于黃極若即若離,，擺動(dòng)周期小于18.6年，這就是章動(dòng),。

看到這里,，您可能有點(diǎn)糊涂了。天極,、黃極是什么意思,？別著急，聽(tīng)筆者慢慢道來(lái),。

為了研究天體的位置和運(yùn)動(dòng),，科學(xué)家們假想出一個(gè)球體——天球，以地球質(zhì)心為中心,，半徑無(wú)限長(zhǎng),，如圖3所示。

圖3：赤道,、黃道,、北天極、北黃極的示意圖

圖片版權(quán)：上海天文臺(tái)

地球表面的點(diǎn)隨著地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軌跡中,，最長(zhǎng)的圓周線稱作赤道,，而赤道所在的平面稱作赤道面，赤道面將天球分為北天球和南天球兩部分,。自轉(zhuǎn)軸與北,、南天球相交的點(diǎn)分別是北天極和南天極。地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn),，軌道平面被稱作黃道面,。假想一條直線經(jīng)過(guò)地球球心，垂直于黃道面,，它與北,、南天球各相交于一點(diǎn)，分別稱作北黃極和南黃極,。

赤道面與黃道面之間夾角23度26分,，兩者在天球上存在兩個(gè)交點(diǎn)，相距180度,，分別稱作春分點(diǎn)和秋分點(diǎn),。

從地球上看，太陽(yáng)沿著黃道面運(yùn)動(dòng),，從赤道面以南向北通過(guò)天赤道的那個(gè)交點(diǎn)是春分點(diǎn),；而太陽(yáng)從北向南通過(guò)天赤道的那個(gè)交點(diǎn)是秋分點(diǎn)。太陽(yáng)通過(guò)春分點(diǎn)到達(dá)最北的那一點(diǎn)稱作夏至點(diǎn),，太陽(yáng)通過(guò)秋分點(diǎn)到達(dá)最南的那一點(diǎn)稱作冬至點(diǎn),。

早在公元前,，人們就發(fā)現(xiàn)了地球自轉(zhuǎn)變化導(dǎo)致的異常。

公元前二世紀(jì),，古希臘天文學(xué)家喜帕恰斯（圖3）為850顆亮星編制了星表,。與150年前人們?cè)趤啔v山大城編制的約20顆星的星表進(jìn)行比較后，他發(fā)現(xiàn)在這150年里,，這些恒星相對(duì)于春分點(diǎn)的位置向東移動(dòng)了近2度,。他推測(cè)這可能是春分點(diǎn)沿著黃道面后退的結(jié)果，進(jìn)而推算出春分點(diǎn)每100年向西移動(dòng)1度,。

這是人類(lèi)首次發(fā)現(xiàn)歲差的證據(jù),，結(jié)果與現(xiàn)在推算出的每76年向西移動(dòng)1度存在一定差距。

圖4：古希臘天文學(xué)家喜帕恰斯

圖片來(lái)源：wiki

在我國(guó)古代,，人們通過(guò)觀測(cè)冬至點(diǎn)的移動(dòng)來(lái)推求歲差,。

晉代虞喜根據(jù)《堯典》記載了解到，在堯的時(shí)代,，冬至黃昏,，頭頂會(huì)看到昴宿；而時(shí)隔2700余年,，他自己的實(shí)測(cè)顯示,，冬至黃昏，頭頂看到的星宿不是昴宿,，而是相距50多度的東壁了,。據(jù)此他推斷出，冬至點(diǎn)每50年向西移動(dòng)1度,，并創(chuàng)立了歲差的概念,。

中國(guó)古人還首度將歲差納入歷法計(jì)算。

為什么存在歲差,，牛頓最早給出了理論解釋,。

地球是一個(gè)橢球，赤道部分較為突出,，兩極稍扁,。相比于對(duì)非赤道部分的引力，太陽(yáng)和月球?qū)Τ嗟劳怀霾糠值囊Ω?，造成自轉(zhuǎn)軸繞著黃極轉(zhuǎn)動(dòng),，北天極沿著與黃道面平行的平面向西移動(dòng)，大約每2.6萬(wàn)年移動(dòng)一周,，即每76年約移動(dòng)1度。除了日月造成的歲差,，在其它行星的引力作用下,，還存在微弱的附加歲差,。如果地球是一個(gè)正球體，或者地球赤道面與黃道面以及白道面重合,，在忽略其它行星對(duì)地球的作用后,，將不會(huì)出現(xiàn)歲差現(xiàn)象。

日,、月軌道的復(fù)雜相互作用,，又產(chǎn)生了許多短周期振動(dòng)，這些短周期通常小于18.6年,，主要體現(xiàn)為一種北天極相對(duì)于北黃極若即若離的點(diǎn)頭式運(yùn)動(dòng),，它們便是通常的所謂章動(dòng)。

• 2. 極移：研究極移數(shù)據(jù) 讓我們更好地了解地球

地球自轉(zhuǎn)軸與地球表面有兩個(gè)交點(diǎn),，以其中一個(gè)交點(diǎn)為例,，地球在表面大氣、內(nèi)部流體等影響下,，該交點(diǎn)在地球表面的位置并不是固定不變的,，而會(huì)發(fā)生移動(dòng)，這便是極移,。在交點(diǎn)位置變化的區(qū)域內(nèi),，確定一個(gè)參考點(diǎn)，參考點(diǎn)與地球質(zhì)心的連線為參考軸,，固定在地球上,。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，極移就是指自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于固定在地球上的參考軸的“漂”,。根據(jù)近80年來(lái)的天文觀測(cè)資料,，發(fā)現(xiàn)了極移數(shù)據(jù)中包含著多個(gè)周期的極移，如周期接近14個(gè)月的張德勒周期極移,，周期為一個(gè)月,、半個(gè)月和一天左右的各種短周期極移等。造成極移的因素很多,，包括外部因素和內(nèi)部因素,，外部因素涉及日、月引力以及大氣和海洋的作用,，內(nèi)部因素則涉及到地幔,、地核等內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物理機(jī)制。

因此,，如果我們研究極移的觀測(cè)數(shù)據(jù),，反過(guò)來(lái)可以幫助探究地球的外部因素和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

目前，上海天文臺(tái)地球自轉(zhuǎn)變化課題組的科研人員正著力于開(kāi)展工作,，利用觀測(cè)的極移數(shù)據(jù)來(lái)探測(cè)地球深內(nèi)部大尺度的流體運(yùn)動(dòng)（例如液核振蕩）和固體內(nèi)核擺動(dòng),；同時(shí)開(kāi)展數(shù)值模擬工作，探究地球深內(nèi)部流體以及內(nèi)核運(yùn)動(dòng)如何影響極移,。

• 3. 日長(zhǎng)變化：地球自轉(zhuǎn)的變慢 讓白天和黑夜都變得更長(zhǎng)

由于月球和太陽(yáng)對(duì)地球的潮汐作用,，地球的自轉(zhuǎn)越來(lái)越慢，日長(zhǎng)不斷變長(zhǎng),，即白天和黑夜時(shí)間都在變長(zhǎng),，平均約每100年變長(zhǎng)0.002秒。

除了自轉(zhuǎn)速率越來(lái)越慢,，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)自轉(zhuǎn)速率存在周期性的變化,。日長(zhǎng)變化具有從一天到數(shù)十年、甚至更長(zhǎng)期的變化頻譜,，分別對(duì)應(yīng)于不同的天文和地球物理機(jī)制,。一般認(rèn)為，尺度為數(shù)十年的年代際變化和尺度約5到10年的亞十年變化很可能與地球深內(nèi)部物理有關(guān),。

自轉(zhuǎn)軸指向參數(shù)：

除地震學(xué)以外,，研究地球深內(nèi)部的重要手段

上述提到的歲差-章動(dòng)、極移和日長(zhǎng)變化,，在物理上用自轉(zhuǎn)軸指向參數(shù)（Earth Orientation Parameters; EOP）表示,。它們都反映了地球的整體運(yùn)動(dòng)及其隨時(shí)間變化的重要信息。

EOP被認(rèn)為是除地震學(xué)之外,，另一種研究地球深內(nèi)部物理學(xué)的重要手段,，是天文學(xué)為研究地球內(nèi)部而特制的“望遠(yuǎn)鏡”，一直是科學(xué)家們重點(diǎn)測(cè)量和研究的對(duì)象之一,。

圖5：地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的藝術(shù)家想象圖

圖片來(lái)源：《國(guó)家地球兒童版》網(wǎng)站

如圖5所示,，從外到內(nèi)，地球內(nèi)部的圈層包括地殼,、地幔,、流體外核和固體內(nèi)核。它們具有怎樣的物理結(jié)構(gòu),，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何,？它們相互之間正在發(fā)生哪些動(dòng)力學(xué)耦合作用？液核中的磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生,、維持,、變化的？這些神秘而重要的科學(xué)信息對(duì)理解我們所處的地球并進(jìn)而推廣到對(duì)其它類(lèi)地行星的研究等都至關(guān)重要,。

令人遺憾的是,，所有這些信息我們都不能從地表或空間直接觀測(cè)得到,。但幸運(yùn)的是，上述這些問(wèn)題都可以通過(guò)對(duì)EOP變化的精細(xì)特征入手進(jìn)行間接“觀測(cè)”和研究,。

接下來(lái),，就請(qǐng)隨筆者去了解上海天文臺(tái)的地球自轉(zhuǎn)變化課題組最新發(fā)表的研究成果，看看他們從日長(zhǎng)變化的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了什么,。

首次發(fā)現(xiàn)日長(zhǎng)變化中的一個(gè)新信號(hào)

近日，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)動(dòng)力學(xué)研究中心地球自轉(zhuǎn)變化課題組,、中國(guó)科學(xué)院行星科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在EOP參數(shù)之日長(zhǎng)變化研究方向取得了新進(jìn)展,，首次發(fā)現(xiàn)了日長(zhǎng)變化中存在顯著的約8.6年周期的振幅增強(qiáng)信號(hào)，并首次發(fā)現(xiàn)該振蕩的極值時(shí)刻與地磁場(chǎng)的快速變化的發(fā)生存在密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系,。

目前這項(xiàng)研究成果已經(jīng)在線發(fā)表在國(guó)際著名綜合期刊《自然·通訊》（Nature Communications）（后文簡(jiǎn)寫(xiě)成“該研究”）,；另一項(xiàng)關(guān)于日長(zhǎng)變化6年信號(hào)的檢測(cè)及其衰減和激發(fā)的物理機(jī)制的最新研究也發(fā)表在國(guó)際知名地學(xué)期刊《地球物理學(xué)研究雜志：固體地球物理學(xué)》（Journal of Geophysical Research: Solid Earth）。

關(guān)于日長(zhǎng)變化的精細(xì)時(shí)變特征和相關(guān)的物理原因,，目前該領(lǐng)域還所知甚少,，但這部分的研究對(duì)于進(jìn)一步了解地核的年際運(yùn)動(dòng)特征以及解決地磁場(chǎng)快速變化的起源問(wèn)題具有重要意義。地磁場(chǎng)的快速變化被稱作地磁急變（“jerk”）,。

據(jù)該研究的第一作者,、上海天文臺(tái)的段鵬碩副研究員介紹，他們的研究采用了國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)系統(tǒng)(IERS)提供的1962至2019年近57年的日長(zhǎng)變化數(shù)據(jù),，結(jié)合大量數(shù)值模擬算例分析,，基于標(biāo)準(zhǔn)小波時(shí)頻變換方法(NMWT)和他們獨(dú)立發(fā)展的“去小波邊緣效應(yīng)”(BEPME)的策略”，準(zhǔn)確地分離出目標(biāo)諧波信號(hào),。

雖然NMWT方法具有很高的頻率分辨能力,能區(qū)分日長(zhǎng)亞十年變化中不同的頻率成分,，然而該方法具有顯著的邊緣效應(yīng)問(wèn)題。所謂NMWT邊緣效應(yīng),，可以用觀測(cè)時(shí)間序列的跨度與邊緣效應(yīng)的區(qū)間長(zhǎng)度之間的比較來(lái)衡量,。比值越小，小波邊緣效應(yīng)對(duì)提取信號(hào)振幅（信號(hào)的強(qiáng)弱）的影響越大,。如果取標(biāo)準(zhǔn)小波的窗寬因子為3,，周期為6年的信號(hào)對(duì)應(yīng)的區(qū)間長(zhǎng)度接近30年，而此次采用的數(shù)據(jù)時(shí)間跨度是57年,，數(shù)據(jù)時(shí)間跨度不到區(qū)間長(zhǎng)度的2倍,，邊緣效應(yīng)明顯，使得難以準(zhǔn)確地分離出目標(biāo)信號(hào),。

圖6. 利用該研究所提出的方法(NMWT+BEPME)提取的日長(zhǎng)亞十年振蕩結(jié)果（紅線）與原始信號(hào)（黑線）的比較：兩曲線總體上非常吻合,，表明日長(zhǎng)亞十年變化特征可以很好地使用6年和8.6年兩種頻率信號(hào)的疊加解釋。

他們獨(dú)立發(fā)展的BEPME策略可以很好地彌補(bǔ)這一不足,，從而準(zhǔn)確地分離出目標(biāo)諧波信號(hào),。該團(tuán)組研究結(jié)果表明,，日長(zhǎng)亞十年變化中實(shí)際存在兩個(gè)主成分的周期信號(hào)，周期分別為6年及8.6年,。如圖5所示,，這兩個(gè)信號(hào)的疊加可以很好地解釋觀測(cè)到的日長(zhǎng)亞十年變化的時(shí)頻域特征。也就是說(shuō),，他們的工作否定了目前國(guó)際上已被廣泛接受的日長(zhǎng)變化亞十年周期信號(hào)中僅存在周期為6年的信號(hào)的觀點(diǎn),，首次發(fā)現(xiàn)了日長(zhǎng)亞十年變化中存在顯著的約8.6年周期的振幅增強(qiáng)信號(hào)，如圖8所示,。

段鵬碩指著圖6,，略加思索，充滿期待地說(shuō)：這批數(shù)據(jù)中還蘊(yùn)藏著一些有意思的問(wèn)題,，由我們工作重構(gòu)的日長(zhǎng)振蕩結(jié)果（紅線）與原始信號(hào)（黑線）總體擬合得很好,，但在1972年和2014年左右卻稍有差別。那么為什么存在差別,，便是我們接下來(lái)要重點(diǎn)攻關(guān)的問(wèn)題,。

這個(gè)新信號(hào)的極值時(shí)刻與地磁場(chǎng)的快速變化很可能有關(guān)系。

前人工作未能澄清日長(zhǎng)亞十年變化的不同物理起源問(wèn)題,，而他們的研究表明,，日長(zhǎng)變化中周期約8.6年的信號(hào)很可能與液核表面赤道附近的扭轉(zhuǎn)阿爾芬波振蕩有關(guān)。

根據(jù)天體磁場(chǎng)的發(fā)電機(jī)理論,，地球的磁場(chǎng)源于地球內(nèi)部的地核,。內(nèi)核溫度高達(dá)約6000開(kāi)爾文，向外散發(fā)熱量,，推動(dòng)液態(tài)外核中的熔融鐵的對(duì)流運(yùn)動(dòng),，如圖8中橙色的線所示。于是,，導(dǎo)電流體在宇宙初始磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流,，該電流又會(huì)激發(fā)產(chǎn)生新的磁場(chǎng)，如圖6中藍(lán)線所示,。

圖7：地球發(fā)電機(jī)（地球磁場(chǎng)產(chǎn)生原理）示意圖,。

圖片來(lái)源：http:///highlyallochthonous

電流和新產(chǎn)生的磁場(chǎng)形成的電磁力又會(huì)反過(guò)來(lái)影響著外核中導(dǎo)電流體的運(yùn)動(dòng)，從而形成一個(gè)可拋除初始磁場(chǎng),、能夠自維持的“地球發(fā)電機(jī)”,。當(dāng)然，由于地球磁場(chǎng)在形態(tài)和演化上很復(fù)雜,，而且地球內(nèi)部的物理參數(shù)非常極端,，要精確重構(gòu)地球磁場(chǎng)的產(chǎn)生和演化，還需要更多深入的細(xì)致研究,。

如果將磁場(chǎng)的磁力線想象成一根根琴弦,，當(dāng)磁場(chǎng)收到擾動(dòng)時(shí),，磁力線這些琴弦就會(huì)振蕩，振蕩會(huì)沿著磁場(chǎng)傳播出去,，便形成了阿爾芬波,。當(dāng)磁力線聚集成一個(gè)個(gè)稱作‘磁流管’的管狀結(jié)構(gòu)，在磁流管中傳播的阿爾芬波就是扭轉(zhuǎn)阿爾芬波,。該扭轉(zhuǎn)波向外傳播,，與地幔發(fā)生耦合作用，從而導(dǎo)致日長(zhǎng)中出現(xiàn)同樣周期的波動(dòng)信號(hào),。

利用該團(tuán)組提出的數(shù)值模型,，日長(zhǎng)變化中周期約8.6年的信號(hào)的極值時(shí)刻與地磁急變的發(fā)生之間存在密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖8. 該研究恢復(fù)的目標(biāo)8.6年周期振蕩與地磁急變(jerks)時(shí)刻(陰影矩形條帶)所示的對(duì)應(yīng)關(guān)系,；紅色曲線是本文恢復(fù)的結(jié)果，綠線是紅線的最小二乘擬合結(jié)果,，該結(jié)果可進(jìn)一步用于預(yù)測(cè)未來(lái)地磁急變發(fā)生的時(shí)間.

如圖8所示,，1995年和2017年發(fā)生的地磁急變與該信號(hào)的極值時(shí)刻吻合地很好，據(jù)此,，他們預(yù)測(cè)在最近的1到2年內(nèi)很可能會(huì)有一次新的地磁急變事件發(fā)生,，預(yù)測(cè)事件發(fā)生的時(shí)間如圖8中黑色箭頭所標(biāo)示。

該研究的第二作者,、上海天文臺(tái)的研究員黃乘利補(bǔ)充道,，“目前地磁急變的預(yù)測(cè)是國(guó)際上的一個(gè)難題。我們的工作提供了一種新的研究入口,，可以通過(guò)精確分離地球自轉(zhuǎn)的亞十年變化振蕩信號(hào),，預(yù)測(cè)未來(lái)地磁急變發(fā)生的時(shí)刻。也不難看出,，通過(guò)地球自轉(zhuǎn)的精細(xì)變化特征的研究,，可以深入研究地球深內(nèi)部的磁流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題?！? 

后記

時(shí)間的單位——平太陽(yáng)秒是以地球自轉(zhuǎn)周期作為基礎(chǔ)來(lái)確定的,。地球自轉(zhuǎn)速率的變化，也就影響到與時(shí)間有關(guān)的科學(xué),，尤其是對(duì)時(shí)間精度高要求的學(xué)科,。對(duì)于地球自轉(zhuǎn)變化的研究，應(yīng)用層面的意義不容小覷,。而物理上,，它是天文學(xué)為研究地球內(nèi)部而特制的“望遠(yuǎn)鏡”。

從認(rèn)識(shí)地球自轉(zhuǎn)變化的表現(xiàn),，到以日長(zhǎng)變化為例,，了解科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)新信號(hào),、解釋新信號(hào)和提出預(yù)測(cè)的過(guò)程，這便是研究地球自轉(zhuǎn)最想實(shí)現(xiàn)的目標(biāo),。

在與該研究團(tuán)組的成員溝通過(guò)程中,，筆者翻閱了他們參考的專業(yè)書(shū)籍，如《地球自轉(zhuǎn)》等,，書(shū)本上的標(biāo)注和筆記密密麻麻,；對(duì)于地球自轉(zhuǎn)變化的類(lèi)別以及當(dāng)前研究進(jìn)展，他們充滿熱情地向筆者講述,。談及他們獨(dú)立發(fā)展的“去小波邊緣效應(yīng)”的策略,，段鵬碩直接拿起紙筆，寫(xiě)起了邊緣效應(yīng)的區(qū)間長(zhǎng)度的公式,，講起這種方法的技術(shù)細(xì)節(jié),。

從這些細(xì)節(jié)，不難窺見(jiàn)他們?cè)鷮?shí)的學(xué)術(shù)基礎(chǔ),，長(zhǎng)期的積累,，對(duì)未知的好奇，對(duì)前沿問(wèn)題的探索,。腳踏實(shí)地,，厚積薄發(fā)，讓這些從事基礎(chǔ)科研的科學(xué)家們一路走來(lái),，堅(jiān)定而從容,。