#分享地球自轉比預期的快負閏秒會出現嗎？ | 頭板

地球自轉速度比預期的快，史無前例的「負閏秒」會出現嗎？作者／陳子翔｜師大地科系，師大科教所， EASY 天文地科團隊創辦者 2022/02/04 「一分鐘是 60 秒」是大家再熟悉不過的時間單位換算。然而過去其實曾出現過許多次「一分鐘有61秒」的情形，原因是我們在曆法中加入了「閏秒」。自 1972 年至今，協調世界時（UTC）總共加入過 27 個閏秒，大約平均兩年就會插入一個閏秒。不過有趣的是，UTC 上一次加入閏秒已經是六年前的事了，最近甚至還有是否要「減去閏秒」的討論，這是怎麼一回事？閏秒為什麼會出現，它的功能又是什麼呢？ https://i.imgur.com/7zU7m88.png (圖／EASY天文地科小站) 在討論閏秒前，先看「一秒鐘」是如何被定義的「一日有 24 小時，一小時有 60 分鐘，一分鐘有 60 秒」，在這些時間單位中，「日」的概念是最天然而直覺的。在一天當中會有日出與日落、白晝與黑夜，地球上大多數的動物即便不會使用曆法與計時工具，也都依著一天一天的循環生活著。而要如何定義一天到底有多長呢？過去的人們以中午竿影達到最短的時間為基準，測量兩次竿影達最短的時間間隔來得出一日的長度，這樣定義出的一日就叫做一個「太陽日」。而有了一日的長度，就可以在以這個基準去切分成「小時」、「分鐘」和「秒」，或是「時辰」和「刻」等時間單位了。然而隨著觀測與計時工具的技術提升，人們發現太陽每次達到最高點的時間間隔並不是完全一致的，而是會隨著季節有數十秒的差距，代表每一個太陽日的長度並不是固定的。但如果「一日」的長度是不固定的，那麼以「日」為基準定義的時、分、秒等時間單位，長度也當然會跟著每天的長度不同而變化，這樣「今天的一秒，不是明天的一秒」的奇怪狀況想必會產生許多問題。 https://i.imgur.com/K5ULfyc.jpg (一年當中太陽日長度的變化。圖／wikipedia) 因此「平均太陽日」就被定義出來以解決這樣的問題。顧名思義，「平均太陽日」就是把一年當中所有太陽日長度取平均，定義出的時間長度就是一個平均太陽日，如此一來一日的長度就能固定下來，也就不用擔心時間單位的長度會不斷變化的問題啦！但，真的是這樣嗎？平均太陽日的出現沒有讓時間的基本定義就此定下來，因為不論是太陽日或是平均太陽日，它們的長度都是決定於地球自轉的轉速，然而地球的轉速卻不是完全穩定的。因此又有一段時間，秒的定義改成以地球公轉的週期為基準訂定，但任何以天體運行為基礎定義出來的時間單位，都會有相似的問題：天體運行的週期不會是完全穩定不變的。後來隨著原子鐘的發展，也為了盡可能讓時間的基本單位是一個不會變動的定值，1967 年世界度量衡大會決議將一秒鐘重新定義為「銫 133 原子於基態之兩個超精細能階間躍遷時所對應輻射的 9192631770 個週期的持續時間」，而以這個定義進行計時的時間則稱作「原子時間」。 https://i.imgur.com/aClnrQ2.jpg (美國的 NIST-F1 銫原子鐘。圖／wikimedia) 為什麼會要加入閏秒，而閏秒又會帶來什麼困擾改成以原子鐘為基準後，時間基本單位的定義變得更加精確而穩定。不過這麼一來，一秒的長度就與地球自轉沒有關係了。但「日」的概念終究還是地球自轉形成的，「一日有 86400 秒」這樣的單位換算也依然成立，如果長久下來都只以原子時間計時，我們使用的時間就會慢慢偏離實際的平均太陽日，也就是偏離地球的自轉週期。如果誤差無限制的累積下去，或許就會出現明明時鐘指著中午十二點，外頭卻是夜黑風高的景象。為了追求更加精確的時間單位，卻讓人類的計時計日與自然脫節，似乎就本末倒置了。為了讓 UTC 中的一秒符合定義，又不要讓其與實際地球自轉週期漸行漸遠，1972 年世界時間局決定讓 UTC 使用標準定義的秒來計時，並以「閏秒」來修正偏離太陽日的問題。每當 UTC 與平均太陽日的時間差距達到約 0.6 秒時，就會以閏秒修正，好讓 UTC 與平均太陽日就不會出現超過 0.9 秒的差距。閏秒通常會插入在 UTC 12 月 31 日或是 6 月 30 日的最後一秒後面，而且每次插入閏秒都要提前半年公告。當閏秒差入時，UTC 就會出現「23 時 59 分 60 秒」，然而很多電腦系統並「不認得」這樣奇怪的時間格式，因此插入閏秒可說是讓許多電信、導航等系統工程師相當頭痛的噩夢。為什麼過去閏秒都是加秒而沒有減秒？從 1972 年 UTC 總共插入了 27 個閏秒，但從來沒有扣除過任何一秒。主要的原因是由於原子時間中的一秒被定義時，本就略短於當時平均太陽日定義的一秒，也代表原子時間是走得比較快一些的，因此 UTC 會需要透過加秒來對齊平均太陽日。另外，由於地球長期受月球的潮汐力作用，使自轉轉速逐漸減慢，一個太陽日的長度就會越來越長，像是化石證據就顯示四億年前地球上的一天大約是現在的 22 小時。因此如果地球自轉轉速的趨勢持續，未來 UTC 加入閏秒的頻率應該會越來越高，也更不會有需要扣除閏秒的需求。近年地球自轉速度比預期還快，讓「負閏秒」成為可能選項然而事情沒有這麼簡單，根據近年的觀測發現，地球自轉轉速有略為上升的跡象，而目前地球的轉速比過去 50 年都來的快！地球自轉速度為何會有這樣的變化，目前也還沒有確定的答案。不過像是大地震和冰川融化等事件，都是可能提高地球自轉轉速的因子。因為這些現象能夠改變地球內部或表面的質量分布。當質量向地球中心移動，由於角動量守恆定律，地球轉速就會提升，就如同花式滑冰的選手在旋轉時收起手臂，就可以加速旋轉是一樣的原理。地球自轉的些微加速，讓 UTC 已經超過五年沒有加入閏秒，而目前科學家也還不能確定地球自轉些微加速的趨勢會持續多久，會加速到多快。如果地球的轉速持續變快，代表一日的長度會持續縮短，未來就可能會遇到原子時間超前太陽日的現象，而若是原子時間比太陽日還快上 0.9 秒時，如果相關單位沒有以其他方式解決，上首次的負閏秒就有可能出現，不過想必這應該不是系統的工程師會樂於見到的事情。大家不妨猜猜看，下一次 UTC 進行閏秒修正時，會是增加一秒還是扣除一秒呢？如果負閏秒真的出現了，可別忘了見證史上第一個只有 59 秒的一分鐘呀！參考資料： Earth Is Spinning Faster Now Than It Was 50 Years Ago | Discover Magazine https://www.discovermagazine.com/the-sciences/earth-is-spinning-faster-now-than-it-was-50-years-ago 時間的單位：秒（s） https://www.nml.org.tw/measurement/new-knowledge/3668-時間的單位：秒-s.html 延伸閱讀：到底是GMT+8 還是UTC+8 ? – PanSci 泛科學 https://pansci.asia/archives/84978 你的正午不是你的正午日晷與均時差- 科學月刊Science Monthly https://www.scimonth.com.tw/archives/5394 #分享一天24小時不夠用？地球自轉越來越慢 - Meteor https://meteor.today/a/ZWA6NU?ref=ios&utm_source=meteorApp #UTC #分鐘 #地球自轉速度 #小時 #時間 #秒 #負閏秒 #閏秒出處：泛科學網址： https://pansci.asia/archives/342454 好有趣XD 如果負閏秒出現了讓我們一起見證吧!!