本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位
- 採訪編輯｜黃曉君、美術編輯｜林洵安
地球自轉學問大
中學生就知道地球會自轉，自轉形成晝夜，自轉軸傾斜造成季節。但你知道嗎？地球自轉其實是忽快忽慢的，沒有一天是 24 小時，長期來說還有越轉越慢的趨勢。地球自轉軸也不是雷打不動，它會繞圈圈、各種搖擺，導致歲差和北極點不斷漂移等古怪現象。中研院地球科學研究所特聘研究員趙丰，帶你穿越上下億萬年的古今地球，聊聊中學地科老師沒告訴你的事。
趙丰，曾任美國國家暨太空總署 (NASA) 太空測地學實驗室主任，2006 年離開 NASA，回到臺灣任教，曾任中央大學地球科學學院院長、中研院地球科學研究所所長，目前為中研院地球科學研究所特聘研究員。
攝影│林洵安
太陽系分家產
說起地球自轉，首先得弄清楚：地球為什麼會轉，第二個問題是：為啥轉了 46 億年還不會停？
「地球會轉，是因為它在太陽系形成之初，分到一部分的『家產』：角動量。」趙丰幽默的比喻：「地球為什麼到現在還轉不停？因為分到的家產 (角動量) 還沒有用完啊。」
角動量是什麼？簡單說，它是物體轉動時的一種物理量。物體的質量越大、轉動半徑越大、轉速越快，角動量就越大。更重要的是，在沒有外力的情況下，角動量永遠守恆，不會變多、也不會變少，只能互相交換。
怎麼交換？靠摩擦！比方說，兩個旋轉的陀螺擦撞、分開，結果一個變慢，另一個就變快，就是前者的角動量藉由摩擦轉移到後者。而地球分到的角動量，則是跟太陽系其他天體「摩擦」來的。
時間回到 46 億年前，一場劇烈的超新星爆炸，太陽系誕生了。新生的太陽系宛如爐子上的一鍋熱粥，大小天體亂轉亂竄，就像一顆顆高速旋轉的大小陀螺，不斷發生碰撞，交換彼此的角動量。
太陽系形成的初始條件，決定了整個太陽系的角動量總和。所有天體藉由互相撞擊，交換彼此的角動量，各自分得一部份「家產」。
圖片來源│NASA
最後，太陽、地球、其他行星、小行星等所有天體，各自分到一部份的角動量 (家產)，恆星和行星開始穩定的公轉和自轉，太陽系才逐漸成形。
然後勒？「從此，地球就過著穩定旋轉的日子……」並沒有！首先，地球自轉忽快忽慢，沒有一天是 24 小時。
地球自轉忽快忽慢
在原子鐘發明以先，地球自己就是時鐘。人們把地球自轉一周後，回到面對太陽同一角度所經歷的時間，訂為「一天」，後來又把一天等分為 24 份，每一等分稱為 1 小時。
近代改用原子鐘定義時間，重新測量地球自轉。結果發現：
二、三十年下來，地球自轉沒有一天是 24 小時。每天都跟 24 小時或多、或少差了千分之一、二秒。
為什麼？地球沒有受到外力，角動量不是應該守恆嗎？
「因為地球不是一塊死板板、硬梆梆的剛體，」趙丰說：「大氣環流、海洋洋流、地函對流，地球時時刻刻都在變化。」
地球自轉有角動量，大氣環流、海洋洋流、地函對流也有角動量。所謂角動量守恆，是指地球上所有物體角動量的總和不變，但可以互相交換。
比方說，地球自轉是由東向西轉，當大氣向東流速變快，會對地面的推擠摩擦，從地球本身「借走」一點角動量，導致地球自轉變慢；相反的，如果大氣向東的流速變慢，也會藉著摩擦，「還給」地球一些角動量，使地球自轉變快。
地球不是一整塊死板板的剛體，大氣環流、海洋洋流、地函對流、巨大地震、冰河融化……地球無時不刻不變化，影響自轉速度和地軸方向。尤其是當大氣、海洋、地函對流方向等等發生改變，因為角動量守恆，地球自轉就會忽快忽慢。
資料來源 │趙丰 圖片重製 │林洵安
「今天大氣拿走一點，明天海洋還來一點，加加減減的，地球自轉就忽快忽慢了，」趙丰繼續比喻：「就像銀行的存款，今天吃個大餐，明天領個薪水，每天生活的收入支出，都會讓戶頭金額微微變動。」
但麻煩來了！如果地球好一陣子都轉得比較慢，一天慢個一千分之一秒，兩三年下來，就可能慢上 1 秒了。我們該不該把原子鐘也塞進 1 秒，以免跟地球自轉越差越遠，這就是過去發生了二十幾次的閏秒事件。
最近一次閏秒發生在 2017 年的 1 月 1 號，那年元旦假期幸運的多了……1 秒鐘。
地球越轉越慢、月球越來越遠
好幾年才加減 1 秒，根本無感？沒關係！如果把時間拉長，從幾百萬、幾千萬、幾億年的尺度來看，地球真的越轉愈慢，每 100 年穩定慢上千分之一秒。
可別小看千分之一秒？想想，如果是累積了 100 萬年、100 個 100 萬年 （1 億年）……差距就非常可觀，而地球已經 46 億歲了。
從化石證據知道， 4 億年前，地球一天只有 22 小時，再往前推，新生地球可能幾小時就轉一圈！反過來說，
當未來地球越轉越慢，一天真的有 25 小時可用。只不過還要再等上……2 億年。
誰讓地球剎車了？罪魁禍首是：月球！月球吸引地球的海水，引發潮汐現象，海水來來回回摩擦地表，就像貼在地球表面的「剎車皮」，讓地球慢慢「減速」。
至於地球消失的角動量，則被月球神不知鬼不覺的接收，用來增加月球公轉的速度……
月球在地球引發潮汐，讓地球自轉越來越慢，地球消失的角動量則轉移到月球，增加月球公轉的速度。「為什麼不是增加月球自轉的速度？」因為地球對月球的潮汐力更強，造成月面如海水起伏摩擦，早就讓月球自轉「停擺」了，現在只能用同一面面對地球。
資料來源 │趙丰 圖片重製 │林洵安
「可是……不是說角動量一定要守恆嗎？但地球的角動量越來越少了……」
地球和月球互相吸引，又不受外力影響，可以看成一個系統。地球消失的角動量轉移到月球，整個系統的角動量還是守恆的！
月球的公轉角動量增加，又造成一個有趣的現象：
月球公轉速度變快，地球引力越來越拉不住它，於是月球越跑越遠、公轉軌道越來越大，每年平均遠離地球 3.8 公分。
由此反推，過去月球應該離地球非常近，當時月亮大又圓，而且每次漲潮都是恐怖大海嘯。
而未來，地球將越轉越慢，直到停止自轉，最後永遠只用同一面對著月球。屆時，地球只有一半地區可中秋賞月，但那時月亮只不過是天邊一顆不起眼的小白點。
地軸從來不安分
最後，地球自轉不只愈來愈慢，自轉軸還會各種搖擺，就像你甩出陀螺或是丟出飛盤，它們的旋轉軸也會繞圈圈或是些微晃動。
最有名的就是歲差現象：地軸週期性的繞圈圈，造成春分、秋分，冬至、夏至相對於星體的角度年年改變。幕後的主要黑手是：太陽和月球的引力，使地球自轉軸以 25800 年為週期，繞出一個圓錐。影響所及，人類的曆法必須考慮它、對它修正，才能跟著上地軸的「舞步」。地球就像陀螺一樣，自轉軸會週期性的繞圈圈，造成
地球就像陀螺一樣，自轉軸會週期性的繞圈圈，造成春分、秋分，冬至、夏至相對於星體的角度年年改變，比方說：地軸北方所對的「極星」隨著時間改變，未來將從北極星轉向織女星。
資料來源 │趙丰 圖片重製 │林洵安
但即使沒有外力，地球自轉軸也會自己擺動，造成許多古怪的現象，像是北極點不斷漂移，稱為極移。
早在 1900 年，人類就訂出地理北極點的位置，統一全世界的地圖和座標。但事實是，地球真正的北極點每天都像個陀螺似的，一邊打轉、一邊朝美國東部的方向漂移，目前已移動十多公尺。
原因與冰河期後的反彈現象有關。在冰河期，地表被厚重的冰層壓住，等到冰河期一過，冰原融化了，壓力解除了，大地就像彈簧床緩緩回彈，使地表某些地區「長胖」了。
地球的「形狀」改變了，質量重新分配，自轉軸也會跟著微調，真正的北極點（自轉軸穿出北方地面之處） 也就換位置了。這還是角動量守恆的結果！你可以把同一塊黏土捏成各種形狀，試著轉轉看，就會發現轉動軸真的會改變。
地球的北極點從來都不安份，從 1900 年開始，北極點已經朝向美國東部方向漂移十多公尺 （圖中綠色箭頭，但為了方便辨識，將實際尺度大大的誇張）。
圖片來源 │NASA
看到這裡，地球的大轉、小轉是不是把你的腦袋轉暈了呢？總的來說，地球自轉宛如氣勢恢弘的交響樂曲，主旋律是漸慢板，但其中還隱藏著更多奇妙的副旋律，崮中奧妙有賴科學家細細品聆了。
地球自轉的學問好有趣，但跟生活好像沒有關係？
關係可大了！如果沒有研究地球自轉，GPS 就無法精確定位，現代人的日子就沒法過了。
現代開車、找路都需要的 GPS （全球定位系統)）衛星導航。原理是：地面接受器同時接收某四顆衛星傳來的訊號，訊號中有每顆衛星的座標和訊號發射時間，接受器再由收到訊號的時間差，反推每顆衛星距離它多遠，最後綜合考慮四顆衛星的座標和距離，推算出地面接受器當下的位置，完成定位任務。
問題來了！地球本身會自轉，接受器自己就動來動去，怎麼精確評估與衛星的距離？所以接受器必須時時接收當下地球自轉的資訊，修正計算，以免導航誤差。
值得一提的是，GPS的成功使用與地球自轉研究非常密切。譬如當地球上的科學家為了追蹤和指揮太空飛行物，或是發射到其他行星的太空船，地面指揮站必須能精準計算距離和位置，而第一步就得先扣除地球自轉造成的誤差。另外，地球自轉的研究也能幫助評估全球暖化的人為影響。
地球自轉是怎麼測量的呢？過去科學家是用現成的星星當作參考座標系，但不夠精確。現今使用的精密儀器，包括人造衛星的雷射測距、無線電天文的長基線干涉術，以及全球定位系統 GPS。例如：以遍布全球上空的衛星當作座標 (如上圖)，測量地面測站與天上某四顆衛星的距離，計算每個時刻地面測站的當下位置，然後比較不同時刻的位置變化，藉此推知地球自轉的速度。
圖片重製 │林洵安
全球暖化跟地球自轉有什麼關係？
當前有種迷思：地球本來就有週期性的氣候變遷，例如：冰河期和間冰期的來來去去，目前的暖化現象只是自然週期的一部份，人為的影響不是主因，一切都是某些科學家大驚小怪。
所以科學家必須了解冰河期的自然週期，作為全球暖化的背景資料，才能正確評估人類的影響程度。
而冰河期最重要的成因，來自其他行星引力，首先改變地球公轉軌道，讓它變得更橢或更圓，此週期約為 10 萬年。當軌道越橢，日照量越少，冬夏差異越大，冰河期越容易發生。
其次，行星引力造成地軸傾角週期性的擺盪，也會影響冬夏差異的強弱，這個週期約為 4 萬年。
最後，地球公轉軌道也會晃動，加上地球自轉軸本來就會轉圈圈，聯手改變地球最接近或遠離太陽的日子，週期約為 2 萬年。當北半球冬季遇上遠日點，就容易形成冰河期。
資料來源 │趙丰 圖片重製 │林洵安
以上這些「萬年起跳」的週期，就是地球氣候變遷的自然週期。由此可知，人為破壞雖然局部的，但是 3~5 年就相當有感，效果又快又猛烈，真的是全球暖化的主要凶手。
地球自轉還有什麼有趣的研究方向嗎？
所有地球自轉會發生的現象，在其他行星上都會發生。前面說過地球對月球的潮汐力，讓月球只能用同一面面對地球，這個現象就廣泛的發生在各大行星與它們的衛星。國外行星研究正夯，這是很有發展的方向。
地球自轉還能探索地球內部。當前科技無法像電影般潛入地心，地球內部現象必須依靠地表能夠量測的數據反推，包括地震波、重力場、地球自轉變化、磁場的變化量。
最近兩三年，我從地球自轉的快慢變化，發現一個 6 年上下的小週期震盪，推測地球的內心會像鐘擺一樣來回搖擺。
我的推論是：地球的內核和外核不是完美的圓形，中間又隔著液體層，所以內核在液體內可能會晃動 ，造成鐘擺般的簡諧運動 。當地球內核晃動，外面地殼因為角動量守恆就會跟著改變轉速，造成地球自轉週期性的改變。
總之，只要發揮想像力，可以做的主題非常多，非常有趣的！
延伸閱讀
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