日長(cháng)變化有什么規律？研究人員找出日長(cháng)變化背后隱藏的規律

人們總是覺(jué)得，假期的日子很短，上班的每一天都很長(cháng)。事實(shí)上，如果忽略心理感官的干預，用科學(xué)手段去丈量時(shí)間，就會(huì )發(fā)現我們歷經(jīng)的每一天確實(shí)并非精確的24小時(shí)，而是以極其微小的幅度變化。

日長(cháng)變化有何規律?近期，我國科研人員首次發(fā)現了日長(cháng)變化中存在約8.6年周期的顯著(zhù)振幅增強信號，并首次發(fā)現該振蕩的極值時(shí)刻與地磁場(chǎng)快速變化的發(fā)生存在密切的對應關(guān)系。

目前該研究成果已經(jīng)在線(xiàn)發(fā)表在《自然·通訊》上。

分離綜合波 揪出日長(cháng)變化中的“潛規則”

“科學(xué)家早已發(fā)現，每天的時(shí)長(cháng)不是固定不變的。從一個(gè)較大的時(shí)間尺度上分析，日長(cháng)正在逐漸變長(cháng)。”近日，該研究參與者、中國科學(xué)院上海天文臺、中國科學(xué)院行星科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室研究員黃乘利在接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)表示。

侏羅紀時(shí)期一天的時(shí)長(cháng)大約只有23小時(shí)10—20分鐘。由于月球和太陽(yáng)對地球的潮汐作用消耗了地球的能量，地球自轉越來(lái)越慢，日長(cháng)因此變長(cháng)，平均約每100年變長(cháng)0.002秒。

黃乘利指出，除了這一長(cháng)期規律外，科學(xué)家們還發(fā)現日長(cháng)變化在相對短期內具有周期性規律。一般認為，尺度為數十年的年代際變化和尺度約5—10年的亞十年變化很可能與地球深內部物理有關(guān)。

此次研究中，研究人員發(fā)現除了此前公認的6年周期外，日長(cháng)變化每隔8.6年也“輪回”一次。值得一提的是，日長(cháng)變化類(lèi)似一條正弦曲線(xiàn)，但振幅正逐漸增大。通俗來(lái)講，隨著(zhù)時(shí)間的推移，日長(cháng)在平均日長(cháng)時(shí)間線(xiàn)上有規律地上下波動(dòng)，有時(shí)比24小時(shí)少幾毫秒，有時(shí)又會(huì )比24小時(shí)多幾毫秒，而極值卻越來(lái)越大，即時(shí)間的變化幅度正在變大。

研究人員如何在數十年來(lái)搜集的日長(cháng)數據庫中找出這一規律?

“我們采用了國際地球自轉服務(wù)系統提供的1962—2019年的日長(cháng)變化數據，結合大量數值模擬算例分析，基于標準小波時(shí)頻變換方法和我們獨立發(fā)展的‘去小波邊緣效應’的策略，首次發(fā)現了8.6年信號的振幅增大現象。”論文第一作者、中國科學(xué)院上海天文臺副研究員段鵬碩表示。

他進(jìn)一步解釋到，標準小波時(shí)頻變換方法是該領(lǐng)域比較獨特的一種方法，能定量識別并提取觀(guān)測序列中的周期性諧波信號。日常生活中7種單色光可以合成白光，白光也可以通過(guò)一個(gè)小小的三棱鏡拆分出單色光，日長(cháng)變化規律的探索也如此。事實(shí)上，日長(cháng)與很多因素有關(guān)，如地球內部不同的物理結構或事件影響等。我們真實(shí)測量的日長(cháng)數據可看成是一條綜合波，可以拆分成很多不同因素主導的分波，學(xué)界將之稱(chēng)為小波。而標準小波時(shí)頻變換方法就是學(xué)者們經(jīng)常用到的“三棱鏡”，可將想要分析的數據從綜合數據中拆分出來(lái)。

然而，該方法雖具有很高的頻率分辨能力，但也具有顯著(zhù)的邊緣效應問(wèn)題。研究團隊自主研發(fā)的“去小波邊緣效應”策略可以彌補這一不足，使得研究人員準確分離出目標諧波信號，最終找出日長(cháng)變化背后隱藏的這一規律。

扭轉阿爾芬波 或為日長(cháng)周期變化的“推手”

除了8.6年周期的振幅增強信號，研究人員還發(fā)現了一個(gè)奇特現象。“巧合的是，每到極值時(shí)刻的前1—2年，地磁場(chǎng)都會(huì )出現快速變化，即地磁急變。”黃乘利告訴科技日報記者，“我們查閱了以往很多地磁方面的記錄，都與這一現象相吻合。這或許有助于揭開(kāi)日長(cháng)在亞十年尺度下周期性變化的機制。”

研究團隊抓住這一線(xiàn)索，結合大量前人的研究數據，提出日長(cháng)8.6年周期性變化可能與地球液核表面赤道附近的扭轉阿爾芬波振蕩有關(guān)。

地球內部充滿(mǎn)磁場(chǎng)，如果將磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)想象成一根根琴弦，當磁場(chǎng)受到擾動(dòng)時(shí)，磁力線(xiàn)這些琴弦就會(huì )振蕩，振蕩會(huì )沿著(zhù)磁場(chǎng)傳播出去，便形成了阿爾芬波。當磁力線(xiàn)聚集成一個(gè)個(gè)稱(chēng)作“磁流管”的管狀結構時(shí)，在磁流管中傳播的阿爾芬波就是扭轉阿爾芬波。

扭轉阿爾芬波向外傳播，與地幔發(fā)生耦合作用，就會(huì )導致日長(cháng)中出現同樣周期的波動(dòng)信號。

“目前地磁急變的預測是國際上的一個(gè)難題。此次研究提供了一種新的研究入口，可以通過(guò)精確分離地球自轉的亞十年變化振蕩信號，預測未來(lái)地磁急變發(fā)生的時(shí)刻。”段鵬碩表示，現階段日長(cháng)8.6年的周期性變化信號正處于低谷，正逼近極小值，因此預測在最近的1—2年內，地球很可能會(huì )有一次新的地磁急變事件發(fā)生。

不難看出，通過(guò)日長(cháng)精細變化特征的研究，可以深入了解地球深內部的磁流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。“后續，我們將密切關(guān)注地磁變化的相關(guān)信息和報道，也會(huì )將這套自主研發(fā)的數據處理方法應用到天文地球動(dòng)力學(xué)的其他領(lǐng)域。”黃乘利說(shuō)。

實(shí)習記者 于紫月 通訊員 左文文

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