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[What if]第26期——闰秒Comments>>

发表于 2013-04-11 10:52 | Tags 标签:, , , ,

原作:http://what-if.xkcd.com/26/

翻译:junglerubik

校对:Ent

本期问题:因为地球自转一直在变慢,我们需要时不时地增加一闰秒。那我们可以让地球自转加速,免去闰秒调整么?——Anton (德国柏林)

地球自转一直在变慢,这很麻烦。

麻烦的原因之一是这使得时间标准更加复杂。我们已经有太多时间标准了,包括:

国际原子时(TAI):以一台原子钟作为时标,无视任何地球运动

零类世界时(UT0)一类世界时(UT1):基于精确测量的地球自转周期

GPS时间系统:GPS卫星所使用的时间标准

协调世界时(UTC):计算机所使用的时间标准,有点像TAI,但为了与地球同步需要进行闰秒调整。

地球时(TDT)质心力学时(TDB)质心坐标时(TCB)地心坐标时(TCG):全都是更糟糕的标准

这会带来各种令人头疼的琐事,特别是对程序员来说。比如你手机的GPS时间会与系统时间相差16秒。因为手机系统使用的是协调世界时(有闰秒),而GPS时间并没有闰秒。这两个时间在1980年1月曾经是同步的,但今后大概再也不会了。

五亿年前(在地球年龄还是40亿年而不是45亿年的时候),一天只有22小时而不是现在的24。一天的长度由于来自月球的潮汐力渐渐变长了。

很粗略地说,潮汐阻力的原理大致是这样的:月球吸引海水,使海平面上升成一个鼓包,但这些上升的海水会因地球自转脱离月球引力的方向。而月球引力会试图把海水吸回来,因此产生沿着地球的切向力,使地球自转变慢:

奇怪的是,地球自转变慢的速度并不像潮汐阻力所预测的那么大。这差异主要来自于冰期后的地壳回弹。在上一次冰期,两极的地壳因冰川的重量被挤向赤道,现在地壳正处于弹回原处的阶段。这使得地球的质量向两极转移,更加接近自转轴:

这会让地球转得更快——或者说至少让变慢的速度降低。如果不想要闰秒,一天应该有正好86400秒,但现在我们的一天要比这个数多0.8毫秒。

由于天气等因素,这个差距会随时间而变化(自上世纪90年代初期这差距其实变小了点),虽然从长远看来,随着地球自转变慢,这差距肯定会越来越大。

如果我们想取消闰秒,那就得让地球以固定速率旋转。这意味着要让地球自转加速,使每天的长度减少0.8毫秒。

这是一项非常艰巨的任务。下面是一些没用的方法:

在旋转椅上逆时针旋转。这会暂时改变地球的旋转速率,但太过微小,改变不了什么。#xkcd No.162 和No.815梗

在赤道上安装火箭引擎。这样做也没用,因为排出的气体会进入大气层,以风阻的形式把反作用力又施加回来——这就像坐在自行车上推着把手不能让车前进一样。如果有办法把引擎安置在大气层之外,那倒是能加速地球自转,但依然不足以实现我们的目标。

引发大地震。这能改变一天的长度,但就连大地震也不足以带来明显的差异。

到头来,只有一种方案:用小行星撞地球。总有一天,我们能发射一艘宇宙飞船(舰长是布鲁斯·威利斯的邪恶化身 #还记得《绝世天劫》么#),让它不停地靠近一颗彗星。逐渐地,引力摄动会引导彗星进入一条撞击地球的轨迹。让它以恰当角度撞击地球,我们就能推地球一下:

即使彗星在大气层中燃尽了,它的动量也能通过风阻传递到地球表面(需要花几天时间)。地核需要大概十年的时间才能和地壳同步旋转,因此我们必须非常小心地制定撞击计划,以免矫枉过正。

接下来是坏消息:为了得到足够的转动量,每秒要用大概一百万立方米的岩石撞击地球(这是亚马逊河流量的好几倍)。这加起来意味着每几天就要挨一次当年灭绝恐龙的那颗直径十公里的小行星。人类——以及任何生命——都无法在这样的轰击中存活多久。

如果用较小的小行星持续撞击呢?
假设《小王子》中的B-612小行星直径为4米,并且由岩石组成。那为了维持足够的推力,平均每秒钟要有大概5万颗这样的小行星进入大气层。
可惜的是,持续不断的高空流星雨所传递给大气的能量和那种一天撞一次大的方式是一样的,而且最终死亡人数也会是一样的:70亿人类,外加每天40亿小王子。

但我们至少不需要烦恼闰秒了。

关于本文

What if 系列:https://songshuhui.net/archives/tag/what-if

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44 Responses to “[What if]第26期——闰秒”

  1. 弗里茨说道:

    杀~

  2. phygosome说道:

    小王子,,,

  3. zghostz说道:

    分享一个网址可以查询开头提到的几种时间之差:http://leapsecond.com/java/gpsclock.htm

  4. zolover说道:

    小王子。。。。

  5. 来峰神说道:

    无责任乱猜想:
    在太空中设置两个大型磁场发生器(可在赤道或者两极上空),利用地球磁场。把地球设想为一个带磁场的转子,然后使磁场发生器和地球同方向的运动(核动力或太阳能推进器)通过磁场发生器产生的磁场推动地球磁场,进而推动地球(不知道行不行-。-!!)。

    • fare2000说道:

      也许可以,将来设计一个可以自我捕获小行星,自行繁殖的小机器发射到小行星带附近,或许经过很多年后可以“生长”出一个这样的磁场发生器, 否则目前哪里来那么多的资源来建造它。

    • 拼音佳佳说道:

      抽光地球的大气层,然后沿赤道修建磁浮列车带,再开动列车,就可以改变自转速度.好吧至少是可以让月球的自转速度加快可能要对我们地球人的影响会小一些...

    • laoma说道:

      因为角动量守恒,你的磁场发生器会反方向旋转,并且越转越快。

      • 来峰神说道:

        囧,没学大学物理,物理水平停留在高中时代。。
        不过那也没关系啊,目的是地球转快点,磁场发生器怎么转都无所谓。。

    • quan787说道:

      力的作用是相互的啊 很火箭那个是一样额的

  6. 土豆地瓜说道:

    现在到底几点啦…………

  7. oldkey说道:

    知道了怎么矫正时钟也就可以了。这个成本比较正地球来的小

  8. mooncake说道:

    不需要小行星撞击地球,只要让小行星从地球旁边近距离飞过,假如时机合适就可以改变地球的自转角动量

    • laoma说道:

      这是一个好方法!
      但是我觉得这个方法只会增加地球公转速度,不影响自转。如果小行星从月亮附近按适合轨道掠过,可以增加月亮的速度,从而影响地球的自转。

      • YTed说道:

        只要让小行星不停地略过地球造成跟月球方向相反的潮汐力就可以了……

        其实还有一个方法不知道行不行…… 弄一个(或几个)质量适合的小行星来平衡月球引起的潮汐力……

  9. mooncake说道:

    “因为地球自转一直在变慢,我们需要时不时地增加一闰秒。”——这是一个伪命题。提问者混淆了概念:闰秒不是因为地球自转而减慢,而是因为地球自转的周期和一天的秒数不完全相等,所以才不得不每隔N年加减一个闰秒弥补这个差异。如果加减闰秒的频率发生变化——例如50年前需要每2年增加一个闰秒,现在需要每1年增加一个闰秒——这才能说明地球的自转速率在改变。如果地球的自转是恒定的,只需要重新定义秒的长度即可完全消除闰秒。

    • Pasternak说道:

      闰秒的设置就是为了补偿地球自转减慢以及其它因素,而不是因为一天不等于86400秒。秒的定义就是让一天有86400秒,只是因为地球自转有变化,所以后来才改用铯原子钟定义。但在定义的时候,地球的一天确实是86400秒。之后闰秒的调整,主要是潮汐引起的自转减慢。当然诸如地震,冰河反弹等也会改变时间长度。你的理解是错误的。

      • shuangwhywhy说道:

        “闰秒的设置就是为了补偿地球自转减慢以及其它因素,而不是因为一天不等于86400秒。”

        ----- 前半句基本上是对的,后半句是错的,闰秒的存在恰恰就是因为一个太阳日不等于 86400 原子秒。这是个逻辑问题。还有要明确的一点是,闰秒本身就是一个 UTC 秒,它是用来调整 UTC 日期的,而它本身是不会发生变化的。

        有下面这么几条 facts:
        A:设定闰秒;
        B:一个 UT “天” 不等于 86400 UTC 秒;
        C:地球自转相对太阳减慢;
        D:潮汐作用;
        E:地震、其他天体活动的影响;

        现在的逻辑是这样的:
        E --> C;
        D --> C;
        C --> B;
        B --> A.
        连起来就是 {D, E} --> C --> B --> A,其中 C 是 B 的唯一直接原因,没有之一。

        你不能说 C 是 A 的原因,所以 B 不是了。B 反而是 A 最直接关心的问题。C 只能说是间接原因。

        实际上闰秒的添加完全取决于观测数据,它无需关心 B 发生的原因,或者 C 发生的原因,反正相差一秒的时候就可以加了,不管为什么。假如地球转得快了,一个 UT 天不满 86400 UTC 秒,那闰秒就是负一秒,同样会在相差一秒的时候加上。

      • shuangwhywhy说道:

        抱歉,写错了,B 是 A 的唯一直接原因。
        多说一句,润秒是为了同步 UTC 和 UT1(Universal Time 1)的,UT1 是以太阳为参考的地球自转时间。

  10. Zeta说道:

    没人觉得炸掉月亮是最好的选择么~~

  11. 九87说道:

    还好在可预见的明天,我们只需要像现在一样时不时加一闰秒就好。
    至于几亿年之后如果情况不变,大不了把秒的定义改为地球自转一周的82800分之一或者79200分之一好了

    • 来峰神说道:

      那样子对数学物理上很多公示有影响,因为秒的长度变了,一些常数就要随之改变,那么影响就极大了。所以才要用原子钟来定义秒,以免秒这一个基石被动摇。

  12. 小M说道:

    把月球炸了然后全世界重新调闹钟行不

    • floed说道:

      月亮是地球自转轴保持稳定的关键,没有月亮,地球会乱转的,生命也没有了。

    • kgdrd说道:

      没有月亮照样有太阳,虽然太阳潮汐作用不及月亮的一半,但仍然不能忽视

  13. floed说道:

    这么艰巨的任务,只好把日本沉没,使地球的质量向两极转移了。

  14. shit_engineer说道:

    TAI一共使用了两百多台原子钟
    http://en.wikipedia.org/wiki/International_Atomic_Time

  15. laoma说道:

    在月亮远离地球和地球自转变慢的过程中角动量是守恒的。不同的是月亮+地球这个系统的能量因为潮汐的原因损耗掉了。
    所以如果有足够的能量(比如100%地回收潮汐能量),可以在月球和地球中间传递角动量。
    具体的方法可以是,在地球赤道向西发射卫星,在月球的东部(即绕地球公转的尾部)着落,然后卫星自月球向东发射,返回地球,自西向东着落。这个过程可以加速地球自转和月球公转。如果卫星同小王子小行星差不多大的话,每秒起降25000次就可以了。这个方案非常环保,没有对其他星体造成影响。

    • 来峰神说道:

      化学能的消耗,产生的热量足以把地球变成熔浆球。。

  16. 呵呵说道:

    楼盖低一点就行了。

  17. Illusiwind说道:

    外加每天40亿小王子 233

    //流浪地球@刘慈欣

  18. lxjts说道:

    干,为什么不减慢月球转速

    • shuangwhywhy说道:

      应该加快啊。就是因为月球公转慢才导致地球自转慢的。

  19. zhaox说道:

    调整“秒”的定义的时间长度,把这0.8毫秒摊到86400秒里去

  20. shuangwhywhy说道:

    说了这么多,嫦娥多奔几次月就行了,每次背一筐兔子。只要方向感好。

  21. Aero说道:

    小王子是什么- -

    • lommy说道:

      就是《小王子》里的那个小王子,记得是从外星球来的,那个星球还有他的花

  22. zwhfly说道:

    从大行星那儿再拉个月亮回来,然后让它倒着转

  23. 守护正太之剑说道:

    把地球炸出一块出去应该比较容易

  24. 匿名说道:

    把地球上水抽干不好吗?

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