天体物理学家揭示了为什么地球的一天在10亿年里恒定为19.5小时

多伦多大学(U of T)的一个天体物理学家团队揭示了月球潮汐力导致的地球白天缓慢而稳定的延长是如何停止了十亿多年的。

他们表明，从大约 20 亿年前到 6 亿年前，太阳驱动的大气潮汐抵消了月球的影响，使地球的自转速度保持稳定，白天的长度恒定在 19.5 小时。

如果地球自转减速没有这十亿年的停顿，我们目前的一天 24 小时将延长至 60 多个小时。

该研究描述了结果：“为什么一天是 24 小时长;为什么一天是 24 小时?” 地球大气热潮、成分和平均温度的历史”今天发表在《科学进展》杂志上。科学家们利用地质证据并利用大气研究工具表明，太阳和月球之间的潮汐僵局是由于大气温度和地球自转速度之间偶然但具有重大影响的联系造成的。

该论文的作者包括多伦多大学加拿大理论天体物理研究所(CITA)的理论天体物理学家Norman Murray ;CITA 和多伦多大学物理系研究生吴汉波;Kristen Menou、David A. Dunlap 多伦多大学斯卡伯勒分校天文学与天体物理学系和物理与环境科学系;Jeremy Laconte，波尔多天体物理学实验室，前 CITA 博士后研究员;和克里斯托弗·李(Christopher Lee)，多伦多大学物理系。

大约 45 亿年前，当月球首次形成时，白天的长度还不到 10 个小时。但从那时起，月球对地球的引力一直在减慢地球的自转速度，导致白天越来越长。如今，它继续以每世纪约 1.7 毫秒的速度延长。

月球通过拉动地球海洋来减慢地球的自转，在地球的两侧产生潮汐隆起，即高潮和低潮。月球对这些凸起的引力，加上潮汐与海底之间的摩擦力，就像我们旋转的星球上的刹车一样。

“阳光也会产生具有相同类型凸起的大气潮汐，”默里说。“太阳的引力拉动这些大气隆起，在地球上产生扭矩。但它并没有像月球那样减慢地球的自转速度，而是加快了地球的自转速度。”

在地球地质历史的大部分时间里，月球潮汐的强度是太阳潮汐的大约十倍。因此，地球自转速度减慢，白天变长。

但大约二十亿年前，大气隆起更大，因为大气更温暖，而且它的自然共振——波穿过大气的频率——与白天的长度相匹配。

大气层就像钟声一样，以由包括温度在内的各种因素决定的频率产生共鸣。换句话说，波浪——就像 1883 年印度尼西亚喀拉喀托火山大规模喷发所产生的波浪一样——以由其温度决定的速度穿过它。同样的原理解释了为什么如果温度恒定，钟总是发出相同的音符。

在地球历史的大部分时间里，大气共振与地球的自转速度不同步。如今，两次大气“高潮”环游世界各需要22.8小时;由于共振与地球24小时自转周期不同步，大气潮汐相对较小。

但在所研究的10亿年期间，大气层变暖并产生了大约10个小时的共振。此外，在那个纪元到来时，地球的自转因月球而减慢，达到了 20 小时。

当大气共振和白昼长度变成偶数(10 和 20)时，大气潮汐就会增强，隆起变得更大，太阳的潮汐力变得足够强大，足以对抗月球潮汐。

“这就像推着孩子荡秋千一样，”默里说。“如果你的推力和挥杆周期不同步，它就不会走得太高。但是，如果它们同步，并且您在秋千停在其行程的一端时推动，则推动力将增加秋千的动量，并且秋千会走得更远更高。这就是大气共振和潮汐所发生的情况。”

结合地质证据，Murray 和他的同事利用全球大气环流模型 (GCM) 预测这一时期的大气温度，从而获得了结果。GCM 与气候学家研究全球变暖所使用的模型相同。穆雷表示，他们在团队研究中的出色表现是一个及时的教训。

“我曾与气候变化怀疑论者交谈过，他们不相信全球环流模型告诉我们我们正处于气候危机中，”默里说。“我告诉他们：我们在研究中使用了这些全球循环模型，他们做对了。他们工作。”

尽管它在地质历史上距离遥远，但这一结果为气候危机提供了额外的视角。默里指出，由于大气共振随温度而变化，当前变暖的大气可能会对潮汐不平衡产生影响。

“随着全球变暖导致地球温度升高，我们也使共振频率变得更高——我们使大气层远离共振。结果，来自太阳的扭矩较小，因此，白昼的长度会比其他情况更快地变长。”