地球的周期性变化

地球的周期性变化

因为地球绕轴自转，恒星看起来是以很规则的方式穿过天空运行。每一颗星每天通过子午线，子午线是通过两极和头顶上一点的想象中的一个大圆。一天的长度可以用特殊的时钟（原子钟）精确地测定。

测量显现日长在0．001秒的量级上有微小的变化，这是因为构成地球的物质由于各种过程不断移动引起的。例如，地极的冰冠作季节性融化，使赤道附近的海平面上升几厘米，从而使地球自转变慢和日长延长。当旋转着的花样滑冰者张开他（或她）的双臂而减慢下来时，就是同样的效应。

这种减慢说明角动量守恒，这和自转物体例如陀螺，假如不施加阻力它将继续转动不停这类经常观察到的效应一样，给取了这样的一个名字。因为角动量是物体大小与自转速度的乘积，物体大小增加了，它的自转就会减慢，海平面上升就是这种情况。因为冰冠融化依赖于每年的季节。这现象是周期性的，在一个长时期里平均应为零。

除了地球自转速率的周期性变化外，还有非常小但明显的演化性效应的证据——一直减慢下来绝不复原，因而它不会平均到零。这已由日食观测所表明，日食是有规律的事件，发生的时间可以由地球和月球的轨道计算出来。

如果我们假定日长是常数，则可精确计算出在某个指定日食发生的时候，地球自转运动进行到什么程度，即使2000年前发生的也可以算。当然，地球的自转位置只由一天的时间给出；在某些情况里，古代日食观测者精确地记载下这些时间。天文学家发现古人所记录下来的时刻，要比根据日长为常数所预计的时间约早3小时。

最简单的解释是地球自转正在减慢，所以过去2000年来地球自转的平均速率比现在的速度要大些。为了解释3小时的累积效应，我们必须假定在每1世纪当中日长增加0．0016秒。

如果我们把这个减慢数字应用到很长的时间跨度上，比如回到地质学家测定约为3．5亿年以前的泥盆纪，则一天的长度可能只有22．45小时；因此每年应有更多的天数，它等于24除以22．45即1．07——每年超出7%，总数为每年多24天。因此我们预料泥盆纪的一年必定为389天左右。

科学家用在巴哈马群岛找到的珊瑚的生长环检验了这个预计。他们发现现代珊瑚每年约生长360个环，而在泥盆纪珊瑚化石中这样的环约400个。如果像研究人员所认为的那样每个环相当于一天的生长，这可能证明泥盆纪的一天比现在的一天短少粗略地预计的那个数量。

卫星拍摄的巴哈马群岛

地球自转减慢下来的原因被认为是由于潮汐摩擦所引起的。当潮汐的隆起部分围绕地球滚动时，它与海底和陆地的摩擦阻止着潮汐流。摩擦力施加在地球上，减低地球的自转速率。因为摩擦生热，它最后作为辐射散失到空间中，所述能量永远消失掉，它不能回到原处复原成地球的自转运动。因此潮汐摩擦是不可逆现象的例子是一个演化现象。附带的一个效应是月球得到了地球失去的角动量，这时它缓慢地离开地球。

到现在为止我们处理了2种不同类型的变化：周期的和演化的。许多自然现象是周期性的。海洋、昼夜、潮汐和天气图形都是自然界中周期性的现象，它们至少是以大约可以预计的方式一再重复。

另一些现象，比如太阳辐射连续不断地衰变成红外辐射以及地球自转的减慢下来，不是周期的而是演化性的，其性质是自然界明显地正在演变成为一个完全新的不同状态。在地球自转因潮汐而减慢的情况下我们看到，这个减慢的估计值和根据2000多年的日食测量以及3．5亿年的珊瑚测量所得到的结果近于相同。

这个事实意味着潮汐减慢是演化的，而不是周期性的；这个效应是长时期时间上的积累，而不是周期性地自身重复。因为这一机制涉及摩擦，它基本上是一条单行道，当地球的自转能消耗掉，变成热因而最后成为红外辐射时，没有办法将能量又转变回到自转能。这就需要引起注意一件事，即太空可以无止境地吸收辐射而来的能量，却从来也不送回去。

宇宙的这个性质对于演化的发生似乎是需要的。关于生物，我们知道生命需要源源不断的能来维持它。特别是植物，它要吸收阳光并发出红外辐射来排除它多余的热，红外辐射最后散失在太空深处。如果宇宙像吸收红外线一样也辐射红外线，则天空在光谱的红外波段是明亮的，这将使植物没有办法排除多余的热，能流不久将停止，从而所有生物将会死亡。