中科院通知公告栏目报道:2015年1月5日,总部设在法国巴黎的国际地球自转和参考系统服务组织IERS(International
Earth Rotation and Reference Systems
Service)在其49期C公报发布闰秒公告:国际标准时间UTC(Coordinated Universal
Time,协调世界时)将在2015年6月30日(格林尼治时间)实施一个正闰秒,即增加1秒。1月8日国际权度局时间部BIPM(Bureau
International des Poids et
Mesures)向全球参加国际原子时TAI计算的各守时实验室发布了闰秒调整预报。由于时差的原因,我国将在北京时间2015年7月1日的7时59分59秒和全球同步进行闰秒调整,届时会出现7:59:60的特殊现象。
历算专家、中科院南京紫金山天文台副研究员成灼说:一秒有多长,取决于一天有多长,也就是地球自转周期。如果地球自转周期是稳定不变的,严格地1日旋转1周,那么计量时间的世界时单位1秒(即1/86400日)就是固定不变的。但科学家们发现,这把测量时间的“尺子”并不准确。研究发现,长期来看地球的自转变慢了,南京大学天文学系教授萧耐园介绍说,大约100年后,地球上每天就要增加1.8毫秒,并且这1.8毫秒是一个加速度。那么地球自转为何变慢呢?
地球自转的角速度变慢已是不争的事实,那么是什么原因导致地球自转的角速度变慢呢?
我们知道,角动量守恒定律是自然界最普遍的规律之一,这一规律是建立在质量不变的基础之上,现代科学认为质量不变是忽略物体本身的辐射对物体质量的影响,若考虑物体辐射对物体本身质量的影响,质量也是变化的,只不过物体由于辐射而引起质量的变化极其缓慢。从宏观上看,地球的自转变化也极其缓慢,甚至不容易观察到。为什么会这样呢?其重要原因之一就是:地球辐射引起地球质量的变化,从而引起角动量的变化。我们通常研究的一般物体,短时期内我们可以认为物体的质量是不变的(因为辐射引起质量的变化极其缓慢且较小),也是合理的。但是,如果是较大的天体——如地球,经历较长的时间,由于辐射损失的质量引起角动量的变化是不能忽略的。详细分析如下:
我在本栏目发表的《辐射与质量关系的研究》指出:任何物理都在辐射,辐射使物体的质量减少。物体由于辐射减少的质量与物体的密度、热力学温度、表面积、时间的乘积成正比。数学表达式,m
= B × ρ × T × S ×
t,其中,B是比例常数,ρ是物体的密度,T是热力学温度,S是物体的表面积,t是物体辐射的时间。
作为质量标准的模型,118年质量神秘消失50微克(新浪科技科学探索报道,原文链接地址:http://tech.sina.com.cn/d/2011-01-28/09325143447.shtml),其实并不神秘,是因为作为质量标准的模型辐射的结果。下面我们根据这一客观事实粗略推算一下比例常数B。由于作为千克标准的模型是:高和直径都是约39毫米的圆柱,我们容易算出它的密度和表面积,ρ=21475,S=0.0072,为了方便,取T
= 300k,推算出:t = 372124800,m = 0.00000005(都是国际标准单位制),进而计算出:B = m /
ρTSt = 0.00000005 / 21475×300×0.0072×372124800 =
2.9×10-21,由此比例常数可以看出,由于辐射引起质量的变化很小、且比较缓慢。我在本栏目发表的《关于辐射量子质量的研究》即讨论指出,辐射粒子的质量和辐射粒子的绕转速度有关,和辐射粒子的传播速度没有关系,即辐射粒子是有质量的。地球在辐射的过程中,角动量守恒定律也是适用的。我的这一观点同时被美国物理学会(2014年度)第15届年会录用(举办时间2014年5月)链接地址:http://meetings.aps.org/Meeting/NWS14/Session/D1.56。
根据角动量守恒定律,地球某一时刻的角动量是:MVR或MωR2。M是地球的质量。经过较长的时期,地球的质量变为M1,由于辐射损失的质量为m,M=M1+m。根据角动量守恒定律得:MVR=M1V1R1+mV2R2——①,其中,V是地球自转的速度,V1经过长时间辐射后地球的自转速度,V2是辐射量子的自转速度。射粒子的速度V2是光速,是一个常数c,c=3x108米每秒,所以V2远远大于V1,由于V2几乎是直线运动,所以可理解为R2极其巨大,即R2变得远远大于R1。这样我们容易得出:辐射出去的质量m的角动量mV2R2,远远大于该质量在母体时的角动量mVR1。由上述分析可知,R变化极小,R近似等于R1,质量的变化和速度与半径乘积的变化相比,也是微乎其微。我们再根据角动量守恒定律分析:MVR=M1V1R1+mV2R2——①,等式左边MVR恒定不变,等式右边mV2R2的角动量,在等式左边的角动量为mVR(m辐射前的角动量),由于V2远远大于V(地球的自转速度),所以我们容易得出,mV2R2远远大于mVR,又因为,辐射前后质量的变化不大,但是辐射前后质量变化的角动量变化较大,也就是说,R1、M1
的变化和辐射出去质量角动量的变化相比,R1几乎不变、M1
几乎不变,M1V1R1必然变小,即M1ω1R21必然变小、ω1必然变小。即地球的自转速度在变慢,这一推算结果与地球的自转速度变慢的观察结果相吻合。
另外,地球自转变慢还可能和地球内部各层、包括不同空气层转动的角速度不同(由内到外角速度逐渐减小),各层之间的步调不一致,相互拖曳的结果
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