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一天并非24小时,日长变化每8.6年“轮回”一次

来源:科技日报2020-06-10 09:13

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  人们总是觉得,假期的日子很短,上班的每一天都很长。事实上,如果忽略心理感官的干预,用科学手段去丈量时间,就会发现我们历经的每一天确实并非精确的24小时,而是以极其微小的幅度变化。

  日长变化有何规律?近期,我国科研人员首次发现了日长变化中存在约8.6年周期的显著振幅增强信号,并首次发现该振荡的极值时刻与地磁场快速变化的发生存在密切的对应关系。

  目前该研究成果已经在线发表在《自然·通讯》上。

  分离综合波 揪出日长变化中的“潜规则”

  “科学家早已发现,每天的时长不是固定不变的。从一个较大的时间尺度上分析,日长正在逐渐变长。”近日,该研究参与者、中国科学院上海天文台、中国科学院行星科学重点实验室研究员黄乘利在接受科技日报记者采访时表示。

  侏罗纪时期一天的时长大约只有23小时10—20分钟。由于月球和太阳对地球的潮汐作用消耗了地球的能量,地球自转越来越慢,日长因此变长,平均约每100年变长0.002秒。

  黄乘利指出,除了这一长期规律外,科学家们还发现日长变化在相对短期内具有周期性规律。一般认为,尺度为数十年的年代际变化和尺度约5—10年的亚十年变化很可能与地球深内部物理有关。

  此次研究中,研究人员发现除了此前公认的6年周期外,日长变化每隔8.6年也“轮回”一次。值得一提的是,日长变化类似一条正弦曲线,但振幅正逐渐增大。通俗来讲,随着时间的推移,日长在平均日长时间线上有规律地上下波动,有时比24小时少几毫秒,有时又会比24小时多几毫秒,而极值却越来越大,即时间的变化幅度正在变大。

  研究人员如何在数十年来搜集的日长数据库中找出这一规律?

  “我们采用了国际地球自转服务系统提供的1962—2019年的日长变化数据,结合大量数值模拟算例分析,基于标准小波时频变换方法和我们独立发展的‘去小波边缘效应’的策略,首次发现了8.6年信号的振幅增大现象。”论文第一作者、中国科学院上海天文台副研究员段鹏硕表示。

  他进一步解释到,标准小波时频变换方法是该领域比较独特的一种方法,能定量识别并提取观测序列中的周期性谐波信号。日常生活中7种单色光可以合成白光,白光也可以通过一个小小的三棱镜拆分出单色光,日长变化规律的探索也如此。事实上,日长与很多因素有关,如地球内部不同的物理结构或事件影响等。我们真实测量的日长数据可看成是一条综合波,可以拆分成很多不同因素主导的分波,学界将之称为小波。而标准小波时频变换方法就是学者们经常用到的“三棱镜”,可将想要分析的数据从综合数据中拆分出来。

  然而,该方法虽具有很高的频率分辨能力,但也具有显著的边缘效应问题。研究团队自主研发的“去小波边缘效应”策略可以弥补这一不足,使得研究人员准确分离出目标谐波信号,最终找出日长变化背后隐藏的这一规律。

  扭转阿尔芬波 或为日长周期变化的“推手”

  除了8.6年周期的振幅增强信号,研究人员还发现了一个奇特现象。“巧合的是,每到极值时刻的前1—2年,地磁场都会出现快速变化,即地磁急变。”黄乘利告诉科技日报记者,“我们查阅了以往很多地磁方面的记录,都与这一现象相吻合。这或许有助于揭开日长在亚十年尺度下周期性变化的机制。”

  研究团队抓住这一线索,结合大量前人的研究数据,提出日长8.6年周期性变化可能与地球液核表面赤道附近的扭转阿尔芬波振荡有关。

  地球内部充满磁场,如果将磁场的磁力线想象成一根根琴弦,当磁场受到扰动时,磁力线这些琴弦就会振荡,振荡会沿着磁场传播出去,便形成了阿尔芬波。当磁力线聚集成一个个称作“磁流管”的管状结构时,在磁流管中传播的阿尔芬波就是扭转阿尔芬波。

  扭转阿尔芬波向外传播,与地幔发生耦合作用,就会导致日长中出现同样周期的波动信号。

  “目前地磁急变的预测是国际上的一个难题。此次研究提供了一种新的研究入口,可以通过精确分离地球自转的亚十年变化振荡信号,预测未来地磁急变发生的时刻。”段鹏硕表示,现阶段日长8.6年的周期性变化信号正处于低谷,正逼近极小值,因此预测在最近的1—2年内,地球很可能会有一次新的地磁急变事件发生。

  不难看出,通过日长精细变化特征的研究,可以深入了解地球深内部的磁流体动力学问题。“后续,我们将密切关注地磁变化的相关信息和报道,也会将这套自主研发的数据处理方法应用到天文地球动力学的其他领域。”黄乘利说。(实习记者 于紫月 通讯员 左文文)

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