全球氣候變暖已經(jīng)成為備受矚目的話題，我們所熟知的是它會(huì)嚴(yán)重影響全球各地的氣候和生態(tài)，但是可能很少聽(tīng)說(shuō)它竟然還會(huì)影響到時(shí)間。更令人意料之外的是，我們本來(lái)應(yīng)該在2026年“失去的一秒”也可能因此被推遲了！

圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)

世界時(shí)與協(xié)調(diào)世界時(shí)

我們可以從時(shí)鐘上知道現(xiàn)在的時(shí)間，那么時(shí)鐘上的時(shí)間又是怎么得到的呢？正如長(zhǎng)度可以測(cè)量一樣，時(shí)間也是可以用來(lái)測(cè)量的，且像長(zhǎng)度一樣也需要有一個(gè)公共的標(biāo)準(zhǔn)尺度。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺度稱為時(shí)間基準(zhǔn)或時(shí)間頻率基準(zhǔn)。

一般來(lái)說(shuō)，任何一個(gè)能觀測(cè)到的周期運(yùn)動(dòng)，只要能滿足下列條件都可以作為時(shí)間基準(zhǔn)：

• 能做連續(xù)的周期性運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)周期十分穩(wěn)定；

• 運(yùn)動(dòng)周期具有很好的復(fù)現(xiàn)性。

自然界中具有上述特征的運(yùn)動(dòng)有很多種，如早期人們發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)在空中的變化、月相變化和季節(jié)節(jié)氣，后來(lái)的鐘擺及石英晶體的振蕩，以及原子躍遷時(shí)發(fā)出的電磁波振蕩信號(hào)等。

鐘表中的擺輪，這就是一個(gè)周期性運(yùn)動(dòng)的設(shè)備

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

古人“日出而作，日落而息”，在日常生活中，人們已經(jīng)習(xí)慣用太陽(yáng)來(lái)確定時(shí)間，安排工作和休息。真太陽(yáng)時(shí)就是以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，太陽(yáng)中心為參考點(diǎn)的。太陽(yáng)連續(xù)兩次通過(guò)某地的子午線的時(shí)間間隔稱為一個(gè)真太陽(yáng)日，以其為基礎(chǔ)均勻分割后得到真太陽(yáng)時(shí)系統(tǒng)中的“小時(shí)”、“分”和“秒”。真太陽(yáng)時(shí)在數(shù)值上等于太陽(yáng)中心相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角（太陽(yáng)時(shí)角即從觀測(cè)點(diǎn)天球子午圈沿天赤道量至太陽(yáng)所在時(shí)圈的角距離。地球自轉(zhuǎn)一周360度，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為24小時(shí)，即每小時(shí)相應(yīng)的時(shí)角為15o），再加上12小時(shí)。

然而，實(shí)際上真太陽(yáng)時(shí)的長(zhǎng)度并不一致。這是由于兩方面的原因?qū)е碌模环矫娴厍驀@太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)軌道為一橢圓，據(jù)開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)第二定律，行星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，它與太陽(yáng)連線在相同時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積是相等的。這意味著，當(dāng)?shù)厍蚩拷?yáng)（即在近日點(diǎn)時(shí)），它的實(shí)際速度（線速度和角速度）會(huì)更快，因?yàn)樗枰谙嗤瑫r(shí)間內(nèi)掃過(guò)更大的距離來(lái)保持與太陽(yáng)連線掃過(guò)的面積相等。相對(duì)地，在遠(yuǎn)日點(diǎn)（離太陽(yáng)最遠(yuǎn)的點(diǎn)）地球的速度會(huì)減慢。

地球公轉(zhuǎn)軌道示意圖，近日點(diǎn)角速度快，遠(yuǎn)日點(diǎn)角速度慢（ 圖片來(lái)源：Wikipedia）

另一方面，地球公轉(zhuǎn)是位于黃道平面的，而時(shí)角是在赤道平面量度的。因此真太陽(yáng)時(shí)不具備作為一個(gè)時(shí)間系統(tǒng)的基本條件。

地球的黃道面和赤道面（圖片來(lái)源：Wikipedia）

為了彌補(bǔ)真太陽(yáng)時(shí)不均勻的缺陷，人們便設(shè)想一個(gè)假太陽(yáng)來(lái)代替真太陽(yáng)，它和真太陽(yáng)有兩點(diǎn)不同：（1）周年視運(yùn)動(dòng)軌跡位于赤道平面而不是黃道平面；（2）它在赤道上的角速度是恒定的，等于真太陽(yáng)的平均角速度，我們稱這個(gè)假太陽(yáng)為平太陽(yáng)。格林尼治起始子午線處的平太陽(yáng)時(shí)就稱為世界時(shí)。

在1955年之前，由于受觀測(cè)精度和計(jì)時(shí)工具的限制，地球的自轉(zhuǎn)比任何現(xiàn)有的振蕩器都更穩(wěn)定，因此秒被定義為地球相對(duì)于太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間的特定分?jǐn)?shù)。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，人們逐漸發(fā)現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)的速度是不均勻的，且人們對(duì)時(shí)間和頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的要求越來(lái)越高，以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的世界時(shí)已經(jīng)越來(lái)越難以滿足要求了。

從20世紀(jì)50年代起，人們逐漸把目光集中到建立原子時(shí)上來(lái)，這是以物質(zhì)內(nèi)部原子運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的。1967年10月，第十三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)如下決議：位于海平面上的銫133原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間在零磁場(chǎng)中躍遷輻射振蕩9192631770周所持續(xù)的時(shí)間定義為原子時(shí)的1秒。

穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性都很好的原子時(shí)能滿足高精確度時(shí)間間隔測(cè)量的要求，因此被很多部門(mén)所采用。但有不少領(lǐng)域如天文導(dǎo)航、大地天文學(xué)、宇宙飛行器跟蹤等又與地球自轉(zhuǎn)有密切關(guān)系，離不開(kāi)世界時(shí)。比如在地圖制作中，需要考慮到地球的自轉(zhuǎn)效應(yīng)，世界時(shí)可用于精確計(jì)算經(jīng)度，從而確保地圖的準(zhǔn)確性。由于原子時(shí)是一種均勻的時(shí)間系統(tǒng)，而地球自轉(zhuǎn)卻是不均勻的，所以原子時(shí)和世界時(shí)之間將會(huì)存在差異。

為同時(shí)兼顧各個(gè)領(lǐng)域的 需求，國(guó)際無(wú)線電科學(xué)協(xié)會(huì)于20世紀(jì)60年代建立了協(xié)調(diào)世界時(shí)。 協(xié)調(diào)世界時(shí)的秒長(zhǎng)嚴(yán)格等于原子時(shí)的秒長(zhǎng)，而協(xié)調(diào)世界時(shí)與世界時(shí)間的時(shí)刻差規(guī)定需要保持在0.9秒以內(nèi)，否則將采取閏秒的方式進(jìn)行調(diào)整。

什么是閏秒？

我們對(duì)“閏秒”這個(gè)詞可能會(huì)感到陌生，但是對(duì)“閏月”一定很熟悉。其實(shí)，和閏月的方式和目的類似，閏月是為了協(xié)調(diào)回歸年和農(nóng)歷年的矛盾，閏秒則是為了讓協(xié)調(diào)世界時(shí)與世界時(shí)的時(shí)刻差保持在0.9s以內(nèi)。增加1秒為正閏秒，減少1秒為負(fù)閏秒。下圖展示了自1972年以來(lái)實(shí)施的27次正閏秒。在一般情況下，當(dāng)我們打開(kāi)手機(jī)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)此時(shí)正好是07:59:59（北京時(shí)間），那么下一秒將會(huì)是08:00:00，但是如果此時(shí)正在實(shí)施正閏秒的調(diào)整，將會(huì)顯示07:59:60這一特殊的時(shí)刻。

UTC（北京時(shí)間-8小時(shí)）實(shí)施的27次正閏秒

由于全球變暖而“展開(kāi)手臂”的地球

我們從上圖可以看出，至今實(shí)施的閏秒都是正閏秒，這是因?yàn)閰f(xié)調(diào)世界時(shí)的基準(zhǔn)比較穩(wěn)定，而地球自轉(zhuǎn)存在不斷變慢的趨勢(shì)，導(dǎo)致世界時(shí)的秒長(zhǎng)變得越來(lái)越長(zhǎng)。在實(shí)施協(xié)調(diào)世界時(shí)的最初，幾乎每年都需要正閏秒的調(diào)整，但在過(guò)去的26年中只有5次——閏秒的調(diào)整變慢了。

美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校的地球物理學(xué)家鄧肯·阿格紐認(rèn)為，這一變化的發(fā)生是由于地球整體的角動(dòng)量守恒，地球液核角速度的變慢導(dǎo)致固體地球的自轉(zhuǎn)角速度加快，一天的長(zhǎng)度回到了19世紀(jì)的值。因此，閏秒發(fā)生的頻率越來(lái)越低。如果照這一趨勢(shì)發(fā)展下去，世界時(shí)的秒長(zhǎng)將會(huì)變得比協(xié)調(diào)世界時(shí)的秒長(zhǎng)短，我們將會(huì)在2026年（也就是今年）首次實(shí)施負(fù)閏秒的調(diào)整。

但是在全球變暖的大背景下，事情似乎沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。2024年，阿格紐發(fā)表于英國(guó)《自然》雜志上的一篇研究論文表明，由于全球變暖，格陵蘭島和南極洲冰融化加快，部分地球質(zhì)量會(huì)向赤道附近轉(zhuǎn)移，地球會(huì)更變得越來(lái)越“扁平”，使得固體地球的慣性矩增大。由于角動(dòng)量守恒，地球就像在冰上的舞者，展開(kāi)手臂增大慣性矩，從而達(dá)到減小角速度的效果。

因此，全球變暖將導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)的角速度減慢，可能會(huì)使負(fù)閏秒的調(diào)整推遲至2029年。該文章還預(yù)測(cè)，如果冰川融化速度是當(dāng)前速度的100倍，將不會(huì)發(fā)生負(fù)閏秒，甚至?xí)?040年進(jìn)行正閏秒的調(diào)整。

全球變暖對(duì)計(jì)時(shí)的影響

雖然1秒的時(shí)間對(duì)于我們的日常生活來(lái)說(shuō)幾乎沒(méi)有感覺(jué)，但是金融貿(mào)易等領(lǐng)域的計(jì)算系統(tǒng)需要精確到千分之一秒，1秒的調(diào)整足以造成很大影響了。而且不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)目前處理閏秒的方式不同，雖然現(xiàn)在許多系統(tǒng)都有軟件可以接受額外的一秒，但很少有軟件允許刪除一秒，因此負(fù)閏秒會(huì)帶來(lái)一些計(jì)時(shí)的問(wèn)題。

由于閏秒的不可預(yù)測(cè)性給龐大的全球基礎(chǔ)設(shè)施的同步帶來(lái)諸多不便，2022年第27屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定，最遲不晚于2035年廢除閏秒，并要求各方協(xié)商提出一個(gè)可以將協(xié)調(diào)世界時(shí)持續(xù)至少百年的新方案，解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)可能方法是讓世界時(shí)和協(xié)調(diào)世界時(shí)之間的差異增加到一分鐘。

相信大家讀到這里已經(jīng)明白了為何全球變暖還會(huì)影響我們的計(jì)時(shí)，以及為什么本應(yīng)該出現(xiàn)在2026年的負(fù)閏秒?yún)s可能不會(huì)發(fā)生了吧。雖然最遲在2035年將取消閏秒修正，但在取消之前，我們可能會(huì)經(jīng)歷第一次也可能是最后一次負(fù)閏秒。到那時(shí)，我們可以打開(kāi)手機(jī)上的時(shí)鐘，親眼見(jiàn)證一下歷史性的一幕！

作者：方婧

作者單位：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心

（文章于2024年4月12日首發(fā)于科學(xué)大院。）

本文出品自“科學(xué)大院”公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）。

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