北極星是現(xiàn)在最靠近北天極的一顆星，對(duì)于身處北半球的人來(lái)說(shuō)，它的位置幾乎不變，可以用它來(lái)辨別方向。
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但根據(jù)中科院上海天文臺(tái)的科學(xué)家們對(duì)地球自轉(zhuǎn)的研究，在未來(lái)，北極星的這一作用將被織女星替代。
科學(xué)家為什么要研究地球自轉(zhuǎn)變化？地球自轉(zhuǎn)的變化對(duì)我們眼中的星空有什么影響呢？
一、地球自轉(zhuǎn)一直在變化，而且變化相當(dāng)復(fù)雜
晝夜交替，日月星辰東升西落，背后的原因是地球自西向東的自轉(zhuǎn)。地球圍繞一條通過地心、連接南北極的假想軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是地球自轉(zhuǎn)，而那根假想軸被稱作自轉(zhuǎn)軸。
從地球北半球看，北極星的位置幾乎不變，這是因?yàn)樗鼛缀跽龑?duì)著地球自轉(zhuǎn)軸。
但地球自轉(zhuǎn)一直是恒定的嗎？
答案是否定的！
地球的自轉(zhuǎn)一直在變化，而且變化得相當(dāng)復(fù)雜，既有“歲差-章動(dòng)”，還有“極移”和“日長(zhǎng)變化”。
1. 歲差-章動(dòng)：自轉(zhuǎn)軸的陀螺式轉(zhuǎn)動(dòng)和點(diǎn)頭
地球圍繞著自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
在地球自轉(zhuǎn)的同時(shí)，自轉(zhuǎn)軸也在轉(zhuǎn)動(dòng)，就像一個(gè)陀螺，會(huì)造成天極約每2.6萬(wàn)年圍繞黃極轉(zhuǎn)動(dòng)一周（如圖2所示），這便是歲差。
圖2：地球自轉(zhuǎn)軸圍繞黃極轉(zhuǎn)動(dòng)的示意圖，圖片版權(quán)：上海天文臺(tái)
陀螺式運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，天極還相對(duì)于黃極若即若離，擺動(dòng)周期小于18.6年，這就是章動(dòng)。
看到這里，您可能有點(diǎn)糊涂了。天極、黃極是什么意思？別著急，聽筆者慢慢道來(lái)。
為了研究天體的位置和運(yùn)動(dòng)，科學(xué)家們假想出一個(gè)球體——天球，以地球質(zhì)心為中心，半徑無(wú)限長(zhǎng)，如圖3所示。
圖3：赤道、黃道、北天極、北黃極的示意圖，圖片版權(quán)：上海天文臺(tái)
地球表面的點(diǎn)隨著地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軌跡中，最長(zhǎng)的圓周線稱作赤道，而赤道所在的平面稱作赤道面，赤道面將天球分為北天球和南天球兩部分。自轉(zhuǎn)軸與北、南天球相交的點(diǎn)分別是北天極和南天極。地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，軌道平面被稱作黃道面。假想一條直線經(jīng)過地球球心，垂直于黃道面，它與北、南天球各相交于一點(diǎn)，分別稱作北黃極和南黃極。
赤道面與黃道面之間夾角23度26分，兩者在天球上存在兩個(gè)交點(diǎn)，相距180度，分別稱作春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)。
從地球上看，太陽(yáng)沿著黃道面運(yùn)動(dòng)，從赤道面以南向北通過天赤道的那個(gè)交點(diǎn)是春分點(diǎn)；而太陽(yáng)從北向南通過天赤道的那個(gè)交點(diǎn)是秋分點(diǎn)。太陽(yáng)通過春分點(diǎn)到達(dá)最北的那一點(diǎn)稱作夏至點(diǎn)，太陽(yáng)通過秋分點(diǎn)到達(dá)最南的那一點(diǎn)稱作冬至點(diǎn)。
早在公元前，人們就發(fā)現(xiàn)了地球自轉(zhuǎn)變化導(dǎo)致的異常。
公元前二世紀(jì)，古希臘天文學(xué)家喜帕恰斯（圖3）為850顆亮星編制了星表。與150年前人們?cè)趤啔v山大城編制的約20顆星的星表進(jìn)行比較后，他發(fā)現(xiàn)在這150年里，這些恒星相對(duì)于春分點(diǎn)的位置向東移動(dòng)了近2度。他推測(cè)這可能是春分點(diǎn)沿著黃道面后退的結(jié)果，進(jìn)而推算出春分點(diǎn)每100年向西移動(dòng)1度。
這是人類首次發(fā)現(xiàn)歲差的證據(jù)，結(jié)果與現(xiàn)在推算出的每76年向西移動(dòng)1度存在一定差距。
在我國(guó)古代，人們通過觀測(cè)冬至點(diǎn)的移動(dòng)來(lái)推求歲差。
晉代虞喜根據(jù)《堯典》記載了解到，在堯的時(shí)代，冬至黃昏，頭頂會(huì)看到昴宿；而時(shí)隔2700余年，他自己的實(shí)測(cè)顯示，冬至黃昏，頭頂看到的星宿不是昴宿，而是相距50多度的東壁了。據(jù)此他推斷出，冬至點(diǎn)每50年向西移動(dòng)1度，并創(chuàng)立了歲差的概念。
中國(guó)古人還首度將歲差納入歷法計(jì)算。
為什么存在歲差，牛頓最早給出了理論解釋。
地球是一個(gè)橢球，赤道部分較為突出，兩極稍扁。相比于對(duì)非赤道部分的引力，太陽(yáng)和月球?qū)Τ嗟劳怀霾糠值囊Ω?，造成自轉(zhuǎn)軸繞著黃極轉(zhuǎn)動(dòng)，北天極沿著與黃道面平行的平面向西移動(dòng)，大約每2.6萬(wàn)年移動(dòng)一周，即每76年約移動(dòng)1度。除了日月造成的歲差，在其它行星的引力作用下，還存在微弱的附加歲差。如果地球是一個(gè)正球體，或者地球赤道面與黃道面以及白道面重合，在忽略其它行星對(duì)地球的作用后，將不會(huì)出現(xiàn)歲差現(xiàn)象。
日、月軌道的復(fù)雜相互作用，又產(chǎn)生了許多短周期振動(dòng)，這些短周期通常小于18.6年，主要體現(xiàn)為一種北天極相對(duì)于北黃極若即若離的點(diǎn)頭式運(yùn)動(dòng)，它們便是通常的所謂章動(dòng)。
2. 極移：研究極移數(shù)據(jù) 讓我們更好地了解地球
地球自轉(zhuǎn)軸與地球表面有兩個(gè)交點(diǎn)，以其中一個(gè)交點(diǎn)為例，地球在表面大氣、內(nèi)部流體等影響下，該交點(diǎn)在地球表面的位置并不是固定不變的，而會(huì)發(fā)生移動(dòng)，這便是極移。在交點(diǎn)位置變化的區(qū)域內(nèi)，確定一個(gè)參考點(diǎn)，參考點(diǎn)與地球質(zhì)心的連線為參考軸，固定在地球上。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，極移就是指自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于固定在地球上的參考軸的“漂”。根據(jù)近80年來(lái)的天文觀測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)了極移數(shù)據(jù)中包含著多個(gè)周期的極移，如周期接近14個(gè)月的張德勒周期極移，周期為一個(gè)月、半個(gè)月和一天左右的各種短周期極移等。造成極移的因素很多，包括外部因素和內(nèi)部因素，外部因素涉及日、月引力以及大氣和海洋的作用，內(nèi)部因素則涉及到地幔、地核等內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物理機(jī)制。
因此，如果我們研究極移的觀測(cè)數(shù)據(jù)，反過來(lái)可以幫助探究地球的外部因素和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
目前，上海天文臺(tái)地球自轉(zhuǎn)變化課題組的科研人員正著力于開展工作，利用觀測(cè)的極移數(shù)據(jù)來(lái)探測(cè)地球深內(nèi)部大尺度的流體運(yùn)動(dòng)（例如液核振蕩）和固體內(nèi)核擺動(dòng)；同時(shí)開展數(shù)值模擬工作，探究地球深內(nèi)部流體以及內(nèi)核運(yùn)動(dòng)如何影響極移。
3. 日長(zhǎng)變化：地球自轉(zhuǎn)的變慢 讓白天和黑夜都變得更長(zhǎng)
由于月球和太陽(yáng)對(duì)地球的潮汐作用，地球的自轉(zhuǎn)越來(lái)越慢，日長(zhǎng)不斷變長(zhǎng)，即白天和黑夜時(shí)間都在變長(zhǎng)，平均約每100年變長(zhǎng)0.002秒。
除了自轉(zhuǎn)速率越來(lái)越慢，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)自轉(zhuǎn)速率存在周期性的變化。日長(zhǎng)變化具有從一天到數(shù)十年、甚至更長(zhǎng)期的變化頻譜，分別對(duì)應(yīng)于不同的天文和地球物理機(jī)制。一般認(rèn)為，尺度為數(shù)十年的年代際變化和尺度約5到10年的亞十年變化很可能與地球深內(nèi)部物理有關(guān)。
二、自轉(zhuǎn)軸指向參數(shù)：除地震學(xué)以外，研究地球深內(nèi)部的重要手段
上述提到的歲差-章動(dòng)、極移和日長(zhǎng)變化，在物理上用自轉(zhuǎn)軸指向參數(shù)（Earth Orientation Parameters; EOP）表示。它們都反映了地球的整體運(yùn)動(dòng)及其隨時(shí)間變化的重要信息。
EOP被認(rèn)為是除地震學(xué)之外，另一種研究地球深內(nèi)部物理學(xué)的重要手段，是天文學(xué)為研究地球內(nèi)部而特制的“望遠(yuǎn)鏡”，一直是科學(xué)家們重點(diǎn)測(cè)量和研究的對(duì)象之一。
圖5：地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的藝術(shù)家想象圖，圖片來(lái)源：《國(guó)家地球兒童版》網(wǎng)站
如圖5所示，從外到內(nèi)，地球內(nèi)部的圈層包括地殼、地幔、流體外核和固體內(nèi)核。它們具有怎樣的物理結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何？它們相互之間正在發(fā)生哪些動(dòng)力學(xué)耦合作用？液核中的磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生、維持、變化的？這些神秘而重要的科學(xué)信息對(duì)理解我們所處的地球并進(jìn)而推廣到對(duì)其它類地行星的研究等都至關(guān)重要。
令人遺憾的是，所有這些信息我們都不能從地表或空間直接觀測(cè)得到。但幸運(yùn)的是，上述這些問題都可以通過對(duì)EOP變化的精細(xì)特征入手進(jìn)行間接“觀測(cè)”和研究。
接下來(lái)，就請(qǐng)隨筆者去了解上海天文臺(tái)的地球自轉(zhuǎn)變化課題組最新發(fā)表的研究成果，看看他們從日長(zhǎng)變化的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了什么。
三、首次發(fā)現(xiàn)日長(zhǎng)變化中的一個(gè)新信號(hào)
近日，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)動(dòng)力學(xué)研究中心地球自轉(zhuǎn)變化課題組、中國(guó)科學(xué)院行星科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在EOP參數(shù)之日長(zhǎng)變化研究方向取得了新進(jìn)展，首次發(fā)現(xiàn)了日長(zhǎng)變化中存在顯著的約8.6年周期的振幅增強(qiáng)信號(hào)，并首次發(fā)現(xiàn)該振蕩的極值時(shí)刻與地磁場(chǎng)的快速變化的發(fā)生存在密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
目前這項(xiàng)研究成果已經(jīng)在線發(fā)表在國(guó)際著名綜合期刊《自然·通訊》（Nature Communications）（后文簡(jiǎn)寫成“該研究”）；另一項(xiàng)關(guān)于日長(zhǎng)變化6年信號(hào)的檢測(cè)及其衰減和激發(fā)的物理機(jī)制的最新研究也發(fā)表在國(guó)際知名地學(xué)期刊《地球物理學(xué)研究雜志：固體地球物理學(xué)》（Journal of Geophysical Research: Solid Earth）。
關(guān)于日長(zhǎng)變化的精細(xì)時(shí)變特征和相關(guān)的物理原因，目前該領(lǐng)域還所知甚少，但這部分的研究對(duì)于進(jìn)一步了解地核的年際運(yùn)動(dòng)特征以及解決地磁場(chǎng)快速變化的起源問題具有重要意義。地磁場(chǎng)的快速變化被稱作地磁急變（“jerk”）。
據(jù)該研究的第一作者、上海天文臺(tái)的段鵬碩副研究員介紹，他們的研究采用了國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)系統(tǒng)(IERS)提供的1962至2019年近57年的日長(zhǎng)變化數(shù)據(jù)，結(jié)合大量數(shù)值模擬算例分析，基于標(biāo)準(zhǔn)小波時(shí)頻變換方法(NMWT)和他們獨(dú)立發(fā)展的“去小波邊緣效應(yīng)”(BEPME)的策略”，準(zhǔn)確地分離出目標(biāo)諧波信號(hào)。
雖然NMWT方法具有很高的頻率分辨能力,能區(qū)分日長(zhǎng)亞十年變化中不同的頻率成分，然而該方法具有顯著的邊緣效應(yīng)問題。所謂NMWT邊緣效應(yīng)，可以用觀測(cè)時(shí)間序列的跨度與邊緣效應(yīng)的區(qū)間長(zhǎng)度之間的比較來(lái)衡量。比值越小，小波邊緣效應(yīng)對(duì)提取信號(hào)振幅（信號(hào)的強(qiáng)弱）的影響越大。如果取標(biāo)準(zhǔn)小波的窗寬因子為3，周期為6年的信號(hào)對(duì)應(yīng)的區(qū)間長(zhǎng)度接近30年，而此次采用的數(shù)據(jù)時(shí)間跨度是57年，數(shù)據(jù)時(shí)間跨度不到區(qū)間長(zhǎng)度的2倍，邊緣效應(yīng)明顯，使得難以準(zhǔn)確地分離出目標(biāo)信號(hào)。
圖6. 利用該研究所提出的方法(NMWT+BEPME)提取的日長(zhǎng)亞十年振蕩結(jié)果（紅線）與原始信號(hào)（黑線）的比較：兩曲線總體上非常吻合，表明日長(zhǎng)亞十年變化特征可以很好地使用6年和8.6年兩種頻率信號(hào)的疊加解釋。
他們獨(dú)立發(fā)展的BEPME策略可以很好地彌補(bǔ)這一不足，從而準(zhǔn)確地分離出目標(biāo)諧波信號(hào)。該團(tuán)組研究結(jié)果表明，日長(zhǎng)亞十年變化中實(shí)際存在兩個(gè)主成分的周期信號(hào)，周期分別為6年及8.6年。如圖5所示，這兩個(gè)信號(hào)的疊加可以很好地解釋觀測(cè)到的日長(zhǎng)亞十年變化的時(shí)頻域特征。也就是說(shuō)，他們的工作否定了目前國(guó)際上已被廣泛接受的日長(zhǎng)變化亞十年周期信號(hào)中僅存在周期為6年的信號(hào)的觀點(diǎn)，首次發(fā)現(xiàn)了日長(zhǎng)亞十年變化中存在顯著的約8.6年周期的振幅增強(qiáng)信號(hào)，如圖8所示。
段鵬碩指著圖6，略加思索，充滿期待地說(shuō)：這批數(shù)據(jù)中還蘊(yùn)藏著一些有意思的問題，由我們工作重構(gòu)的日長(zhǎng)振蕩結(jié)果（紅線）與原始信號(hào)（黑線）總體擬合得很好，但在1972年和2014年左右卻稍有差別。那么為什么存在差別，便是我們接下來(lái)要重點(diǎn)攻關(guān)的問題。
這個(gè)新信號(hào)的極值時(shí)刻與地磁場(chǎng)的快速變化很可能有關(guān)系。
前人工作未能澄清日長(zhǎng)亞十年變化的不同物理起源問題，而他們的研究表明，日長(zhǎng)變化中周期約8.6年的信號(hào)很可能與液核表面赤道附近的扭轉(zhuǎn)阿爾芬波振蕩有關(guān)。
根據(jù)天體磁場(chǎng)的發(fā)電機(jī)理論，地球的磁場(chǎng)源于地球內(nèi)部的地核。內(nèi)核溫度高達(dá)約6000開爾文，向外散發(fā)熱量，推動(dòng)液態(tài)外核中的熔融鐵的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，如圖8中橙色的線所示。于是，導(dǎo)電流體在宇宙初始磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流，該電流又會(huì)激發(fā)產(chǎn)生新的磁場(chǎng)，如圖6中藍(lán)線所示。
圖7：地球發(fā)電機(jī)（地球磁場(chǎng)產(chǎn)生原理）示意圖。圖片來(lái)源：http://all-geo.org/highlyallochthonous/wp-content/uploads/2010/07/dynamo.jpg
電流和新產(chǎn)生的磁場(chǎng)形成的電磁力又會(huì)反過來(lái)影響著外核中導(dǎo)電流體的運(yùn)動(dòng)，從而形成一個(gè)可拋除初始磁場(chǎng)、能夠自維持的“地球發(fā)電機(jī)”。當(dāng)然，由于地球磁場(chǎng)在形態(tài)和演化上很復(fù)雜，而且地球內(nèi)部的物理參數(shù)非常極端，要精確重構(gòu)地球磁場(chǎng)的產(chǎn)生和演化，還需要更多深入的細(xì)致研究。
如果將磁場(chǎng)的磁力線想象成一根根琴弦，當(dāng)磁場(chǎng)收到擾動(dòng)時(shí)，磁力線這些琴弦就會(huì)振蕩，振蕩會(huì)沿著磁場(chǎng)傳播出去，便形成了阿爾芬波。當(dāng)磁力線聚集成一個(gè)個(gè)稱作‘磁流管’的管狀結(jié)構(gòu)，在磁流管中傳播的阿爾芬波就是扭轉(zhuǎn)阿爾芬波。該扭轉(zhuǎn)波向外傳播，與地幔發(fā)生耦合作用，從而導(dǎo)致日長(zhǎng)中出現(xiàn)同樣周期的波動(dòng)信號(hào)。
利用該團(tuán)組提出的數(shù)值模型，日長(zhǎng)變化中周期約8.6年的信號(hào)的極值時(shí)刻與地磁急變的發(fā)生之間存在密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
圖8. 該研究恢復(fù)的目標(biāo)8.6年周期振蕩與地磁急變(jerks)時(shí)刻(陰影矩形條帶)所示的對(duì)應(yīng)關(guān)系；紅色曲線是本文恢復(fù)的結(jié)果，綠線是紅線的最小二乘擬合結(jié)果，該結(jié)果可進(jìn)一步用于預(yù)測(cè)未來(lái)地磁急變發(fā)生的時(shí)間.
如圖8所示，1995年和2017年發(fā)生的地磁急變與該信號(hào)的極值時(shí)刻吻合地很好，據(jù)此，他們預(yù)測(cè)在最近的1到2年內(nèi)很可能會(huì)有一次新的地磁急變事件發(fā)生，預(yù)測(cè)事件發(fā)生的時(shí)間如圖8中黑色箭頭所標(biāo)示。
該研究的第二作者、上海天文臺(tái)的研究員黃乘利補(bǔ)充道，“目前地磁急變的預(yù)測(cè)是國(guó)際上的一個(gè)難題。我們的工作提供了一種新的研究入口，可以通過精確分離地球自轉(zhuǎn)的亞十年變化振蕩信號(hào)，預(yù)測(cè)未來(lái)地磁急變發(fā)生的時(shí)刻。也不難看出，通過地球自轉(zhuǎn)的精細(xì)變化特征的研究，可以深入研究地球深內(nèi)部的磁流體動(dòng)力學(xué)問題?！?
四、后記
時(shí)間的單位——平太陽(yáng)秒是以地球自轉(zhuǎn)周期作為基礎(chǔ)來(lái)確定的。地球自轉(zhuǎn)速率的變化，也就影響到與時(shí)間有關(guān)的科學(xué)，尤其是對(duì)時(shí)間精度高要求的學(xué)科。對(duì)于地球自轉(zhuǎn)變化的研究，應(yīng)用層面的意義不容小覷。而物理上，它是天文學(xué)為研究地球內(nèi)部而特制的“望遠(yuǎn)鏡”。
從認(rèn)識(shí)地球自轉(zhuǎn)變化的表現(xiàn)，到以日長(zhǎng)變化為例，了解科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)新信號(hào)、解釋新信號(hào)和提出預(yù)測(cè)的過程，這便是研究地球自轉(zhuǎn)最想實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。
在與該研究團(tuán)組的成員溝通過程中，筆者翻閱了他們參考的專業(yè)書籍，如《地球自轉(zhuǎn)》等，書本上的標(biāo)注和筆記密密麻麻；對(duì)于地球自轉(zhuǎn)變化的類別以及當(dāng)前研究進(jìn)展，他們充滿熱情地向筆者講述。談及他們獨(dú)立發(fā)展的“去小波邊緣效應(yīng)”的策略，段鵬碩直接拿起紙筆，寫起了邊緣效應(yīng)的區(qū)間長(zhǎng)度的公式，講起這種方法的技術(shù)細(xì)節(jié)。
從這些細(xì)節(jié)，不難窺見他們?cè)鷮?shí)的學(xué)術(shù)基礎(chǔ)，長(zhǎng)期的積累，對(duì)未知的好奇，對(duì)前沿問題的探索。腳踏實(shí)地，厚積薄發(fā)，讓這些從事基礎(chǔ)科研的科學(xué)家們一路走來(lái)，堅(jiān)定而從容。
參考資料：
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correspondence with geomagnetic jerks. Nature Communications. https://doi.org/10.1038 /s41467-020-16109-8.
2.Duan, P. S. & Huang, C. L.,(2020). On the mantle - inner core gravitational oscillation under
the action of the electromagnetic coupling effects. J. Geophys. Res: Solid Earth. 125, e2019JB018863.https:/doi.org/10.1029 /2019JB018863
3.https://www.nature.com/articles/s41467-020-16109-8
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原標(biāo)題：我們眼中星空的變化，不僅與頭頂?shù)男切怯嘘P(guān)，還與腳下的地球有關(guān)
