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嚴(yán)重影響全球各地的氣候和生態(tài)，但是可能很少聽說它竟然還會影響到時間。更令人意料之外的是，我們本來應(yīng)該在2026年“失去的一秒”也可能因此被推遲了！

圖片來源：veer圖庫

世界時與協(xié)調(diào)世界時

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

一般來說，任何一個能觀測到的周期運動，只要能滿足下列條件都可以作為時間基準(zhǔn)：

• 能做連續(xù)的周期性運動，且運動周期十分穩(wěn)定；

• 運動周期具有很好的復(fù)現(xiàn)性。

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

鐘表中的擺輪，這就是一個周期性運動的設(shè)備

（圖片來源：Wikipedia）

古人“日出而作，日落而息”，在日常生活中，人們已經(jīng)習(xí)慣用太陽來確定時間，安排工作和休息。真太陽時就是以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，太陽中心為參考點的。太陽連續(xù)兩次通過某地的子午線的時間間隔稱為一個真太陽日，以其為基礎(chǔ)均勻分割后得到真太陽時系統(tǒng)中的“小時”、“分”和“秒”。真太陽時在數(shù)值上等于太陽中心相對于本地子午圈的時角（太陽時角即從觀測點天球子午圈沿天赤道量至太陽所在時圈的角距離。地球自轉(zhuǎn)一周360度，對應(yīng)的時間為24小時，即每小時相應(yīng)的時角為15o），再加上12小時。

然而，實際上真太陽時的長度并不一致。這是由于兩方面的原因?qū)е碌?，一方面地球圍繞太陽的公轉(zhuǎn)軌道為一橢圓，據(jù)開普勒行星運動第二定律，行星繞太陽公轉(zhuǎn)時，它與太陽連線在相同時間內(nèi)掃過的面積是相等的。這意味著，當(dāng)?shù)厍蚩拷枺丛诮拯c時），它的實際速度（線速度和角速度）會更快，因為它需要在相同時間內(nèi)掃過更大的距離來保持與太陽連線掃過的面積相等。相對地，在遠(yuǎn)日點（離太陽最遠(yuǎn)的點）地球的速度會減慢。

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

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

地球的黃道面和赤道面（圖片來源：Wikipedia）

為了彌補(bǔ)真太陽時不均勻的缺陷，人們便設(shè)想一個假太陽來代替真太陽，它和真太陽有兩點不同：（1）周年視運動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，等于真太陽的平均角速度，我們稱這個假太陽為平太陽。格林尼治起始子午線處的平太陽時就稱為世界時。

在1955年之前，由于受觀測精度和計時工具的限制，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于太陽旋轉(zhuǎn)一周所用時間的特定分?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，且人們對時間和頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的要求越來越高，以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的世界時已經(jīng)越來越難以滿足要求了。

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

穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性都很好的原子時能滿足高精確度時間間隔測量的要求，因此被很多部門所采用。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，離不開世界時。比如在地圖制作中，需要考慮到地球的自轉(zhuǎn)效應(yīng)，世界時可用于精確計算經(jīng)度，從而確保地圖的準(zhǔn)確性。由于原子時是一種均勻的時間系統(tǒng)，而地球自轉(zhuǎn)卻是不均勻的，所以原子時和世界時之間將會存在差異。

為同時兼顧各個領(lǐng)域的 需求，國際無線電科學(xué)協(xié)會于20世紀(jì)60年代建立了協(xié)調(diào)世界時。 協(xié)調(diào)世界時的秒長嚴(yán)格等于原子時的秒長，而協(xié)調(diào)世界時與世界時間的時刻差規(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“閏秒”這個詞可能會感到陌生，但是對“閏月”一定很熟悉。其實，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)世界時與世界時的時刻差保持在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年以來實施的27次正閏秒。在一般情況下，當(dāng)我們打開手機(jī)計時發(fā)現(xiàn)此時正好是07:59:59（北京時間），那么下一秒將會是08:00:00，但是如果此時正在實施正閏秒的調(diào)整，將會顯示07:59:60這一特殊的時刻。

UTC（北京時間-8小時）實施的27次正閏秒

由于全球變暖而“展開手臂”的地球

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

美國加利福尼亞大學(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，一天的長度回到了19世紀(jì)的值。因此，閏秒發(fā)生的頻率越來越低。如果照這一趨勢發(fā)展下去，世界時的秒長將會變得比協(xié)調(diào)世界時的秒長短，我們將會在2026年（也就是今年）首次實施負(fù)閏秒的調(diào)整。

但是在全球變暖的大背景下，事情似乎沒有那么簡單。2024年，阿格紐發(fā)表于英國《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)量會向赤道附近轉(zhuǎn)移，地球會更變得越來越“扁平”，使得固體地球的慣性矩增大。由于角動量守恒，地球就像在冰上的舞者，展開手臂增大慣性矩，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，可能會使負(fù)閏秒的調(diào)整推遲至2029年。該文章還預(yù)測，如果冰川融化速度是當(dāng)前速度的100倍，將不會發(fā)生負(fù)閏秒，甚至?xí)?040年進(jìn)行正閏秒的調(diào)整。

全球變暖對計時的影響

雖然1秒的時間對于我們的日常生活來說幾乎沒有感覺，但是金融貿(mào)易等領(lǐng)域的計算系統(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)閏秒會帶來一些計時的問題。

由于閏秒的不可預(yù)測性給龐大的全球基礎(chǔ)設(shè)施的同步帶來諸多不便，2022年第27屆國際計量大會決定，最遲不晚于2035年廢除閏秒，并要求各方協(xié)商提出一個可以將協(xié)調(diào)世界時持續(xù)至少百年的新方案，解決這個問題的一個可能方法是讓世界時和協(xié)調(diào)世界時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影響我們的計時，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，我們可能會經(jīng)歷第一次也可能是最后一次負(fù)閏秒。到那時，我們可以打開手機(jī)上的時鐘，親眼見證一下歷史性的一幕！

作者：方婧

作者單位：中國科學(xué)院國家授時中心

（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（ID：kexuedayuan）。

科學(xué)大院是中國科學(xué)院官方科普微平臺，致力于最新科研成果的深度解讀、社會熱點事件的科學(xué)發(fā)聲

主辦機(jī)構(gòu)：中國科學(xué)院學(xué)部工作局

運行機(jī)構(gòu)：中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

技術(shù)支持：中國科普博覽