竇忠 中國科學院國家授時中心副主任
近日（2024年3月27日），英國《自然》雜志發文稱，氣候變化導致地球自轉速度減慢，并影響到全球計時。文章認為，近年來，由于地核變化，本來地球自轉速度是突然變快了，有可能出現人類歷史上首次“負閏秒”，然而，氣候變暖致使地球兩極冰冠加速融化，減慢了地球自轉速度，這或導致“負閏秒”推遲出現。
這是怎么回事？“負閏秒”出現或推遲出現，跟我們又有什么關系呢？
什么是閏秒？為何還分正負？
世界上有兩種常用計時系統，分別是基于地球自轉的世界時（UT1）和基于原子振蕩周期的國際原子時（TAI）。由于地球自轉速度的不均勻性，隨著時間推移，兩個計時系統之間會出現時差，因此有了“協調世界時”（UTC）的概念?！皡f調世界時”以國際原子時秒長為基礎，在時刻上盡量接近世界時。當協調世界時（UTC）與世界時（UT1）的時刻差預測值超過0.9秒時，給予協調世界時一個整秒的調整，這就是閏秒。
圖1：在國際原子時中插入閏秒，就是協調世界時
將協調世界時向后撥1秒（增加1秒），即正閏秒，或向前撥1秒（刪減1秒），即負閏秒。
圖2：正閏秒和負閏秒
從1972年協調世界時（UTC）誕生以來，一共實施了27次閏秒，都是正閏秒，負閏秒從未被使用過。也就是說，這52年間，地球自轉速率相對原子時速率一直在減慢，規律大致是“三年兩閏”。但也不一定，比如，1998年到2005年時隔7年沒有閏秒，2017年至今也一直沒有閏秒，這說明地球自轉速率在這兩個時期并沒有持續減慢。
圖3：從1958年至今，協調世界時和國際原子時差了37秒；1972年至今，共閏秒27次，均為正閏秒。
為何極地融冰會推遲“負閏秒”的到來？
受潮汐等因素影響，地球自轉長期處于不斷減慢的趨勢，因此迄今為止的閏秒調整都是正閏秒。
美國加利福尼亞大學圣迭戈分校海洋研究所地球物理學家鄧肯·阿格紐借助衛星數據，研究了地球自轉速率和地核運動的影響。他說，近年來，地核液態部分自轉角速度以恒定變化率持續下降，這導致地球其余固態部分自轉角速度增加。在這種效應影響下，如果不考慮兩極融冰，地球上可能最早于2026年需要進行首次負閏秒調整。
圖4：從1972年至今52年的實測世界時UT1和協調世界時UTC差的曲線。
這是從1972年至今52年的實測UT1和協調世界時UTC差的曲線。從圖中可以看出，dUT1（UT1和UTC之差）在半個世紀內一直都是向下，接近0.9秒時，國際地球自轉服務組織（IERS）根據曲線趨勢，就會適時啟動閏秒（曲線上拉回1秒）。這52年中共發生了27次閏秒，都是“正閏秒”。然而，從2020年年中以來，這條曲線確實發生了趨勢逆轉，而且有可能在未來幾年觸發史上首次“負閏秒”。
然而，近幾十年來，由于格陵蘭島和南極洲冰融化加快，部分地球質量從兩極向赤道附近轉移，這導致地球自轉角速度減慢。這就類似于花樣滑冰運動員將手臂舉過頭頂時會加速旋轉，當他們將手臂由頭頂伸向身體兩側會使旋轉速度慢下來。受此影響，阿格紐預測首次負閏秒調整可能將推遲到2029年。
負閏秒對我們的影響？
全球變暖影響到地球自轉速率的變化，而地球自轉速率與世界時（UT1）息息相關。全球變暖導致兩極冰冠加速融化，部分地球質量從兩極向赤道附近轉移，讓固體地球角速度的減慢速度比之前更快了。這將直接導致世界時（UT1）的秒長變長，從而影響到閏秒的頻率，進而影響到國際標準時間——協調世界時的跳秒。
世界時（UT1）是基于地球自轉的時間尺度，是構成國家標準時間的重要參量。世界時測量服務是授時、衛星導航、深空探測和高精度天體測量等領域所必需的基礎服務。近年來，國家授時中心建立了VLBI測量系統和天頂照相望遠鏡為主的世界時測量系統，通過融合寬帶VLBI的UT1和國際GNSS監測評估系統(iGMAS)的日長變化，目前已初步實現了世界時的自主測量與數據服務，精度達到100，已經能夠初步滿足我國各項工作的需求。
鑒于閏秒會對需要連續計時的通信、導航、網絡等的運行造成一定影響，近年來，閏秒的廢存引起了廣泛爭議。每次與之相關的國際會議都會因為對于閏秒保留與取消的優缺點論據不足，以及取消閏秒后還沒有給出明確的安全過渡方案而難以達成一致的意見。2022年第27屆國際計量大會上再次討論該議題，會議結論是最遲不晚于2035年取消閏秒。并要求各方協商提出一個可以將“協調世界時”持續至少百年的新方案，或許是“閏分”。會議決定爭取在2026第28屆國際計量大會時給出UTC與UT1的最終差值，并逐步討論取消閏秒后在時間應用方面的技術過渡方案。
鑒于國家授時中心在世界時自主性方面已經取得的工作，再通過十多年的努力，2035年閏秒的取消與否將不會影響我國的經濟社會發展和國家安全。
2035年取消閏秒之前，或出現人類歷史上第一次，也是最后一次“負閏秒”，讓我們拭目以待?！柏撻c秒”的到來，或許會對全球的計算機系統帶來挑戰。阿格紐說：“此前沒有人注意到這個問題，因為計算機系統只會面對 ‘正閏秒’的情況，沒人能真正預判到‘負閏秒’的到來，因此我們無法預估即將面對的混亂情況到底會達到怎樣的規模?！?/p>
本文為科普中國·星空計劃扶持作品
作者名稱：竇忠
審核：高喆 中國科學院國家授時中心
出品：中國科協科普部
監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
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