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天體物理學家揭示為什么地球的一天在十億多年里一直是19.5小時

地球


天體物理學家揭示為什么地球的一天在十億多年里一直是19.5小時


一組天體物理學家已經表明，從大約20億年前到6億年前，由太陽驅動的大氣潮汐抵消了月球的影響，使地球的自轉速率保持穩定 ， 一天的長度保持在恒定的19.5小時 。致謝:凱文·m·吉爾
據多倫多大學：多倫多大學(U of T)的一個天體物理學家小組揭示了由月球潮汐引力引起的地球一天緩慢而穩定的延長是如何停止了十億多年的 。
他們表明，從大約20億年前到6億年前，由太陽驅動的大氣潮汐抵消了月球的影響，使地球的自轉速率保持穩定 ， 一天的長度保持在恒定的19.5小時 。
如果沒有這十億年來地球自轉變慢的停頓 ， 我們現在的一天24小時將會延長到60多小時 。
描述結果的研究，“為什么一天有24小時長；地球大氣熱潮汐、成分和平均溫度的歷史”發表在今天的《科學進展》雜志上 。利用地質證據和大氣研究工具，科學家們表明，太陽和月亮之間的潮汐僵局是由大氣溫度和地球自轉速率之間偶然但非常重要的聯系造成的 。
這篇論文的作者包括諾曼·默里，一位來自T大學加拿大理論天體物理研究所(CITA)的理論天體物理學家；武漢大學物理系研究生吳漢波 ， ；多倫多斯卡伯勒大學天文與天體物理學系和物理與環境科學系；Jeremy Laconte，波爾多天體物理實驗室，前CITA博士后研究員；和克里斯托弗·李，麻省理工大學物理系
當月球在大約45億年前首次形成時，一天不到10個小時 。但從那以后，月球對地球的引力一直在減緩我們地球的自轉，導致一天越來越長 。今天 ， 它繼續以每世紀1.7毫秒的速度增長 。

天體物理學家揭示為什么地球的一天在十億多年里一直是19.5小時


地球大氣的功率譜 。x軸是波長，例如，對于從西向東傳播的波 ， 5是地球周長的五分之一的波長，而-5表示相同的波長，但是對于從東向西傳播的波 。y軸是頻率，以每天的周期為單位，例如2表示每天兩個周期，即12小時 。棕色的細線顯示了太陽在一、二、三等位置的作用力 。每天的周期數(24小時、12小時、8小時等) 。鳴謝:阪崎&漢密爾頓
月球通過拉扯地球的海洋來減緩地球的自轉，在地球的相對兩側產生潮汐隆起，我們經歷了高潮和低潮 。月球對這些凸起的引力 ， 加上潮汐和海底之間的摩擦，對我們旋轉的星球起到了剎車的作用 。
“陽光也產生了具有相同類型凸起的大氣潮汐，”默里說 ?！疤栆瓌舆@些大氣凸起，對地球產生一個扭矩 。但它沒有像月球那樣減緩地球的自轉，反而加速了地球的自轉 ?！?br>在地球地質歷史的大部分時間里，月球潮汐比太陽潮汐強10倍左右；因此，地球的旋轉速度變慢，白晝變長 。
但是大約20億年前，大氣凸起更大，因為大氣更溫暖，因為它的自然共振——波穿過它的頻率——與一天的長度相匹配 。
大氣就像一個鐘，在由包括溫度在內的各種因素決定的頻率下共振 。換句話說，就像1883年印度尼西亞喀拉喀托火山大爆發所產生的波浪一樣，波浪通過它的速度取決于它的溫度 。同樣的原理解釋了為什么當溫度不變時，鐘總是發出同樣的聲音 。
在地球歷史的大部分時間里，大氣共振一直與地球的自轉速率不同步 。今天，兩次大氣“漲潮”各需要22.8小時環游世界；因為共振和地球24小時自轉周期不同步，大氣潮汐相對較小 。

天體物理學家揭示為什么地球的一天在十億多年里一直是19.5小時


默里和他的合作者在他們的研究中依賴于地質證據，比如這些來自潮汐河口的樣本，它們揭示了大潮和小潮的循環 。信用:通用電氣威廉姆斯
但在研究的十億年期間，大氣更溫暖，并以大約10小時的周期產生共振 。此外，在那個時代的到來，地球的自轉，被月球減慢，達到20小時 。
當大氣共振和一天的長度變成偶數因子(10和20)時，大氣潮汐得到加強，凸起變得更大 ， 太陽的潮汐引力變得足夠強，可以抵消月球潮汐 。
“這就像推一個蕩秋千的孩子 ， ”默里說 ?！叭绻愕耐七M力和擺動的周期不同步，它不會走得很高 。但是，如果它們是同步的，當秋千在它行程的一端停下來時，你正在推動，這種推動會增加秋千的動量，它會走得更遠更高 。大氣共振和潮汐就是這樣發生的 。”
除了地質證據，默里和他的同事們還利用全球大氣環流模型(GCMs)預測了這一時期的大氣溫度 。大氣環流模型和氣候學家用來研究全球變暖的模型是一樣的 。根據Murray的說法，他們在團隊研究中表現如此出色的事實是一個及時的教訓 。
“我和那些對氣候變化持懷疑態度的人談過，他們不相信告訴我們我們正處于氣候危機的全球循環模型，”默里說 ?！拔腋嬖V他們:我們在研究中使用了這些全球循環模型，他們是對的 。他們工作 ?！?br>盡管它在地質歷史上很遙遠，但這一結果為氣候危機增加了額外的視角 。因為大氣共振隨溫度而變化，默里指出，我們當前變暖的大氣可能會對這種潮汐不平衡產生影響 。
“隨著全球變暖 ， 我們增加了地球的溫度，我們也使共振頻率變得更高——我們正在使我們的大氣層遠離共振 。結果 ， 來自太陽的扭矩減少了，因此，白天會變得更長，比其他情況下更快 ?！?br/>