江苏
你或许以为，一天的长度从来不会改变——永远恰好是24小时。但如果以毫秒为尺度来衡量，就会发现事实并非如此。地球的自转速度会发生细微变化，使一天的长度随之缩短或延长。
几十年来，科学家已经知道，地球液态外核的旋转状态会在数十年间发生变化，并可以通过地球磁场的变化加以追踪。与此同时，包围地核的固态地幔也会相应改变旋转速度：当一方获得角动量，另一方就会相应失去角动量，从而使地球整体的角动量守恒。这种旋转速度的变化，会随着时间推移使一天的长度缩短或延长几毫秒。
然而，一个关键问题始终没有得到解决：地核与地幔之间究竟通过什么机制交换角动量？ 此前，科学家提出了多种可能的机制，但究竟哪一种主导着数十年尺度的变化，一直没有明确答案。
如今，在一项新发表于《自然》的研究中，研究团队将两类独立的信息结合起来——利用地震学观测重建固态内核的旋转，同时根据地球磁场的变化推断液态外核的流动——进而重建地球深处不同力矩随时间的变化。结果表明，跨越数十年的日长变化，主要由内核与地幔之间的引力力矩驱动。
三种力矩
地核与地幔之间究竟有哪些作用，能够传递足以改变日长的角动量？为回答这个问题，研究人员考察了三种候选机制：地形力矩、电磁力矩和引力力矩。
第一种作用发生在核幔边界。地幔最内侧的表面并不光滑，而是存在粗糙和不规则的起伏。因此，当液态外核在其表面流动时，会对它施加拖曳作用，由此产生一种被称为地形力矩的效应。
第二，地核内部熔融金属的流动会在具有导电性的最下部地幔中产生电流，进而产生电磁力，影响地幔的旋转。
第三种机制是内核与地幔之间的引力力矩。内核并非完美的球体，而是呈椭球形，而地幔内部的质量分布也不均匀。当液态外核中的电磁力和压力使内核相对于地幔转离平衡取向时，两者之间便会产生一种试图使它们重新对齐的引力恢复力矩。
寻找主导力矩
要比较这三种力矩，研究人员需要分别重建它们随时间如何变化。
为了估算发生在核幔边界的地形力矩和电磁力矩随时间的变化，研究人员使用了描述地球磁场演化和外核顶部流动的模型，重点研究了1964年至2019年这一时期的数据。
探索引力力矩则需要另一类线索。内核内部存在细微的空间差异，这意味着当地震波沿不同路径穿过时，传播速度也会不同。通过比较不同时期的地震学观测，就可以追踪内核的角位移如何随时间变化。研究人员采用此前发表的地震学结果，再结合引力耦合模型，重建了内核对地幔施加的引力力矩。
研究人员发现，在跨越数十年的时间尺度上，只有固态内核与地幔之间的引力力矩，其作用方向与实际观测到的地球自转速率变化相符——无论单独考虑这种引力力矩，还是同时考虑地形力矩和电磁力矩，都是如此。相比之下，电磁力矩和地形力矩所造成的日长变化方向与实际观测结果相反。
这表明，在数十年的时间尺度上，地球日长的变化主要由内核与地幔之间的引力力矩驱动，而作用于核幔边界的电磁力矩和地形力矩则主要起抵抗作用。
进一步探索
这项研究的意义并不止于解释一天为什么会发生几毫秒的变化。由于不同力矩的大小和作用方式取决于地球深处物质的结构与性质，研究人员也可以反过来利用地球自转的变化，约束那些几乎无法直接观测的地球最深部区域。
不过，这幅图景仍远未完整。要最终解释不同时间尺度上的日长变化，研究人员希望建立一个统一模型：使用同一组参数，就能够再现跨越广泛时间尺度的地球自转变化。这还需要更精确的内核旋转观测、更完善的地磁场和外核流动模型，以及对地球最深处物质性质更准确的认识。
虽然很可能还存在其他尚未明确的影响因素，但这一解释揭示了导致地球日长变化的一个重要机制，为这个长期悬而未决的问题提供解释。
#参考来源：
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10999-2
https://www.nature.com/articles/d41586-026-02773-1
https://www.wired.com/story/gravitational-struggle-deep-in-earth-is-changing-length-of-days/
#图片来源：
封面及首图：Wikipedia Commons
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