星空在一年四季中是有规律变化的（我们眼中星空的变化）
星空在一年四季中是有规律变化的（我们眼中星空的变化）从地球北半球看，北极星的位置几乎不变，这是因为它几乎正对着地球自转轴。昼夜交替，日月星辰东升西落，背后的原因是地球自西向东的自转。地球围绕一条通过地心、连接南北极的假想轴转动，这就是地球自转，而那根假想轴被称作自转轴。图1 来源：作者提供但根据中科院上海天文台的科学家们对地球自转的研究，在未来，北极星的这一作用将被织女星替代。科学家为什么要研究地球自转变化？地球自转的变化对我们眼中的星空有什么影响呢？
出品：科普中国
制作：左文文、段鹏硕、黄乘利（中国科学院上海天文台天之文科普团队）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
北极星是现在最靠近北天极的一颗星，对于身处北半球的人来说，它的位置几乎不变，可以用它来辨别方向。
图1 来源：作者提供
但根据中科院上海天文台的科学家们对地球自转的研究，在未来，北极星的这一作用将被织女星替代。
科学家为什么要研究地球自转变化？地球自转的变化对我们眼中的星空有什么影响呢？
一、地球自转一直在变化，而且变化相当复杂昼夜交替，日月星辰东升西落，背后的原因是地球自西向东的自转。地球围绕一条通过地心、连接南北极的假想轴转动，这就是地球自转，而那根假想轴被称作自转轴。
从地球北半球看，北极星的位置几乎不变，这是因为它几乎正对着地球自转轴。
但地球自转一直是恒定的吗？
答案是否定的！
地球的自转一直在变化，而且变化得相当复杂，既有"岁差-章动"，还有"极移"和"日长变化"。
1. 岁差-章动：自转轴的陀螺式转动和点头
地球围绕着自转轴转动。
在地球自转的同时，自转轴也在转动，就像一个陀螺，会造成天极约每2.6万年围绕黄极转动一周（如图2所示），这便是岁差。
图2：地球自转轴围绕黄极转动的示意图，图片版权：上海天文台
陀螺式运动的同时，天极还相对于黄极若即若离，摆动周期小于18.6年，这就是章动。
看到这里，您可能有点糊涂了。天极、黄极是什么意思？别着急，听笔者慢慢道来。
为了研究天体的位置和运动，科学家们假想出一个球体——天球，以地球质心为中心，半径无限长，如图3所示。
图3：赤道、黄道、北天极、北黄极的示意图，图片版权：上海天文台
地球表面的点随着地球自转产生的轨迹中，最长的圆周线称作赤道，而赤道所在的平面称作赤道面，赤道面将天球分为北天球和南天球两部分。赤道与北、南天球相交的点分别是北天极和南天极。地球围绕太阳公转，轨道平面被称作黄道面。假想一条直线经过地球球心，垂直于黄道面，它与北、南天球各相交于一点，分别称作北黄极和南黄极。
赤道面与黄道面之间夹角23度26分，两者在天球上存在两个交点，相距180度，分别称作春分点和秋分点。
从地球上看，太阳沿着黄道面运动，从赤道面以南向北通过天赤道的那个交点是春分点；而太阳从北向南通过天赤道的那个交点是秋分点。太阳通过春分点到达最北的那一点称作夏至点，太阳通过秋分点到达最南的那一点称作冬至点。
早在公元前，人们就发现了地球自转变化导致的异常。
公元前二世纪，古希腊天文学家喜帕恰斯（图3）为850颗亮星编制了星表。与150年前人们在亚历山大城编制的约20颗星的星表进行比较后，他发现在这150年里，这些恒星相对于春分点的位置向东移动了近2度。他推测这可能是春分点沿着黄道面后退的结果，进而推算出春分点每100年向西移动1度。
这是人类首次发现岁差的证据，结果与现在推算出的每76年向西移动1度存在一定差距。
图4：古希腊天文学家喜帕恰斯，图片来源：wiki
在我国古代，人们通过观测冬至点的移动来推求岁差。
晋代虞喜根据《尧典》记载了解到，在尧的时代，冬至黄昏，头顶会看到昴宿；而时隔2700余年，他自己的实测显示，冬至黄昏，头顶看到的星宿不是昴宿，而是相距50多度的东壁了。据此他推断出，冬至点每50年向西移动1度，并创立了岁差的概念。
中国古人还首度将岁差纳入历法计算。
为什么存在岁差，牛顿最早给出了理论解释。
地球是一个椭球，赤道部分较为突出，两极稍扁。相比于对非赤道部分的引力，太阳和月球对赤道突出部分的引力更大，造成自转轴绕着黄极转动，北天极沿着与黄道面平行的平面向西移动，大约每2.6万年移动一周，即每76年约移动1度。除了日月造成的岁差，在其它行星的引力作用下，还存在微弱的附加岁差。如果地球是一个正球体，或者地球赤道面与黄道面以及白道面重合，在忽略其它行星对地球的作用后，将不会出现岁差现象。
日、月轨道的复杂相互作用，又产生了许多短周期振动，这些短周期通常小于18.6年，主要体现为一种北天极相对于北黄极若即若离的点头式运动，它们便是通常的所谓章动。
2. 极移：研究极移数据 让我们更好地了解地球
地球自转轴与地球表面有两个交点，以其中一个交点为例，地球在表面大气、内部流体等影响下，该交点在地球表面的位置并不是固定不变的，而会发生移动，这便是极移。在交点位置变化的区域内，确定一个参考点，参考点与地球质心的连线为参考轴，固定在地球上。你会发现，极移就是指自转轴相对于固定在地球上的参考轴的"漂"。根据近80年来的天文观测资料，发现了极移数据中包含着多个周期的极移，如周期接近14个月的张德勒周期极移，周期为一个月、半个月和一天左右的各种短周期极移等。造成极移的因素很多，包括外部因素和内部因素，外部因素涉及日、月引力以及大气和海洋的作用，内部因素则涉及到地幔、地核等内部结构的物理机制。
因此，如果我们研究极移的观测数据，反过来可以帮助探究地球的外部因素和内部结构。
目前，上海天文台地球自转变化课题组的科研人员正着力于开展工作，利用观测的极移数据来探测地球深内部大尺度的流体运动（例如液核振荡）和固体内核摆动；同时开展数值模拟工作，探究地球深内部流体以及内核运动如何影响极移。
3. 日长变化：地球自转的变慢 让白天和黑夜都变得更长
由于月球和太阳对地球的潮汐作用，地球的自转越来越慢，日长不断变长，即白天和黑夜时间都在变长，平均约每100年变长0.002秒。
除了自转速率越来越慢，科学家们还发现自转速率存在周期性的变化。日长变化具有从一天到数十年、甚至更长期的变化频谱，分别对应于不同的天文和地球物理机制。一般认为，尺度为数十年的年代际变化和尺度约5到10年的亚十年变化很可能与地球深内部物理有关。
二、自转轴指向参数：除地震学以外，研究地球深内部的重要手段上述提到的岁差-章动、极移和日长变化，在物理上用自转轴指向参数（Earth Orientation Parameters; EOP）表示。它们都反映了地球的整体运动及其随时间变化的重要信息。
EOP被认为是除地震学之外，另一种研究地球深内部物理学的重要手段，是天文学为研究地球内部而特制的"望远镜"，一直是科学家们重点测量和研究的对象之一。
图5：地球内部结构的艺术家想象图，图片来源：《国家地球儿童版》网站
如图5所示，从外到内，地球内部的圈层包括地壳、地幔、流体外核和固体内核。它们具有怎样的物理结构，运动状态如何？它们相互之间正在发生哪些动力学耦合作用？液核中的磁场是如何产生、维持、变化的？这些神秘而重要的科学信息对理解我们所处的地球并进而推广到对其它类地行星的研究等都至关重要。
令人遗憾的是，所有这些信息我们都不能从地表或空间直接观测得到。但幸运的是，上述这些问题都可以通过对EOP变化的精细特征入手进行间接"观测"和研究。
接下来，就请随笔者去了解上海天文台的地球自转变化课题组最新发表的研究成果，看看他们从日长变化的数据中发现了什么。
三、首次发现日长变化中的一个新信号近日，中国科学院上海天文台动力学研究中心地球自转变化课题组、中国科学院行星科学重点实验室在EOP参数之日长变化研究方向取得了新进展，首次发现了日长变化中存在显著的约8.6年周期的振幅增强信号，并首次发现该振荡的极值时刻与地磁场的快速变化的发生存在密切的对应关系。
目前这项研究成果已经在线发表在国际著名综合期刊《自然·通讯》（Nature Communications）（后文简写成"该研究"）；另一项关于日长变化6年信号的检测及其衰减和激发的物理机制的最新研究也发表在国际知名地学期刊《地球物理学研究杂志：固体地球物理学》（Journal of Geophysical Research: Solid Earth）。
关于日长变化的精细时变特征和相关的物理原因，目前该领域还所知甚少，但这部分的研究对于进一步了解地核的年际运动特征以及解决地磁场快速变化的起源问题具有重要意义。地磁场的快速变化被称作地磁急变（"jerk"）。
据该研究的第一作者、上海天文台的段鹏硕副研究员介绍，他们的研究采用了国际地球自转服务系统(IERS)提供的1962至2019年近57年的日长变化数据，结合大量数值模拟算例分析，基于标准小波时频变换方法(NMWT)和他们独立发展的"去小波边缘效应"(BEPME)的策略"，准确地分离出目标谐波信号。
虽然NMWT方法具有很高的频率分辨能力 能区分日长亚十年变化中不同的频率成分，然而该方法具有显著的边缘效应问题。所谓NMWT边缘效应，可以用观测时间序列的跨度与边缘效应的区间长度之间的比较来衡量。比值越小，小波边缘效应对提取信号振幅（信号的强弱）的影响越大。如果取标准小波的窗宽因子为3，周期为6年的信号对应的区间长度接近30年，而此次采用的数据时间跨度是57年，数据时间跨度不到区间长度的2倍，边缘效应明显，使得难以准确地分离出目标信号。
△图6. 利用该研究所提出的方法(NMWT BEPME)提取的日长亚十年振荡结果（红线）与原始信号（黑线）的比较：两曲线总体上非常吻合，表明日长亚十年变化特征可以很好地使用6年和8.6年两种频率信号的叠加解释。
他们独立发展的BEPME策略可以很好地弥补这一不足，从而准确地分离出目标谐波信号。该团组研究结果表明，日长亚十年变化中实际存在两个主成分的周期信号，周期分别为6年及8.6年。如图5所示，这两个信号的叠加可以很好地解释观测到的日长亚十年变化的时频域特征。也就是说，他们的工作否定了目前国际上已被广泛接受的日长变化亚十年周期信号中仅存在周期为6年的信号的观点，首次发现了日长亚十年变化中存在显著的约8.6年周期的振幅增强信号，如图8所示。
段鹏硕指着图6，略加思索，充满期待地说：这批数据中还蕴藏着一些有意思的问题，由我们工作重构的日长振荡结果（红线）与原始信号（黑线）总体拟合得很好，但在1972年和2014年左右却稍有差别。那么为什么存在差别，便是我们接下来要重点攻关的问题。
这个新信号的极值时刻与地磁场的快速变化很可能有关系。
前人工作未能澄清日长亚十年变化的不同物理起源问题，而他们的研究表明，日长变化中周期约8.6年的信号很可能与液核表面赤道附近的扭转阿尔芬波振荡有关。
根据天体磁场的发电机理论，地球的磁场源于地球内部的地核。内核温度高达约6000开尔文，向外散发热量，推动液态外核中的熔融铁的对流运动，如图8中橙色的线所示。于是，导电流体在宇宙初始磁场中的运动产生电流，该电流又会激发产生新的磁场，如图6中蓝线所示。
△图7：地球发电机（地球磁场产生原理）示意图。图片来源：http://all-geo.org/highlyallochthonous/wp-content/uploads/2010/07/dynamo.jpg
电流和新产生的磁场形成的电磁力又会反过来影响着外核中导电流体的运动，从而形成一个可抛除初始磁场、能够自维持的"地球发电机"。当然，由于地球磁场在形态和演化上很复杂，而且地球内部的物理参数非常极端，要精确重构地球磁场的产生和演化，还需要更多深入的细致研究。
如果将磁场的磁力线想象成一根根琴弦，当磁场收到扰动时，磁力线这些琴弦就会振荡，振荡会沿着磁场传播出去，便形成了阿尔芬波。当磁力线聚集成一个个称作'磁流管'的管状结构，在磁流管中传播的阿尔芬波就是扭转阿尔芬波。该扭转波向外传播，与地幔发生耦合作用，从而导致日长中出现同样周期的波动信号。
利用该团组提出的数值模型，日长变化中周期约8.6年的信号的极值时刻与地磁急变的发生之间存在密切的对应关系。
△图8. 该研究恢复的目标8.6年周期振荡与地磁急变(jerks)时刻(阴影矩形条带)所示的对应关系；红色曲线是本文恢复的结果，绿线是红线的最小二乘拟合结果，该结果可进一步用于预测未来地磁急变发生的时间.
如图8所示，1995年和2017年发生的地磁急变与该信号的极值时刻吻合地很好，据此，他们预测在最近的1到2年内很可能会有一次新的地磁急变事件发生，预测事件发生的时间如图8中黑色箭头所标示。
该研究的第二作者、上海天文台的研究员黄乘利补充道，"目前地磁急变的预测是国际上的一个难题。我们的工作提供了一种新的研究入口，可以通过精确分离地球自转的亚十年变化振荡信号，预测未来地磁急变发生的时刻。也不难看出，通过地球自转的精细变化特征的研究，可以深入研究地球深内部的磁流体动力学问题。"
四、后记时间的单位——平太阳秒是以地球自转周期作为基础来确定的。地球自转速率的变化，也就影响到与时间有关的科学，尤其是对时间精度高要求的学科。对于地球自转变化的研究，应用层面的意义不容小觑。而物理上，它是天文学为研究地球内部而特制的"望远镜"。
从认识地球自转变化的表现，到以日长变化为例，了解科学家们发现新信号、解释新信号和提出预测的过程，这便是研究地球自转最想实现的目标。
在与该研究团组的成员沟通过程中，笔者翻阅了他们参考的专业书籍，如《地球自转》等，书本上的标注和笔记密密麻麻；对于地球自转变化的类别以及当前研究进展，他们充满热情地向笔者讲述。谈及他们独立发展的"去小波边缘效应"的策略，段鹏硕直接拿起纸笔，写起了边缘效应的区间长度的公式，讲起这种方法的技术细节。
从这些细节，不难窥见他们扎实的学术基础，长期的积累，对未知的好奇，对前沿问题的探索。脚踏实地，厚积薄发，让这些从事基础科研的科学家们一路走来，坚定而从容。
参考资料：
1.Duan P. S. & Huang C. L. (2020). Intradecadal variations in length of day and their
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
4.https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2019JB018863
文章仅代表作者观点，不代表中国科普博览立场
