NASA揭開兩個有關地球搖擺的謎題！

地球並不總是繞著極點連成的自轉軸在旋轉。隨著時間流逝，它會不規律地擺動，在20世紀的大部分時間裡，自轉軸都是向著北美的方向移動（綠色箭頭處）。由於地球上水質量的改變,造成其方向發生了巨大變化。

圖片來源:NASA/JPL-Caltech

大約在2000年以前，地球的自轉軸是向加拿大方向偏移的（綠色箭頭處，左圖）。噴氣推進實驗室（JPL）的科學家們計算了不同地區水體質量（中圖）對牽拉自轉軸向東偏移及其速率變化的影響（右圖）。

圖片來源：NASA/JPL-Caltech

圖示為陸地水體質量和地球自轉軸東--西之間搖擺的關係。歐亞大陸的水量流失會使自轉軸大體向東擺動（上圖），而歐亞大陸水量的增加則將自轉軸向西推（下圖）。

圖片來源: NASA/JPL-Caltech

NASA的科學家利用地球水體遷移的衛星數據已經解開了兩條關於地球自轉擺動的謎題 — 一條是新的，而另一條距今已有一個多世紀。這項研究也許能幫助我們增進對過去和未來氣候的了解。

雖然地球儀永遠在繞著它的南北極點連成的自轉軸穩穩地轉著，但真實的地球自轉是會擺動的。地球的自轉軸緩慢地在極點周圍游移；自觀測以來，最遠的一次偏移距離極點37英尺（12米）。這些擺動並不影響我們的日常生活，但如果想在GPS、地球觀測衛星和地面天文台獲得準確結果，就必須要重視它們。

在發表於《科學進展》上的一篇論文中，加州帕薩迪納NASA噴氣推進實驗室的Surendra Adhikari和Erik Ivins研究了地球水體遷移是如何促使地球自轉擺動的。早先的研究已經準確指出了地球表面或內部的動向和地球晃動方式之間的諸多聯繫。比如地幔仍在重新適應上一次冰河時代後北美洲流失的冰，北美大陸下面的水體質量減少將自轉軸以每年幾英寸的速度拉向加拿大。然而，還有一些移動仍然無法解釋。

向東急轉

在2000年前後，地球的自轉軸突然向東急轉，並且以之前兩倍的速度在移動，大約每年7英寸（17厘米）。「它不再向哈德遜灣移動了，而朝向了不列顛群島。」Adhikari說。「那是一次非常大的擺動。」Adhikari和Ivins開始解釋這次出乎意料的變化。

科學家們曾提出，格陵蘭島和南極大陸因冰蓋迅速融化而流失的水體質量可能正是導致自轉軸向東偏轉的原因。NASA/德國太空中心重力恢復與氣候實驗（German Aerospace Center Gravity Recovery and Climate Experiment，GRACE）的衛星給出了每個月地球質量分布的變化記錄，噴氣推進實驗室的科學家們利用這些數據評估了這項猜測。這些變化很大程度上是由降雪積聚、地下水枯竭等這些日常的水流移動造成的。他們計算了2003至2015年間，地球上的水體在海陸間循環的過程中曾有多少流失和流入參與了推拉地球的自轉軸。

Adhikari和Ivins的計算結果表明，僅僅格陵蘭島的變化並不足以產生可以拉動自轉軸發生到目前為止偏移的巨大能量。在南半球，南極大陸西部的冰川流失形成了一股拉力，而南極大陸東側的冰川增加則在推動，格陵蘭島也從北面向同一方向拉動地球的自轉軸，但這兩股力量的影響加起來也仍然不足以解釋自轉軸偏移的加速和方向改變。格林蘭島東面一定有某股力量對自轉軸施加了額外的拉力。

研究者在歐亞大陸找到了答案。「原因主要是歐亞大陸缺水：在印度次大陸和裏海地區，」Adhikari說。

這項發現讓人很意外。蓄水層的消耗及枯竭致使這個地區流失了水量，但這些水的流失遠遠不及冰層的改變劇烈。

所以為什麼相對小的流失卻有如此巨大的影響？研究者說這是因為自轉軸對緯度45度附近的變化非常敏感，南北半球都一樣。「旋轉物體的理論很好地解釋了這點，」Adhikari解釋說。「這就是為什麼比如印度次大陸上的變化會如此重要。」

對舊擺動的新領悟

在解答這項新謎題的過程中，研究者意外地想到了一個極有希望解答另一個古老問題的新方法。地球的自轉中，有一種特別的擺動自1899年開始觀測起就困擾著科學家們。每6到14年，自轉軸都會在原有偏移大方向上向東或向西擺動20到60英寸（0.5到1.5米）。「雖然經過了無數的理論研究和建模，對這種神秘的擺動依然沒有找到合理的解釋。」Adhikari說。

科學家們將GRACE提供數據期間自轉軸東西擺動的情況製成了一張圖表，並和同一時段內陸地水量變化的圖表進行了對比，噴氣實驗室的科學家找到了一個驚人的相似之處。極地冰川的變化似乎和擺動無關，只有陸地上的水量變化才會對擺動造成影響。比如歐亞大陸乾旱的年份對應的就是向東的擺動，而濕潤的年份則對應向西擺動。

當研究者們將GRACE2002年4月至2015年3月期間陸地水團變化的觀測結果代入到預測極點位置的經典物理方程中時，他們發現計算結果和已觀測到的東西擺動情況非常接近。「這就遠不僅是單純的相關了，」合著者Ivins說。「我們已經將原因分析出來了。」

這項發現提出了一種可能性，即這115年間所記錄的地球自轉軸東西搖擺的數據，也許可以作為陸地水量變化的極好記錄。「它們可以告訴我們一些過去的氣候情況 — 乾旱和濕潤的程度是否有隨著時間的推移而增強，還有具體的地區，」Adhikari說。

極移（地球極點偏移）的歷史記錄不僅具有全球性的廣泛意義，同時也極其精確。」Ivins說。「我們的研究表明這組遺留下來的寶貴數據可以被用來計算出陸地水量和冰蓋的變化。」

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