北极星的疑惑：“为什么我摸不到北？”

北极星是现在最接近北天极的星球，对于在北半球的人来说，其位置几乎没有变化，可以用它来判别方向。

图1来源：作者提供

但中科院上海天文台科学家对地球自转的研究表明，未来北极星的这一作用将被织女星取代。

科学家为什么要研究地球自转的变化？ 地球自转的变化会对我们眼中的星空产生什么影响呢？

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地球的自转一直在变化，

而且变化相当复杂

昼夜更迭，日月星辰东升西落，背后的原因是地球自西向东的自转。

地球绕着通过地心连接南北极的虚拟轴旋转。 这就是地球的自转，其虚拟轴被称为自转轴。

从地球的北半球看，北极星球的位置几乎没有变化。 这是因为它几乎正对着地球的旋转轴。

但是，地球的自转一直是固定的吗？

答案是否定的！

地球的自转总是在变化，而且变化相当复杂，有“岁差-章动”、“极移”和“日长变化”。

1 .岁差-章动：自转轴陀螺式旋转点头

地球以自转轴为中心旋转。

在地球自转的同时，自转轴也在旋转。 就像陀螺一样，天极大约每2.6万年绕黄极转一圈。 这就是岁差。

图2 :地球旋转轴围绕黄极旋转的图像

图：上海天文台

陀螺运动同时，天极相对于黄极不分离，摆动周期小于18.6年是章动。

看这里，你可能有点混乱了。

天极、黄极是什么意思？ 别着急，听笔者慢慢说。

为了研究天体的位置和运动，科学家们如图3所示，设想了以地球重心为中心半径无限长的球体——天球。

图3 )赤道、黄道、北天极、北黄极的示意图

图：上海天文台

地球表面的点随着地球自转而产生的轨迹中，最长的圆周线叫赤道，赤道所在的平面叫赤道面，赤道面把天球分为北天球和南天球。

自转轴与北、南天球相交的点分别是北天极和南天极。

地球绕太阳公转，轨道平面称为黄道面。

假想直线通过地球中心，与黄道面垂直，分别与北、南天球相交于一点，分别称为北黄极和南黄极。

赤道面与黄道面之间的夹角为23度26分，两者在上球体上存在两个交点，相距180度，分别称为春分点和秋分点。

从地球上看，太阳沿着黄道面运动，赤道面从南向北通过天赤道的交点是春分点，太阳从北向南通过天赤道的交点是秋分点。

太阳通过春分点到达最北的点叫夏至点，太阳通过秋分点到达最南的点叫冬至点。

公元前，人们发现了地球自转变化引起的异常。

公元前2世纪，古希腊天文学家希帕尔恰斯(图3 )为850颗明亮的星星制作了星表。

通过与150年前亚历山大制作的约20颗星星的星表进行比较，他发现在这150年间这些星星相对于春分点的位置向东移动了近两次。

推测这可能是春分点沿黄道面后退的结果，推测春分点每100年向西移动一次。

这是人类首次发现岁差的证据，结果与目前估计的每76年向西移动一次有一定的差距。

图4 )古希腊天文学家希帕尔查斯

图片来源： wiki

在我国古代，人们通过观测冬至点的移动来求出岁差。

晋代虞喜据《尧典》记载，尧时期冬至黄昏，头上可见昴宿。 而时隔2700多年，他自己的实测显示，冬至黄昏，头上看到的星宿不再是昴宿，而是50多度外的东墙。

据此推测，冬至点每50年向西移动一次，创造了岁差的概念。

中国古人首次将岁差引入历法计算。

为什么会有年龄的差别，牛顿最初进行了理论上的说明。

地球是椭圆体，赤道部分突出，两极稍平。

太阳和月亮对赤道突出部分的引力大于对赤道以外部分的引力，旋转轴绕黄极旋转，北天极沿与黄道面平行的平面向西移动，约每2.6万年移动一次，即每76年移动一次。

不仅是日月造成的岁差，其他行星的重力也会造成很小的附加岁差。

如果地球是圆球，或者地球赤道面与黄道面和白道面重叠，在忽略其他行星对地球的作用后，不会发生岁差现象。

日、月轨道的复杂相互作用，还会产生许多短周期振荡，这些短周期通常小于18.6年，主要表现为北天极相对于北黄极远的点头式运动，它们是通常的所谓章动。

2 .极移：研究极移数据将使我们更好地了解地球

地球的自转轴和地球表面有两个交点。 以其中一个交点为例，地球由于表面大气、内部流体等的影响，该交点在地球表面的位置不是固定的，而是移动的。 这就是极移动。

在交点位置变化的区域内，决定基准点，以连接基准点和地球重心的线为基准轴，固定在地球上。

可见极移是指自转轴相对于固定在地球上的基准轴的“漂浮”。

根据近80年来的天文观测资料，发现极移数据包括多个周期的极移，包括周期接近14个月的张德勒周期极移、周期为1个月、半月、1天左右的各种短周期极移等。

造成极移的因素多包括外部因素和内部因素，外部因素与日、月引力和大气及海洋作用有关，内部因素与地幔、地核等内部构造的物理机制有关。

因此，如果我们研究极移的观测数据，反过来有助于探索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项目组科研人员正着力开展工作，利用观测到的极移数据，检测地球深内部大尺度流体运动(如液核振荡)和固体内核摆动； 同时开展数值模拟工作，探索地球深的内部流体和内核运动是如何影响极移的。

3 .日长变化：地球自转变慢导致白天和夜晚变长

由于月亮和太阳的潮汐作用，地球自转越来越慢，日长不断变长，即白天黑夜都变长，平均约每100年延长0.002秒。

科学家们发现不仅自转速度越来越慢，而且自转速度有周期性的变化。

日长变化具有从一天到几十年甚至更长的长期变化谱，分别对应不同的天文和地球物理机制。

尺度数十年的年代际变化和尺度约5年到10年的亚十年变化很可能与地球的深层内部物理有关。

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面向主轴的参数：

除地震学外，还是研究地球深层内部的重要手段

上述旋进-章动、极移、日长变化在物理上由自转轴指参数( Earth Orientation Parameters； EOP )显示。

这些都反映了地球的整体运动及其时间变化的重要信息。

EOP除了地震学外，还被认为是研究地球深部物理学的又一重要手段，它是天文学为研究地球内部而专门制作的“望远镜”，是科学家们重点测量和研究的对象之一。

图5 :地球内部结构艺术家的想象图

图片来源： 《国家地球儿童版》网站

如图5所示，地球内部的圈层从外向内包括地壳、地幔、流体外核、固体内核。

具有什么样的物理结构，运动状态怎么样？ 彼此之间发生了什么样的动力学耦合作用呢？ 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，对于理解我们所在的地球，进而推广到其他地球型行星的研究等方面都很重要。

很遗憾，所有这些信息都不能从地表或空间直接观测到。

但幸运的是，这些问题可以通过EOP变化的细微特征间接进行“观测”和研究。

接下来，与笔者一起调查上海天文台地球自转变化项目组最近发表的研究成果，看看他们从日长变化的数据中发现了什么。

第3部分

首次发现了日长变化的新信号

近日，中科院上海天文台动力学研究中心地球自转变化项目组、中科院行星科学重点实验室在EOP参数日长变化研究方向上取得新进展，首次发现日长变化存在显著的约8.6年周期增幅信号，与该振荡极值时刻和地磁快速变化的发生密切相关

目前，该研究成果已在线发表于国际知名综合性期刊《自然通讯》 ( naturecommunications ) )以下简称“该研究”)； 日长变化6年来信号的检测及其衰减和激发的物理机制的另一个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》 ( journalofgeophysicalresearch:solidearth )上。

关于日长变化的细时变特征和相关物理原因，目前在该领域鲜为人知，但这部分研究对进一步了解地核年际运动特征，解决地磁快速变化的起源问题具有重要意义。

地磁的急剧变化被称为地磁的急剧变化“jerk”。

该研究第一作者、上海天文台副研究员段鹏硕表示，他们的研究采用国际地球自转服务系统( IERS )提供的1962年至2019年近57年的日长变化数据，结合大量数值模拟算例进行分析，标准小波时频

NMWT方法具有较高的频率分辨率，可以区分日长亚十年变化中的不同频率分量，但该方法存在显著的边缘效应问题。

所谓NMWT边缘效应，可以通过观测时间序列的跨度和边缘效应的区间长度的比较来测量。

比值越小，小波边缘效应对提取信号振幅(信号强弱)的影响越大。

假设标准小波的窗宽系数为3，则与周期为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宽度为57年，数据时间宽度小于区间长度的2倍，边缘效应显著，难以正确分离出目标信号。

图6 )采用本研究提出的方法( 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)两条曲线总体吻合较好，表明日长亚十年变化特征可以很好地利用6年和8.6年两种频率信号的叠加来解释

他们自行开发的BEPME策略可以很好地弥补这一不足，准确地分离出目标谐波信号。

该小组的研究结果显示，日长亚10年的变化实际存在2个主成分的周期信号，周期分别为6年和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，他们的活动否定了目前国际上广泛接受的日长变化亚十年周期信号中只存在周期为6年的信号，如图8所示，首次发现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。

段鹏硕指着图6，稍微思考了一下，满怀期待地说。 这些数据中还包含着一些有趣的问题。 通过我们的工作重建的日长振动的结果(红线)和原始信号(黑线)整体拟合得很好，但在1972年和2014年左右略有不同。

那么，为什么会有区别呢，是我们接下来要重点攻克难关的问题。

这个新信号的极值时刻很可能与地磁的快速变化有关。

前人的工作未能揭示日长亚10年变化的不同物理起源问题，但他们的研究表明，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曲阿尔芬波振荡有关。

根据天体磁场的发电机理论，地球的磁场来自地球内部的地核。

内核温度达到约6000开尔文，向外放热，如图8的橙色线所示，推进液态外核中的熔融铁的对流运动。

于是，如图6的蓝线所示，导电性流体在宇宙的初始磁场中运动，产生电流，该电流又被激发，产生新的磁场。

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

电流和新产生的磁场产生的电磁力反过来影响外核中导电流体的运动，舍弃初始磁场形成可以自我维持的“地球发电机”。

当然，地球磁场在形态和演化方面比较复杂，而且地球内部的物理参数非常极端，要准确重构地球磁场的产生和演化，还需要更深入细致的研究。

将磁场的磁力线视为一根弦，磁场扰动时，磁力线的弦振动，振动沿磁场传播，形成波。

当磁力线聚集在一个个被称为“磁流管”的管状结构中时，在磁流管中传播的阿芬波将扭曲阿芬波。

该扭曲波向外传播，与地幔发生耦合作用，日长出现相同周期的波动信号。

利用该小组提出的数值模型，日长变化中周期约8.6年的信号极值时刻与地磁突变的发生之间存在密切的对应关系。

图8 )本研究恢复的目标8.6年周期振荡与地磁突变( jerks )时刻阴影矩形带)的对应关系； 红色曲线是本文恢复的结果，绿线是红线最小二乘拟合的结果，该结果可进一步用于预测未来地磁突变发生的时间。

如图8所示，1995年和2017年发生的地磁突变与该信号的极值时刻非常一致。 据此，他们预测在最近的1到2年内很有可能发生新的地磁骤变事件，发生时间用图8中的黑色箭头表示。

该研究的第二作者、上海天文台研究员黄乘利表示：“目前，地磁剧烈变化的预测是国际难题。

我们的工作提供了新的研究入口，通过准确分离地球自转的亚十年变化振动信号，可以预测未来地磁骤变发生的时间。

研究地球自转的细微变化特征也表明可以深入研究地球深处内部的磁流体力学问题。

”

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后述

时间单位——平太阳秒是根据地球的自转周期决定的。

地球自转速度的变化也会影响与时间相关的科学，特别是对时间精度有要求的学科。

对地球自转变化的研究，应用水平的意义不可小觑。

物理上是天文学为了研究地球内部而特别制作的“望远镜”。

从认识地球自转的变化出发，以日长变化为例，了解科学家们发现新信号、解释新信号、做出预测的过程，是研究地球自转最想实现的目标。

在与该研究组成员的交流过程中，笔者翻阅了他们所参考的专著，如《地球自转》等，书中的书写和笔记密密麻麻； 他们热情地向笔者讲述了地球自转变化的类别和目前的研究进展。

谈及他们独立发展的“消除小波效应”策略，段鹏硕直接拿起纸笔，写下了边缘效应区间长度的公式，并讲述了该方法的技术细节。

从这些细节中，可以看出他们坚实的学术基础、长期的积累、对未知的好奇心、对前沿问题的探索。

脚踏实地，厚积薄发，这些从事基础科学研究的科学家们走到了一起，坚定而冷静。

参考资料：1.Duan、P. S. Huang、C. L . ( 2020 ).intradecadalvariationsinlengthofdayandtheircorrespondencewithgeommunications.3359 doi.ooi P. S. Huang，C. L . ( 2020 ).on the mantle-innercoregravitationaloscillationundertheactionoftheelectromagneticouplingeffects.j.geo phys.reo doi.org/10.1029/2019 JB 0188633.https://book 020/articles/s 41467-020-16109-84.3359 agu pubs

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)主编：中国科学院计算机网络信息中心(文中注明出处的图片已获授权)文章仅代表作者，不代表中国科普博览会立场，本文由“中国科普博览会”公众号(以下简称“中国科普博览会”)

原标题：北极星今后可能不在正北了吗？ 星星的位置为什么会改变？ 来源：中国科普博览会编辑：小林绿子