地球内核正以毫秒级幅度改变一天的长度

地球上的一天并非固定为86,400秒。在长达数十年的时间尺度上，它会拉长或缩短数千分之几秒；一项新研究将这种漂移的大部分归因于发生在我们脚下5,000多公里深处的一场引力拉锯。

阿尔伯塔大学的地球物理学家Huifeng Zhang和马蒂厄·当贝里（Mathieu Dumberry）在Nature发表报告称，地球略呈非圆形的固态内核——一个铁球——会在其朝向变化时拉扯地幔中的高密度区域。这种拉力会加快或减慢岩石地幔及我们赖以生存的地壳的转速，进而改变一天的长度。与此同时，核幔边界上的另外两种力会与之对抗。

这一结果解答了地球物理学家数十年来反复探究的问题。他们早已知道，在这样的时间尺度上，地核与地幔之间会交换自旋动量，却不清楚究竟由哪种物理耦合传递这种交换。这项研究还揭示了有关地球中心的一项意外发现：内核似乎并非作为一个刚性团块静止存在，而是在极其缓慢地流动。

为何一颗摆动的铁球能够拨动时钟

地球总自旋，即其角动量，几乎保持不变。当液态外核转得更快时，地幔必须减速以作补偿；反之亦然。正是地幔转速的这些微小起伏，使一天的长度在跨越数十年的周期中来回波动。

尚未解开的关键在于耦合机制，而候选机制共有三种。电磁耦合通过磁场发挥作用，并取决于地幔最底层的导电能力。地形耦合源于压力对核幔边界凸起部位的挤压。引力耦合则来自质量：内核并非完美球体，而地幔中分布着不均匀的高密度岩石团块。

当液态外核中的流动轻推内核，使其相对于地幔发生轻微转动时，内核的隆起部分便会与这些高密度区域错位。引力会将它们拉回对齐状态，而这种恢复性拉力——即引力力矩——会将自旋动量传递给地幔。研究显示，内核相对于地幔会以大约2.35度的幅度来回摆动，周期为60至70年。

两位研究人员在为Springer Nature研究社群撰写的工作摘要中写道：“引力力矩的作用方向符合解释观测到的地球自转变化所需的方向，而电磁力矩和地形力矩通常会与之相反。”

他们如何完成这项研究

没有任何仪器能够抵达地核，因此研究团队结合了三类间接记录。第一类是一天本身的长度，通过原子钟和天文观测进行追踪。第二类是一组关于液态外核如何流动的模型，这些模型依据卫星对地球磁场的测量重建而成。第三类则是有关深部地球结构的地震学证据。

他们将这些资料输入一种名为马尔可夫链蒙特卡洛的统计技术；该方法会尝试大量未知量的可能取值，并保留与观测结果相符的组合。未知量包括三种耦合机制各自的强度。当地球引力力矩承担主要作用、另外两种机制充当制动时，该模型对约六十年的日长数据重现得最佳。

同时检验这三种机制至关重要，因为它们会在同一时间发挥作用，并且彼此部分抵消。若模型只考察一种耦合，便可能将现实地球中正被另一种机制抵消的效应归因于它。

Zhang说：“这些不同的信息碎片能够汇聚起来，为我们提供一幅更连贯的地球深部图景；这一地区极难直接观测。”

几毫秒，相对于什么而言

与一天本身相比，这种效应微乎其微。在86,400秒中，几毫秒仅相当于亿分之几的变化，远远短于一次眨眼。人们无法察觉它，但原子钟以及为卫星导航追踪地球姿态的系统能够测得这种变化。

还有其他力量同样会改变一天的长度。风和洋流会在数天及季节尺度上造成变化，而月球潮汐则会在数百万年间缓慢制约地球自旋。处于两者之间的是数十年尺度的摆动，长期以来人们一直怀疑其源头在地核，但机制始终未明。

这项研究也量化了地球中心的“柔软”程度。最符合数据的模型表明，内核大约会在十年时间内松弛并调整其形状，可能范围为2至31年。在巨大的压力下，它仍是固态铁，但在数年尺度上会像极其坚硬的油灰一样发生让步。研究人员称，这一黏度与近期针对铁合金的实验室实验结果一致。

引力拉力的强度也说明了地幔的情况。它支持这样一种观点：非洲和太平洋下方两处大陆尺度的岩石堆积区——地震波在这些区域的传播异常缓慢——不仅温度较高，其化学成分导致的密度也高于周围岩石。

它尚未解决的问题

这项重建依赖于并不完整的记录。深部地球的地震观测覆盖零散，而从磁场数据推导出的地核流动模型只能看见外核中尺度最大的结构。内核的推断形状及地幔岩石堆积区的密度均来自模型拟合，而非直接测量；内核“柔软度”所对应的2至31年范围也相当宽泛。

该模型也无法解释信号的全部组成部分。在10至30年时间尺度上更快的变化，很可能涉及额外过程；而日长中另一种六年振荡仍是一个悬而未决的问题，Zhang目前正在研究这一现象。

此外还有内核自身的转动问题，这是地震学中争议最大的议题之一。北京大学团队在2023年的研究以及南加州大学团队在2024年的研究均得出结论：内核相对于地幔的运动在2009年至2010年前后停滞，并开始反向。新模型中约在2010年前后的方向转换与这一图景吻合，但其他地震学家认为，解释相同地震信号的是内核表面的变化，而非其转动。作者还将内核自转未来的变化是否能够预测列为未解决的问题。

关于地球日长的常见问题

为什么一天并不恰好是24小时？

24小时的一天是一种约定，而地球实际的自转会发生变化。风和洋流会在数天和季节尺度上改变它，月球潮汐会在数百万年间延长它，而地核与地幔之间的自旋动量交换则会在数十年间令其改变数毫秒。

地球内核正在反向自转吗？

不是。地震学研究表明，内核的转速会略快于或略慢于地幔，因此相对于地表而言，它会先向一个方向漂移，随后再返回。新研究将其建模为一次约2.35度的摆动，周期为60至70年，并在2010年前后改变方向。

内核会让白天明显变长或变短吗？

不会。数十年间累积的变化仅有数毫秒，远低于人能够察觉的程度。但对于精密计时、卫星导航和地球物理学而言，这些变化十分重要，因为这些领域会将地球自转追踪至毫秒的零点几分之一。

科学家如何知道地核内部发生了什么？

没有探测器能够抵达那里。研究人员会结合穿过地核的地震所产生的地震波、卫星对液态外核产生的磁场所做的测量，以及地球自转的精密记录。这项研究使用了这三类资料。

Nature于2026年9月23日发表这项研究。团队发现，从20世纪70年代初至2021年，地核过程使一天的长度改变了数毫秒。下一项检验将是六年周期：另一个研究小组在一篇尚未经过同行评审的2026年6月预印本中报告称，卫星重力数据中存在与之吻合的六年信号，并将其与内核和地幔之间的同一耦合联系起来。若两类记录都显示出相同的摆动，那么从轨道上以及从时钟上，都将能够读出地球中心那颗金属球的拉力。

参考文献：Zhang and Dumberry，《Gravitational torque drives multidecadal variations in length of day》，Nature，2026年。DOI：10.1038/s41586-026-10999-2

标签: 内核, earth science, geophysics, Mathieu Dumberry, University of Alberta, 地球自转