为什么地球一天不是60小时？物理学家揭示地球日的十亿年停顿

今天，我要分享一篇天体物理学家发表在《科学进展》杂志上的论文，他们用地质证据和大气研究工具来探索地球自转速率和昼夜长度的演化过程。

首先，我们要知道地球自转速率和昼夜长度是由什么决定的，最主要的因素是月球对地球的引力作用。我们知道，由于月球到地球各个地方的距离不同，因此产生的引力也是不同的。这在地球上产生了潮汐效应，使得地球近月端和远端产生了凸起，形成了潮汐。由于地球自转角速度比月球公转角速度还要快，因此地球月与潮汐产生摩擦，导致地球的自转速度减慢，一天的时间变长。大约40亿年前，当月球刚刚形成的时候，地球一天只有不到10个小时。但是现在，一天已经有24个小时了。

那么，为什么现在一天不会是更长的时间呢？因为如果按照月球对地球的潮汐力来计算，我们现在的一天应该有60个小时以上，这就是这篇论文要解决的问题。论文的作者发现，在大约20亿年前到6亿年前的这段时间里，地球自转速率和昼夜长度基本保持不变，都是19.5个小时。这是因为在这段时间里，太阳对地球大气的热潮汐力抵消了月球对地球的潮汐力，使得两者达到了平衡状态。

什么是热潮汐力呢？它是由太阳光照引起的大气温度变化所产生的力。当太阳光照在地球上时，大气会膨胀并向外推动；当太阳光离开时，大气会收缩并向内拉动。这样就形成了一个周期性的振荡，就像海水的涨落一样。这个振荡有一个固有的周期，叫做Pres。

论文的作者用两种不同的全球环流模型来计算Pres的值，并发现它与实际测量值非常接近，都是11.4到11.5个小时。他们还发现Pres与地球表面温度、大气组成和太阳亮度有关。当地球表面温度更高、大气中二氧化碳含量更高或者太阳亮度更低时，Pres会变小；反之则会变大。
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那么，在20亿年前到6亿年前这段时间里，为什么Pres会接近12个小时呢？这就需要我们考虑地质数据、动力学模型和蒙特卡洛采样器等方法来重建地球-月球系统的历史了。论文的作者发现，在这段时间里，地球表面温度很高（可能达到40摄氏度以上），大气中二氧化碳含量也很高（可能达到1000ppm以上），而太阳亮度则比现在低（可能只有80%左右）。这些因素使得Pres减小到接近12个小时，从而与太阳对地球大气的半日热潮汐力产生了共振。这种共振使得热潮汐力的扭矩增强，从而抵消了月球对地球的潮汐力的扭矩，使得地球自转速率和昼夜长度保持不变。

这种平衡状态持续了大约14亿年，直到6亿年前，地球表面温度和大气中二氧化碳含量开始下降，而太阳亮度开始上升。这些因素使得Pres增大到超过12个小时，从而与太阳对地球大气的热潮汐力失去了共振。这时，月球对地球的潮汐力又开始占据优势，使得地球自转速率和昼夜长度继续增加，直到现在。

这篇论文的意义在于，它揭示了地球自转速率和昼夜长度的演化过程与地球大气热潮汐力的关系，以及这种关系与地球表面温度、大气组成和太阳亮度的依赖性。它还为我们提供了一个新的视角，来思考全球变暖将如何影响我们的昼夜长度，以及全球环流模型作为一种气候建模工具的有效性。