地球內核正以毫秒級幅度改變一天的長度

地球的一天並非固定為 86,400 秒。以數十年為尺度，它會伸長或縮短數千分之一秒；一項新研究將這種變動大部分歸因於我們腳下超過 5,000 公里深處的一場重力拉鋸。

阿爾伯塔大學的地球物理學家Huifeng Zhang與馬蒂厄・鄧貝里（Mathieu Dumberry）在《Nature》發表研究指出，地球由鐵組成、形狀略呈非圓的固態內核，會在其方位改變時拉扯地函中高密度的區域。這股拉力會加速或減慢岩石地函及我們所處的地殼，進而改變一天的長度。核心與地函交界處還有另外兩種力會與之抗衡。

這項結果回答了地球物理學家數十年來反覆探究的問題。他們早已知道，在這類時間尺度上，地核會與地函交換自轉動量，但並不清楚是哪一種物理連結承載了這項交換。研究也為地球中心帶來一項意外發現：內核似乎會極其緩慢地流動，而不是如一塊剛硬的固體般靜止不動。

為何一顆擺動的鐵球能撥動時鐘

地球的總自轉量，也就是角動量，幾乎維持不變。當液態外核加速時，地函必須減速以作補償；反之亦然。正是地函自轉的這些微小擺動，使一天的長度在跨越數十年的週期中起伏。

尚待解答的問題在於耦合機制，當時有三個候選者。電磁耦合透過磁場作用，並取決於地函最底層的導電能力。地形耦合則來自核心—地函邊界上，壓力推擠凸起部位所產生的作用。重力耦合源於質量：內核並非完美球體，而地函中存在分布不均的高密度岩石團塊。

當液態外核的流動推動內核，使它相對於地函略微轉動時，內核的隆起部位便會與那些高密度區域失去對準。重力會將它們拉回對齊狀態，而這股回復拉力，也就是重力力矩，會把自轉動量傳遞給地函。研究指出，內核相對於地函會來回擺動約 2.35 度，週期為 60 至 70 年。

兩位研究人員在為 Springer Nature 研究社群撰寫的工作摘要中表示：「重力力矩的作用方向，正是解釋觀測到的地球自轉變化所需；反觀電磁力矩與地形力矩，通常會與其相反。」

研究如何進行

沒有任何儀器能抵達地核，因此研究團隊結合了三種間接紀錄。第一種是一天本身的長度，透過原子鐘與天文觀測追蹤。第二種是液態外核流動模型，根據衛星對地球磁場的量測資料重建。第三種則是有關深部地球結構的地震學證據。

研究人員將這些資料輸入一種稱為馬可夫鏈蒙地卡羅的統計技術；此方法會測試大量未知量的可能取值，並保留最符合觀測結果的組合。未知量包括三種耦合各自的強度。當重力力矩承擔主要作用、另外兩種力則充當煞車時，模型對約六十年的日長資料重現得最佳。

同時檢驗這三種機制相當重要，因為它們會在同一時間運作，且部分效果彼此抵銷。若模型只考察單一耦合，便可能將某種效應完全歸功於它，然而在真實地球中，該效應其實正受到另一種機制抵銷。

Zhang表示：「這些不同來源的資訊能夠匯聚起來，為地球深部內部提供一幅更連貫的圖像；那是一個極難直接觀測的區域。」

幾毫秒，究竟是相對於什麼而言

相對於一天本身，這項效應微不足道。在 86,400 秒中出現幾毫秒的差異，僅相當於億分之幾的變化，遠短於一次眨眼的時間。沒有人會感覺到它，但原子鐘以及為衛星導航追蹤地球方位的系統可以測得。

還有其他力量也會改變一天的長度。風與洋流會在數天及季節尺度上造成變化；月球潮汐則會在數百萬年中緩慢煞住地球自轉。以十年為尺度的擺動介於兩者之間，而長久以來人們一直懷疑地核是來源，只是機制始終未明。

研究也量化了地球中心究竟有多麼柔軟。最符合資料的模型顯示，內核約在十年內會鬆弛並調整其形狀，可能範圍介於 2 至 31 年。在壓倒性的高壓下，它仍是固態鐵，但以年為時間尺度來看，卻會像極度堅硬的黏土般屈服變形。研究人員指出，這種黏度與近期針對鐵合金進行的實驗室實驗結果一致。

重力拉力的強度也透露了地函的資訊。這支持一種看法：非洲與太平洋下方兩個大陸尺度的岩石堆積體，亦即地震波通過時速度異常緩慢的區域，不僅溫度較高，化學組成上也比周遭岩石更為緻密。

它尚未解決的問題

這項重建仰賴的紀錄並不完整。深部地球的地震波覆蓋零散，而從磁場資料推導出的地核流動模型，只能看見外核中規模最大的結構。內核推定的形狀及地函岩石堆積體的密度，皆來自模型擬合而非直接量測；內核柔軟度的 2 至 31 年範圍也相當寬廣。

模型同樣無法解釋訊號中的一部分。發生在 10 至 30 年時間尺度上的較快變化，很可能涉及其他過程；至於日長中獨立存在的六年振盪，仍是一項未解難題，Zhang目前正在研究。

此外，還有內核自身的自轉問題，這是地震學中爭論最激烈的議題之一。北京大學團隊在 2023 年的研究，以及南加州大學團隊在 2024 年的研究，都認為內核相對於地函的運動約在 2009 至 2010 年間停滯，並開始反向。新模型顯示約在 2010 年出現方向轉變，與這幅圖像相符；但也有其他地震學家主張，是內核表面的變化而非其自轉，解釋了同樣的地震訊號。作者們也將另一項問題列為未解：未來內核自轉的變化是否能夠被預測。

關於地球日長的常見問題

為什麼一天不正好是 24 小時？

24 小時一天是一項約定，而地球實際自轉速度會變化。風與洋流會在數天和季節尺度上改變它；月球潮汐會在數百萬年中拉長它；而地核與地函之間的自轉動量交換，則會在數十年內令它變動幾毫秒。

地球內核正在反向自轉嗎？

不是。地震學研究顯示，內核的轉速會略快於或略慢於地函，因此相對於地表而言，它會先向一個方向漂移，然後再折返。這項新研究將其建模為在 60 至 70 年週期內約 2.35 度的擺動，並在約 2010 年出現方向改變。

內核會讓一天明顯變長或變短嗎？

不會。這些變化在數十年內累積起來僅有幾毫秒，遠低於人類能察覺的程度。但對精確計時、衛星導航及地球物理學而言，它們很重要，因為這些領域會將地球自轉追蹤至毫秒的分數尺度。

科學家如何知道地球核心內部發生了什麼事？

沒有任何探測器能抵達那裡。研究人員會結合穿越地核的地震地震波、衛星對液態外核所產生磁場的量測，以及地球自轉的精確紀錄。本研究使用了這三類資料。

《Nature》於 2026 年 9 月 23 日刊登這項研究。研究團隊發現，在 1970 年代初期至 2021 年之間，地核過程使一天的長度改變了數毫秒。下一項檢驗是六年週期：另一個團隊在 2026 年 6 月的一篇預印本中報告了衛星重力資料裡相符的六年訊號，該論文尚未經同儕審查，並將其連結到內核與地函之間的同一種耦合。若兩種紀錄都呈現同樣的擺動，那麼地球中心一顆金屬球的拉力，將不僅能從時鐘讀出，也能從軌道上讀出。

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

標籤: earth science, geophysics, Mathieu Dumberry, University of Alberta, 內核, 地球自轉