闰秒是怎么回事？

福至运成

日前看到 一则消息，2022年11月18日，为期四天的第27届国际计量大会(CGPM)在法国凡尔赛圆满落幕。各国科学家和政府代表同意“闰秒最迟2035年将被取消” https://www.cankaoxiaoxi.com/science/20221121/2496190.shtml。那么，闰秒是怎么回事？为什么需要闰秒现又要取消？ 闰秒和闰年一样，都是为了协调地球与太阳的相对位置而产生的。但是，闰年是根据一定的规则进行的：比如4年一闰，100年不闰，400年再闰等。而闰秒，则是根据实际测量，视需要不定期人为加入的。 简单讲，造成时间计量与地球的实际位置差别有两方面的原因。一是时间的定义有偏差，二是地球自转速度不恒定。前者是系统性的，后者是不规则的。 我们日常生活中，通常是以基于地球自转的世界时（Universal Time，UT）表示时间的。与之前使用的格林威治时间（Greenwich Mean Time， GMT）一样，是以本初子午线（地球上的零度经线）的平子夜起算的平太阳时。北京标准时间处于世界时区的东八区（UT+8），比世界时早8小时。目前世界时，使用的是协调世界时（Coordinated Universal Time，UTC）机制。 受地球自转速度长期变慢、季节性变化、以及不规则因素的影响，世界时不是一种均匀的时间系统。地球自转速度长期变慢，平均每年变慢16.4微秒，即每世纪变慢1.64毫秒。在1750年到1892年之间，1天的平均时间接近8 6400秒。到了1961年，每天平均时间已经比86 400秒长了1到2毫秒。 地球自转速度随季节变化而变化，与平均值的偏差最多会积累到16 分钟之多。有两个主要原因。首先，地球是椭圆轨道，距太阳最近时（近日点）速度最快，距太阳最远时（远日点）速度最慢。其次，地球自转轴向倾斜（黄道倾角），太阳沿着与地球天赤道倾斜的大圆（黄道）运行。太阳在春分和秋分穿过天赤道时，每天偏移（相对于背景恒星）与天赤道成一定角度，在赤道上的投影小于全年平均值。太阳在夏至和冬至离天赤道最远时，每天的位置变化与天赤道平行，在天赤道上的投影则大于全年平均值。这两个因素大致可以用两个正弦曲线的叠加来描述。前者周期为年，后者周期为半年。 地球自转速度时快时慢，与年代有关，比如近年正在变快。目前是平均每天慢约0.002秒，大约每一年半就会慢1秒钟。 世界时依据的是平太阳时（Mean Solar Time），即UT1标准，是对类星体昼夜运动的观测结果。平太阳时是一个虚拟的理想状态：太阳在天赤道上以圆形轨道匀速运行，所以一年当中平太阳日长是均匀相等的。对照之前格林威治时间，使用的是基于英国格林威治 0°经度子午线上的平均太阳时间，即UT0标准。 由于世界时不是一个均匀的时间系统，在进行天文计算时，使用的是地球时间（Terrestrial Time，TT，1991。之前使用的是力学时（Terrestrial Dynamical Time，TDT或TD，1984）。力学时间取代了再之前非相对论的星历（即历书）时（Ephemeris Time，ET，1952）。由于历书时和力学时的测定精度较低，从1967年起使用的是原子时（International Atomic Time，TAI）。因此，它是一个恒定的时间系统。 原子时钟以铯-133原子基态能级精细结构之间的光子能量吸收频率为标准，即1秒钟时间等于9 192 631 770周期。原子时是一个国际单位制（International System of Units， SI），它是一种均匀的时间计量系统，其误差只有百万亿分之二秒，即每一百四十万年才有一秒的误差。 但是，原子时钟秒的定义是历书时秒，根据回归年在1900 年 1 月 1 日的太阳日长而划分。据此定义的时间比平太阳时（Mean Solar Time，UT1）略短（快），或者说地球的转动周期平均每天比86 400秒慢约0.004秒。 原子时钟秒的定义，决定了86 400秒过后，就意味着世界时的日期更换。然而，地球与太阳的位置可能并不恰好是日期更换的时间点。从1972年开始，世界时采用闰秒机制来平衡原子时（TAI）与世界时（UT1）由于地球自转变化带来的差别。当时间误差积累到接近一秒钟时，闰秒就会被引入。这样的时间机制就是协调世界时（UTC）。所以这样一来，世界时与原子时的误差就会在0.9秒钟之内。 显然，原子时钟秒，若依据平太阳时（Mean Solar Time，UT1）定义，那么闰秒的频率将会大大降低。 闰秒一般在6月份和/或12月份最后一天的午夜12点进行。闰秒从1972年6月30日开始（此时已相差约11秒），共进行过27次（迄今为止总共相差约37秒）。最近一次闰秒是在2016年12月31日。到目前为止，闰秒都是正值，加一秒。当地球变快时，闰秒就可能是负值，需要减一秒时间。 与此相对照，在1960到1971年之间，世界时采用了橡皮秒时间（UT2），即秒的长短不是固定而是变化的。比如，世界时的原子时钟每百亿个周期，1960-1962年之间延长150个周期，1962-1963年之间延长130个周期，1964-1965年之间延长又是150个周期，1966-1971年之间延长300个周期。到1971年12月31日为止，延长的时间等效于加入了10个闰秒时间。 然而，随着科技的发展，闰秒的使用给一系列需要确保时间精确性和稳定性的系统带来问题。比如卫星导航、计算机软件、电信、贸易乃至太空旅行。因此才有了取消闰秒的需求。