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Ocean Tides and the Earth's Rotation

引言，由 IERS Special Bureau for Tides 提供 潮汐通过两种截然不同的方式影响地球自转。一种是由潮汐摩擦引起的，会在自转中产生极其缓慢的长期变化。另一种是由潮汐在地球上的持续运动引起的，会在自转中产生非常小但非常快速的变化。这些快速变化与潮汐本身周期完全相同 —— 半日、每日等。（IERS Special Bureau for Tides 主要关注快速变化，但我们的一些数据对长期变化也有影响。）

地球自转的长期潮汐制动

地球自转的长期变化是地球物理学中的一个经典话题。可以追溯到大约300年前，当时 Sir Edmond Halley 首次假设月球在其轨道上加速。Halley 的大部分月球加速只是表观上的。实际上是地球自转减慢，使月球看起来加速。月球确实在加速（严格来说，是减速），但更大的影响是地球的自转制动。这种制动是由潮汐摩擦引起的。纵观地球历史，潮汐制动一直在自转中起着主导作用，并将继续发挥作用。目前，自转速率的长期变化使每天的长度每世纪增加约 2.3 毫秒。

为了理解这意味着什么，考虑以下示例：假设旋转的地球是我们的时钟，并且自从该时钟的“标准秒”设置为与原子钟的秒对应以来已经过去了 100 年（实际上几乎就是这种情况，尽管原子钟直到 1955 年才出现）。那么 1000 天后，我们的地球时钟会慢大约 2.3 秒，进一步落后于原子钟。这种自转的长期减慢是定期在计时中插入闰秒的主要原因。当然，还有其他因素会导致自转速率的变化，例如不断变化的大气层和液态地核的运动；我们不能仅仅因为潮汐而责怪我们的计时困难。

地球自转中的潮汐制动实际上主要由海洋中的摩擦引起，其中“摩擦”可能指的是许多尚未最终确定的物理机制。例如，由潮汐流流过海床引起的底部摩擦、各种类型的波浪破碎以及潮汐波散射到海洋内部波中都被认为起着作用。有关此主题的最新概述，请查阅 Walter Munk 的论文 ``Once again: once again--tidal friction,'' 发表在 Progress in Oceanography, 第 40 卷，第 7-36 页，1997 年。

地球自转的快速潮汐变化

直到最近几年，随着我们测量自转的每日甚至亚日变化的能力得到发展和提高，这个主题才开始受到关注。下图显示了一个示例，该图显示了由每小时测量观测到的以及由海洋潮汐的数值模型预测的自转速率（以世界时表示）的非常快速的变化。这些测量来自 Very Long Baseline Interferometry (VLBI) 观测的强化活动，由 Chopo Ma 和 John Gipson (NASA/GSFC) 分析和提供。海洋预测来自 Special Bureau for Tides 网页中提供的模型之一。

由 VLBI 测量的以及由数值海洋模型预测的世界时的快速变化。

可以看出，UT1 中存在日变化和半日变化，并且海洋模型似乎很好地代表了它们。海洋潮汐可以通过两种方式引起这种快速变化。(1) 随着潮汐在地球周围移动水，地球的转动惯量发生变化。通过角动量守恒，固体地球相应地改变其自转速率。(2) 随着潮汐流减速或加速，它们与固体地球交换角动量，这体现在自转速率中。机制 (2) 对于自转速率变化略为重要；对于极地运动变化，这两种机制的重要性大致相同。因此，要预测地球自转中的潮汐变化（类似于图中的实线），需要潮汐高度和潮汐流的全球模型。Special Bureau for Tides 的这些网页提供了来自几个此类模型的相关信息。

最后，自转速率和极地运动中也存在由近平衡长周期潮汐引起的潮汐变化，其周期约为 9 天至 18.6 年。对于自转速率，主要的贡献者实际上是固体地球潮汐。但来自海洋的扰动仍然很重要。 请参阅此 additional information。

关于潮汐和地球自转的一些经典书籍

这些书在某些地方有点过时，因为很明显它们无法讨论最新的精度、测量和理论。但它们仍然是文献中的经典之作，并为所有进一步的研究提供了起点。特别是，Munk 和 MacDonald 比自 Lord Kelvin 以来的任何人都更能塑造整个现代学科的轮廓，他们为随后 40 年的工作奠定了基础。他们的书获得了 1959 年的 AAAS Monograph Prize，理所当然地触及了当今课题的几乎所有方面，除了这些网页中讨论的一个方面：极快的（每日和更快的）变化。

Munk, W. H. 和 G. J. F. MacDonald, The Rotation of the Earth: A Geophysical Discussion, Cambridge Univ. Press, 1960.

Lambeck, K., The Earth's Variable Rotation: Geophysical Causes and Consequences, Cambridge Univ. Press, 1980.

Doodson, A. T. 和 H. D. Warburg, Admiralty Manual of Tides, HMSO, 1941.

地球自转潮汐变化的一些现代参考文献

Brosche, P., U. Seiler, J. Suendermann, 和 J. Wuensch, Periodic changes in the Earth's rotation due to oceanic tides, Astronomy and Astrophysics, 220, 318-320, 1989.

Chao, B. F. 和 R. D. Ray, Oceanic tidal angular momentum and Earth's rotational variations, Progress in Oceanography, 40, 399-422, 1997.

Eubanks, T. M., Variation in the orientation of the Earth, in Contributions of Space Geodesy to Geodynamics: Earth Dynamics, pp. 1-54, Amer. Geophys. Union, Washington, 1993.

Gross, R. S., The effect of ocean tides on the Earth's rotation as predicted by the results of an ocean tide model, Geophysical Research Letters, 20, 293-296, 1993.

Herring, T. A. 和 D. Dong, Measurement of diurnal and semidiurnal rotational variations and tidal parameters of the Earth, Journal of Geophysical Research, 99, 18051-18071, 1994.

Ray, R. D., D. J. Steinberg, B. F. Chao, 和 D. E. Cartwright, Diurnal and semidiurnal variations in the Earth's rotation rate induced by oceanic tides, Science, 264, 830-832, 1994.

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Last Updated: May 15, 2001 Website Author and Curator: Richard Ray