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'''日長波動'''是'''一天的長度'''（'''LOD'''）變化，肇因於[[潮汐加速|潮汐效應]]，在長期的[[地球歷史]]中是漸增的，但也會在較短的時間範圍內波動。通過[[原子鐘]]和{{link-en|衛星雷射測距|Satellite laser ranging}}對時間的精確量測表明，LOD會發生許多不同的變化。這些細微的變化週期從幾周到幾年不等。[[國際地球自轉服務]]監測這些變化：它們歸因於[[地球大氣]]的動態與其和地球本身之間的相互作用。

在沒有外部扭矩的情況下，地球作為一個整體系統的總[[角動量]]必須是恆定的。內部扭矩是由於地核、地函、地殼、海洋、大氣和[[冰凍圈]]的相對運動和質量重新分佈造成的。為了保持[[角動量守恆|總角動量]]恆定，一個區域的角動量變化必須由其它區域的角動量變化來平衡。

地殼運動（如[[大陸漂移]]）或極蓋融化是緩慢的長期事件。據估計，地核和地函之間的特徵[[耦合 (物理)|耦合]]時間約為十年，而[[地球自轉]]速率的所謂「十年波動」被認為是由地核內部的波動轉移到地函上引起的<ref>{{cite journal|last=Hide|first=R.|title=Fluctuations in the Earth's Rotation and the Topography of the Core–Mantle Interface|journal=Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences|volume=328|issue=1599|pages=351–363|doi=10.1098/rsta.1989.0040|date=1989|bibcode = 1989RSPTA.328..351H |s2cid=119559370}}</ref>。即使在幾年到幾周的時間尺度上，日長（LOD）也會有很大變化（圖），在消除外部扭矩的影響後，觀察到的LOD波動是內部扭矩作用的直接結果。這些短期波動很可能是由固體地球和大氣之間的相互作用產生的。

其它行星的日長也會波動，尤其是[[金星]]行星，它的大氣層非常活躍和强大，使其日長波動可達20分鐘<ref name="EarthSky Updates on your cosmos and world 2021">{{cite web | title=The length of a day on Venus is always changing - Space | website=EarthSky | date=2021-05-05 | url=https://earthsky.org/space/venus-length-of-day-spin-rate-axial-tilt-radio-waves/ | access-date=2023-04-29 | first1=Kelly Kizer | last1=Whitt | archive-date=2023-04-28 | archive-url=https://web.archive.org/web/20230428232110/https://earthsky.org/space/venus-length-of-day-spin-rate-axial-tilt-radio-waves/ | dead-url=no }}</ref>。

== 觀察 ==
[[Image:Deviation of day length from SI day.svg|thumb|日長與基於SI日期的偏差。]]
大氣[[角動量]]（AAM）軸向分量的任何變化都必須伴隨著地殼和地函角動量的相應變化（由於角動量守恆定律）。由於大氣壓力對地函-地殼系統的[[慣性矩]]影響輕微，因此主要需要固體地球的[[角速度]]發生變化；即LOD的變化。現時可以在僅幾個小時的積分時間內以高精度量測LOD<ref>{{cite journal|last=Robertson|first=Douglas|title=Geophysical applications of very-long-baseline interferometry|journal=Reviews of Modern Physics|date=1991|volume=63|issue=4|pages=899–918|doi=10.1103/RevModPhys.63.899|bibcode=1991RvMP...63..899R|url=https://zenodo.org/record/1233963|access-date=2024-03-17|archive-date=2022-11-18|archive-url=https://web.archive.org/web/20221118131818/https://zenodo.org/record/1233963|dead-url=no}}</ref>，而且[[大氣環流模型]]允許高精度地確定模型中大氣角動量的變化<ref>{{cite journal|last=Eubanks|first=T. M.|author2=Steppe, J. A. |author3=Dickey, J. O. |author4= Callahan, P. S. |title=A Spectral Analysis of the Earth's Angular Momentum Budget|journal=Journal of Geophysical Research|date=1985|volume=90|issue=B7|pages=5385|doi=10.1029/JB090iB07p05385|bibcode = 1985JGR....90.5385E }}</ref>。AAM和LOD之間的比較表明它們是高度相關的。特別地，可以識別LOD的年週期，其振幅為0.34毫秒，在2月3日最大化，以及半年週期，其幅值為0.29毫秒，在5月8日最大化， <ref>{{cite journal|last=Rosen|first=Richard D.|title=The axial momentum balance of Earth and its fluid envelope|journal=Surveys in Geophysics|date=1993|volume=14|issue=1|pages=1–29|doi=10.1007/BF01044076|bibcode = 1993SGeo...14....1R |s2cid=128761917}}</ref>，以及10天的0.1毫秒量級的波動。還觀測到反映[[聖嬰-南方振盪現象|聖嬰]]事件的季節間波動和準兩年期振盪<ref>{{cite journal |author=Carter, W.E. |author2=D.S. Robinson |title=Studying the earth by very-long-baseline interferometry |url=https://archive.org/details/sim_scientific-american_1986-11_255_5/page/46 |journal=Scientific American |volume=255 |pages=46&ndash;54 |date=1986 |doi=10.1038/scientificamerican1186-46 |issue=5|bibcode = 1986SciAm.255e..46C }}</ref>。現在人們普遍認為，從幾周到幾年的時間尺度上，LOD的大多數變化都是由AAM的變化引起的<ref>{{cite journal|last=Hide|first=R.|author2=Dickey, J. O.|title=Earth's Variable Rotation|journal=Science|date=1991|volume=253|issue=5020|pages=629–637|doi=10.1126/science.253.5020.629|pmid=17772366|bibcode = 1991Sci...253..629H |s2cid=32661656}}</ref>。

== 角動量交換 ==
大氣和地球非氣態部分之間角動量交換的一種管道是蒸發和降水。[[水循環]]在海洋和大氣之間輸送大量的水。當水（蒸汽）大量的上升時，由於角動量守恒，地球的旋轉必須减慢。同樣的，當水以雨的形式降落時，地球的自轉速度會增加，以保持角動量守恆。任何從海洋到大氣的水團全球淨轉移或相反的轉移，都意味著固體/液體地球的旋轉速度變化，都將反映在LOD中。

觀測證據表明，在超過10天的時間內，AAM的變化與其相應的LOD變化之間沒有明顯的時間延遲。這意味著大氣層和固體地球之間由於表面[[摩擦]]而產生的强烈耦合，時間常數約為7天，即[[埃克曼層]]的自轉時間。這個自旋時間是大氣軸向角動量轉移到地球表面的特徵時間，反之亦然。

地面上的緯向風分量是描述大氣剛性旋轉的分量，對地球和大氣之間的軸向角動量傳遞最有效<ref name=Volland>{{cite journal|last=Volland|first=H.|title=Atmosphere and Earth's rotation|journal=Surveys in Geophysics|date=1996|volume=17|issue=1|pages=101–144|doi=10.1007/BF01904476|bibcode = 1996SGeo...17..101V |s2cid=129884741}}</ref>。該分量的緯向風在赤道處相對於地面的振幅為「u」，其中「u」>0表示超自轉，「u」<0表示相對於固體地球的逆行。所有其它風項只是將AAM與緯度重新分配，這種影響在全球範圍內進行平均時會抵消。

表面摩擦允許大氣層在逆行旋轉的情况下從地球「吸收」角動量，或者在[[大氣超旋轉|超旋轉]]的情况下將其釋放到地球。在較長的時間尺度上進行平均，AAM不會與固體地球發生交換。地球和大氣是解耦的，這意味著負責剛性旋轉的地面緯向風分量的平均值必須為零。事實上，觀測到的地面氣候平均緯向風的經向結構顯示，在±30<sup>o</sup>緯度以上的中緯度地區有西風（來自西方），即[[信風]]；在低緯度地區以及兩極附近有東風（來自東方），即[[盛行風]]<ref name="Murgatroyd">Murgatroyd, R.J., .The structure and dynamics of the stratosphere, in Coby G.A. (ed): ''The Global Circulation of the  Atmosphere'',  Roy. Met. Soc., London, p. 159, 1969</ref>。
大氣在低緯度和高緯度從地球獲得角動量，並在中緯度向地球傳遞相同數量的角動量。

剛性旋轉緯向風分量的任何短期波動都伴隨著LOD的相應變化。為了估計這種影響的數量級，可以考慮整個大氣在沒有表面摩擦的情况下以速度「u」（以m/s為單位）剛性旋轉。那麼這個值與一天的長度{{math|Δ''τ''}}（以毫秒為單位）的相應變化有關{{citation needed | date = November 2017}}。
 
<math display="block">u \approx 2.7 \Delta\tau.</math>

日長變化的年分量{{math|Δ''τ''≈0.34}} ms對應於超自轉{{math|'u''≈0.9}}m/s，半年分量{{math|Δ'τ'''≈0.29}}ms到{{math|1'u''≈0.8}}m/s。

== 相關條目 ==
* [[大氣層超旋轉]]

== 參考資料 ==
{{reflist}}

== 延伸閱讀 ==
* {{Cite book|last=Lambeck|first=Kurt|title=The earth's variable rotation: geophysical causes and consequences|url=https://archive.org/details/earthsvariablero0000lamb|date=2005|publisher=[[Cambridge University Press]]|location=Cambridge|isbn=9780521673303|edition=Digitally printed 1st pbk.}}

[[Category:日]]
[[Category:地球]]
[[Category:氣象現象]]
[[Category:大地測量學]]
[[Category:天文学]]