日长波动

日长波动是一天的长度（LOD）变化，肇因于潮汐效应，在长期的地球历史中是渐增的，但也会在较短的时间范围内波动。通过原子钟和卫星激光测距对时间的精确量测表明，LOD会发生许多不同的变化。这些细微的变化周期从几周到几年不等。国际地球自转服务监测这些变化：它们归因于地球大气的动态与其和地球本身之间的相互作用。

在没有外部扭矩的情况下，地球作为一个整体系统的总角动量必须是恒定的。内部扭矩是由于地核、地幔、地壳、海洋、大气和冰冻圈的相对运动和质量重新分布造成的。为了保持总角动量恒定，一个区域的角动量变化必须由其它区域的角动量变化来平衡。

地壳运动（如大陆漂移）或极盖融化是缓慢的长期事件。据估计，地核和地幔之间的特征耦合时间约为十年，而地球自转速率的所谓“十年波动”被认为是由地核内部的波动转移到地幔上引起的。即使在几年到几周的时间尺度上，日长（LOD）也会有很大变化（图），在消除外部扭矩的影响后，观察到的LOD波动是内部扭矩作用的直接结果。这些短期波动很可能是由固体地球和大气之间的相互作用产生的。

其它行星的日长也会波动，尤其是金星行星，它的大气层非常活跃和强大，使其日长波动可达20分钟。

观察

日长与基于SI日期的偏差。

大气角动量（AAM）轴向分量的任何变化都必须伴随着地壳和地幔角动量的相应变化（由于角动量守恒定律）。由于大气压力对地幔-地壳系统的惯性矩影响轻微，因此主要需要固体地球的角速度发生变化；即LOD的变化。现时可以在仅几个小时的积分时间内以高精度量测LOD，而且大气环流模型允许高精度地确定模型中大气角动量的变化。AAM和LOD之间的比较表明它们是高度相关的。特别地，可以识别LOD的年周期，其振幅为0.34毫秒，在2月3日最大化，以及半年周期，其幅值为0.29毫秒，在5月8日最大化， ，以及10天的0.1毫秒量级的波动。还观测到反映圣婴事件的季节间波动和准两年期振荡。现在人们普遍认为，从几周到几年的时间尺度上，LOD的大多数变化都是由AAM的变化引起的。

角动量交换

大气和地球非气态部分之间角动量交换的一种管道是蒸发和降水。水循环在海洋和大气之间输送大量的水。当水（蒸汽）大量的上升时，由于角动量守恒，地球的旋转必须减慢。同样的，当水以雨的形式降落时，地球的自转速度会增加，以保持角动量守恒。任何从海洋到大气的水团全球净转移或相反的转移，都意味着固体/液体地球的旋转速度变化，都将反映在LOD中。

观测证据表明，在超过10天的时间内，AAM的变化与其相应的LOD变化之间没有明显的时间延迟。这意味着大气层和固体地球之间由于表面摩擦而产生的强烈耦合，时间常数约为7天，即埃克曼层的自转时间。这个自旋时间是大气轴向角动量转移到地球表面的特征时间，反之亦然。

地面上的纬向风分量是描述大气刚性旋转的分量，对地球和大气之间的轴向角动量传递最有效。该分量的纬向风在赤道处相对于地面的振幅为“u”，其中“u”>0表示超自转，“u”<0表示相对于固体地球的逆行。所有其它风项只是将AAM与纬度重新分配，这种影响在全球范围内进行平均时会抵消。

表面摩擦允许大气层在逆行旋转的情况下从地球“吸收”角动量，或者在超旋转的情况下将其释放到地球。在较长的时间尺度上进行平均，AAM不会与固体地球发生交换。地球和大气是解耦的，这意味着负责刚性旋转的地面纬向风分量的平均值必须为零。事实上，观测到的地面气候平均纬向风的经向结构显示，在±30^o纬度以上的中纬度地区有西风（来自西方），即信风；在低纬度地区以及两极附近有东风（来自东方），即盛行风。 大气在低纬度和高纬度从地球获得角动量，并在中纬度向地球传递相同数量的角动量。

刚性旋转纬向风分量的任何短期波动都伴随着LOD的相应变化。为了估计这种影响的数量级，可以考虑整个大气在没有表面摩擦的情况下以速度“u”（以m/s为单位）刚性旋转。那么这个值与一天的长度Δτ（以毫秒为单位）的相应变化有关。

$$u\approx 2.7\Delta \tau .$$

日长变化的年分量Δτ≈0.34 ms对应于超自转'u≈0.9m/s，半年分量Δ'τ≈0.29ms到1'u≈0.8m/s。

相关条目

• 大气层超旋转

延伸阅读

• Lambeck, Kurt. The earth's variable rotation: geophysical causes and consequences Digitally printed 1st pbk. Cambridge: Cambridge University Press. 2005. ISBN 9780521673303.