北极星是现在最靠近北天极的一颗星，对于身处北半球的人来说，它的位置几乎不变，可以用它来辨别方向。
图1来源：作者提供
但根据中科院上海天文台的科学家们对地球自转的研究，在未来，北极星的这一作用将被织女星替代。
科学家为什么要研究地球自转变化？地球自转的变化对我们眼中的星空有什么影响呢？
Part.1
地球自转一直在变化，
而且变化相当复杂
昼夜交替，日月星辰东升西落，背后的原因是地球自西向东的自转。地球围绕一条通过地心、连接南北极的假想轴转动，这就是地球自转，而那根假想轴被称作自转轴。
从地球北半球看，北极星的位置几乎不变，这是因为它几乎正对着地球自转轴。
但地球自转一直是恒定的吗？
答案是否定的！
地球的自转一直在变化，而且变化得相当复杂，既有“岁差-章动”，还有“极移”和“日长变化”。
1.岁差-章动：自转轴的陀螺式转动和点头地球围绕着自转轴转动。
在地球自转的同时，自转轴也在转动，就像一个陀螺，会造成天极约每2.6万年围绕*极转动一周（如图2所示），这便是岁差。
图2：地球自转轴围绕*极转动的示意图
图片版权：上海天文台
陀螺式运动的同时，天极还相对于*极若即若离，摆动周期小于18.6年，这就是章动。
看到这里，您可能有点糊涂了。天极、*极是什么意思？别着急，听笔者慢慢道来。
为了研究天体的位置和运动，科学家们假想出一个球体——天球，以地球质心为中心，半径无限长，如图3所示。
图3：赤道、*道、北天极、北*极的示意图
图片版权：上海天文台
地球表面的点随着地球自转产生的轨迹中，最长的圆周线称作赤道，而赤道所在的平面称作赤道面，赤道面将天球分为北天球和南天球两部分。自转轴与北、南天球相交的点分别是北天极和南天极。地球围绕太阳公转，轨道平面被称作*道面。假想一条直线经过地球球心，垂直于*道面，它与北、南天球各相交于一点，分别称作北*极和南*极。
赤道面与*道面之间夹角23度26分，两者在天球上存在两个交点，相距度，分别称作春分点和秋分点。
从地球上看，太阳沿着*道面运动，从赤道面以南向北通过天赤道的那个交点是春分点；而太阳从北向南通过天赤道的那个交点是秋分点。太阳通过春分点到达最北的那一点称作夏至点，太阳通过秋分点到达最南的那一点称作冬至点。
早在公元前，人们就发现了地球自转变化导致的异常。
公元前二世纪，古希腊天文学家喜帕恰斯（图3）为颗亮星编制了星表。与年前人们在亚历山大城编制的约20颗星的星表进行比较后，他发现在这年里，这些恒星相对于春分点的位置向东移动了近2度。他推测这可能是春分点沿着*道面后退的结果，进而推算出春分点每年向西移动1度。
这是人类首次发现岁差的证据，结果与现在推算出的每76年向西移动1度存在一定差距。
图4：古希腊天文学家喜帕恰斯
图片来源：wiki
在我国古代，人们通过观测冬至点的移动来推求岁差。
晋代虞喜根据《尧典》记载了解到，在尧的时代，冬至*昏，头顶会看到昴宿；而时隔余年，他自己的实测显示，冬至*昏，头顶看到的星宿不是昴宿，而是相距50多度的东壁了。据此他推断出，冬至点每50年向西移动1度，并创立了岁差的概念。
中国古人还首度将岁差纳入历法计算。
为什么存在岁差，牛顿最早给出了理论解释。
地球是一个椭球，赤道部分较为突出，两极稍扁。相比于对非赤道部分的引力，太阳和月球对赤道突出部分的引力更大，造成自转轴绕着*极转动，北天极沿着与*道面平行的平面向西移动，大约每2.6万年移动一周，即每76年约移动1度。除了日月造成的岁差，在其它行星的引力作用下，还存在微弱的附加岁差。如果地球是一个正球体，或者地球赤道面与*道面以及白道面重合，在忽略其它行星对地球的作用后，将不会出现岁差现象。
日、月轨道的复杂相互作用，又产生了许多短周期振动，这些短周期通常小于18.6年，主要体现为一种北天极相对于北*极若即若离的点头式运动，它们便是通常的所谓章动。
2.极移：研究极移数据让我们更好地了解地球地球自转轴与地球表面有两个交点，以其中一个交点为例，地球在表面大气、内部流体等影响下，该交点在地球表面的位置并不是固定不变的，而会发生移动，这便是极移。在交点位置变化的区域内，确定一个参考点，参考点与地球质心的连线为参考轴，固定在地球上。你会发现，极移就是指自转轴相对于固定在地球上的参考轴的“漂”。根据近80年来的天文观测资料，发现了极移数据中包含着多个周期的极移，如周期接近14个月的张德勒周期极移，周期为一个月、半个月和一天左右的各种短周期极移等。造成极移的因素很多，包括外部因素和内部因素，外部因素涉及日、月引力以及大气和海洋的作用，内部因素则涉及到地幔、地核等内部结构的物理机制。
因此，如果我们研究极移的观测数据，反过来可以帮助探究地球的外部因素和内部结构。
目前，上海天文台地球自转变化课题组的科研人员正着力于开展工作，利用观测的极移数据来探测地球深内部大尺度的流体运动（例如液核振荡）和固体内核摆动；同时开展数值模拟工作，探究地球深内部流体以及内核运动如何影响极移。
3.日长变化：地球自转的变慢让白天和黑夜都变得更长由于月球和太阳对地球的潮汐作用，地球的自转越来越慢，日长不断变长，即白天和黑夜时间都在变长，平均约每年变长0.秒。
除了自转速率越来越慢，科学家们还发现自转速率存在周期性的变化。日长变化具有从一天到数十年、甚至更长期的变化频谱，分别对应于不同的天文和地球物理机制。一般认为，尺度为数十年的年代际变化和尺度约5到10年的亚十年变化很可能与地球深内部物理有关。
Part.2
自转轴指向参数：
除地震学以外，研究地球深内部的重要手段
上述提到的岁差-章动、极移和日长变化，在物理上用自转轴指向参数（EarthOrientationParameters;EOP）表示。它们都反映了地球的整体运动及其随时间变化的重要信息。
EOP被认为是除地震学之外，另一种研究地球深内部物理学的重要手段，是天文学为研究地球内部而特制的“望远镜”，一直是科学家们重点测量和研究的对象之一。
图5：地球内部结构的艺术家想象图
图片来源：《国家地球儿童版》网站
如图5所示，从外到内，地球内部的圈层包括地壳、地幔、流体外核和固体内核。它们具有怎样的物理结构，运动状态如何？它们相互之间正在发生哪些动力学耦合作用？液核中的磁场是如何产生、维持、变化的？这些神秘而重要的科学信息对理解我们所处的地球并进而推广到对其它类地行星的研究等都至关重要。
令人遗憾的是，所有这些信息我们都不能从地表或空间直接观测得到。但幸运的是，上述这些问题都可以通过对EOP变化的精细特征入手进行间接“观测”和研究。
接下来，就请随笔者去了解上海天文台的地球自转变化课题组最新发表的研究成果，看看他们从日长变化的数据中发现了什么。
Part.3
首次发现日长变化中的一个新信号
近日，中国科学院上海天文台动力学研究中心地球自转变化课题组、中国科学院行星科学重点实验室在EOP参数之日长变化研究方向取得了新进展，首次发现了日长变化中存在显著的约8.6年周期的振幅增强信号，并首次发现该振荡的极值时刻与地磁场的快速变化的发生存在密切的对应关系。
目前这项研究成果已经在线发表在国际著名综合期刊《自然·通讯》（NatureCommunications）（后文简写成“该研究”）；另一项关于日长变化6年信号的检测及其衰减和激发的物理机制的最新研究也发表在国际知名地学期刊《地球物理学研究杂志：固体地球物理学》（JournalofGeophysicalResearch:SolidEarth）。
关于日长变化的精细时变特征和相关的物理原因，目前该领域还所知甚少，但这部分的研究对于进一步了解地核的年际运动特征以及解决地磁场快速变化的起源问题具有重要意义。地磁场的快速变化被称作地磁急变（“jerk”）。
据该研究的第一作者、上海天文台的段鹏硕副研究员介绍，他们的研究采用了国际地球自转服务系统(IERS)提供的至年近57年的日长变化数据，结合大量数值模拟算例分析，基于标准小波时频变换方法(NMWT)和他们独立发展的“去小波边缘效应”(BEPME)的策略”，准确地分离出目标谐波信号。
虽然NMWT方法具有很高的频率分辨能力,能区分日长亚十年变化中不同的频率成分，然而该方法具有显著的边缘效应问题。所谓NMWT边缘效应，可以用观测时间序列的跨度与边缘效应的区间长度之间的比较来衡量。比值越小，小波边缘效应对提取信号振幅（信号的强弱）的影响越大。如果取标准小波的窗宽因子为3，周期为6年的信号对应的区间长度接近30年，而此次采用的数据时间跨度是57年，数据时间跨度不到区间长度的2倍，边缘效应明显，使得难以准确地分离出目标信号。
图6.利用该研究所提出的方法(NMWT+BEPME)提取的日长亚十年振荡结果（红线）与原始信号（黑线）的比较：两曲线总体上非常吻合，表明日长亚十年变化特征可以很好地使用6年和8.6年两种频率信号的叠加解释。
他们独立发展的BEPME策略可以很好地弥补这一不足，从而准确地分离出目标谐波信号。该团组研究结果表明，日长亚十年变化中实际存在两个主成分的周期信号，周期分别为6年及8.6年。如图5所示，这两个信号的叠加可以很好地解释观测到的日长亚十年变化的时频域特征。也就是说，他们的工作否定了目前国际上已被广泛接受的日长变化亚十年周期信号中仅存在周期为6年的信号的观点，首次发现了日长亚十年变化中存在显著的约8.6年周期的振幅增强信号，如图8所示。
段鹏硕指着图6，略加思索，充满期待地说：这批数据中还蕴藏着一些有意思的问题，由我们工作重构的日长振荡结果（红线）与原始信号（黑线）总体拟合得很好，但在年和年左右却稍有差别。那么为什么存在差别，便是我们接下来要重点攻关的问题。
这个新信号的极值时刻与地磁场的快速变化很可能有关系。
前人工作未能澄清日长亚十年变化的不同物理起源问题，而他们的研究表明，日长变化中周期约8.6年的信号很可能与液核表面赤道附近的扭转阿尔芬波振荡有关。
根据天体磁场的发电机理论，地球的磁场源于地球内部的地核。内核温度高达约开尔文，向外散发热量，推动液态外核中的熔融铁的对流运动，如图8中橙色的线所示。于是，导电流体在宇宙初始磁场中的运动产生电流，该电流又会激发产生新的磁场，如图6中蓝线所示。
图7：地球发电机（地球磁场产生原理）示意图。
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