2.1 地球自转与世界时（UT）

2.1 地球自转与世界时（UT）

本节摘要：世界时是把地球自转读成时间的全套技术。本节讲清从真太阳时到平太阳时的人为抹平，UT 家族逐级修正的思路，以及日长变化的层次结构——正是那层"不可预测的起伏"，最终把地球从基准席位上请了下来。它是第一章演进时间线上"天文时代"站点的放大。

1.3 节的演进时间线里，天文时代结束得很快；要理解它为什么结束，得先看清它曾经多么辉煌。在石英钟出现之前，地球自转是人类拥有的最稳定的周期过程，围绕它建立的一整套观测、归算、发布体系，就是本节的主角：世界时。

从真太阳时到平太阳时：一次人为的"抹平"

直接用太阳定时间会遇到两重麻烦。其一是读数粗糙：太阳视圆面有约半度的角直径，影子边缘又模糊，肉眼观测的极限就在分钟量级。其二是真太阳日不等长：地球沿椭圆轨道公转，角速度时快时慢，自转轴又相对轨道面倾斜，两个效应叠加，使真太阳时相对均匀流逝的偏离——均时差——一年内在正负十六分钟之间摆动。日晷走得"不准"，不是晷针的错，是天本身的不匀。

天文学家的对策是纯数学的：假想一个"平太阳"，沿天赤道匀速运行，其运行周期取回归年的真实平均值。平太阳时由此均匀可测，格林尼治平正午定义出一天，这就是世界时的雏形。恒星时也顺带交代：以春分点为参照的恒星日比平太阳日短约三分五十六秒，因为地球在自转的同时还在公转，每年要多转一圈才能让太阳回到同一方位。

UT 家族：逐级修正的三层楼

把台站的观测归算成世界时，要爬三级台阶：

极移值得多说一句：地球自转轴相对地壳并非固定，地极在地表以米级幅度漂移，经纬度随之微变，不同台站测出的"自转相位"自然有出入。只有把全球台站的观测放到统一的地极坐标下归算，才能得到一致的 UT1——这也是为什么世界时的测定从来是国际合作。今天承担这项任务的是 VLBI（甚长基线干涉测量）：用射电望远镜对准河外射电源，把地球自转相位测到亚毫秒级。老天文台的子午环与照相天顶筒基本退役，但物理原理一脉相承。

图：日长变化的三个成分（示意）

日长到底怎么变

以原子时为裁判，地球这只钟的走时记录可以分为三层，如上图所示：

• 长期变慢：潮汐摩擦把地球自转角动量搬运给月球，日长每世纪增加约一点八毫秒。量小而方向恒定，可以外推——恐龙时代的一天只有约二十三小时，就是这个效应的倒放。
• 季节性与年际波动：大气环流、洋流与固体潮在地表和地球之间交换角动量，日长随之起伏，幅度约一毫秒。大风年与厄尔尼诺年在曲线上留得下痕迹，可部分归因、部分预测。
• 随机起伏与跳变：更深层的地球物理过程（如地核角动量交换）带来不可建模的成分，日长曲线上偶尔出现台阶式的突变。

三层叠加的后果用一句话说：UT1 只能事后精确公布，不能长期预报。 而一个合格的时标恰恰要求"此刻可算、未来可推"，第三章与第四章的原子时标全部满足这条，UT1 满足不了。基准权杖的交接，在这里已经注定。

测自转的仪器自己也在演化

UT 的精度史，一半是观测仪器的演化史。十七到十九世纪的天文台靠子午环：望远镜固定在子午面上，记录恒星穿过视场的时刻，单次观测精度约几十毫秒；二十世纪上半叶的照相天顶筒把底片曝光交给星空自己，一晚的归算精度推到毫秒级；再往后是人造卫星激光测距与 GNSS 的加入，极移的测定精度进入厘米级。今天的 VLBI 把整台"仪器"做到地球直径那么大——相距数千公里的射电望远镜同时对准同一个河外射电源，记录信号到达时刻，相关处理后得到基线方向与地球自转相位，UT1 的测定精度压到亚毫秒。仪器每换一代，地球的"坏习惯"就多暴露一层：季节波动、极移、日长的随机跳变，全都是被越来越好的"尺子"照出来的。

今天的国际地球自转服务（IERS）发布的是一套完整的地球定向参数：极移的两个分量、UT1 与 UTC 的差、以及日长偏离值。注意 UT1 在这份清单里的身份——它已经从"基准时标"降格为"参数"之一，与其他几项平起平坐，共同描述地球这只陀螺在空间里的姿态。同一个物理量，从基准席位降到参数清单，本身就是第二章最浓缩的剧情。

ΔT：一道写进历史的差值

理论上很纯、实用上绕不开的一个量是 ΔT——力学时与 UT1 之差，直观理解就是"地球的钟比均匀时钟慢了多少"的累计账。1900 年前后它恰好接近零；此后地球持续变慢，账越欠越多，如今已积累到约 69 秒。这笔账对历史研究意外地有用：古代日食记录给出了各文明时代的 ΔT 反推值，天文学家用它把《巴比伦编年史》里的日食对准到现代时刻表上——古人的天象观测，成了地球自转史的数据点。工程侧它同样在岗：日月引力潮汐的计算、卫星轨道的长期预报，都必须把这 69 秒及其变化率喂给力学模型。一个"基准落选者"以参数的身份留在每个精密系统的配置表里，这大概是计量史上最体面的退场方式。

时号的世界语：从 BPM 到整点六响

世界时要被人用上，还得"喊出来"。短波电台整点报时的传统延续至今：中国听众熟悉的中央人民广播电台整点六响，源头正是天文台维持的 UTC(k) 经由授时中心的时号发播；短波台 BPM 与长波台长河二号（罗兰 C 的中国型号）先后承担专业用户的高精度授时。民用报时与专业授时是同一条时标的两种出口：前者牺牲精度换覆盖面，后者靠地波与相位编码把精度做到微秒级。第五章讲传递技术时会回到这些电台——它们是时间传递史的第一批基础设施，也是世界时与普通人的生活之间最老的一座桥。

💡 关键直觉：地球自转没有变"坏"，是要求变高了。对农耕文明，真太阳时不均匀的十六分钟无关痛痒；对需要毫秒级同步的导航与深空网，一毫秒就是三百米的信号路程差。基准的标准随应用水涨船高，天体钟是被应用逼退的。

本节要点回顾

• 均时差：真太阳日不等长，一年内偏离正负十六分钟；平太阳时是对它的人为抹平。
• UT 家族：UT0 含台站误差，UT1 修掉极移成为全球自转相位标准，UT2 的季节修正最终被放弃。
• 日长三层结构：潮汐摩擦长期变慢（每世纪约一点八毫秒）、季节波动（毫秒级、可部分归因）、随机起伏（不可预报）。
• 现代测定：VLBI 对河外射电源测自转相位，精度亚毫秒；UT1 今天是"地球定向参数"而非基准。
• 下一站：地球不行，那换月亮和行星当钟？2.2 节讲历书时的兴衰，以及秒如何被原子接走。