NASA的科学家利用地球水体迁移的卫星数据已经解开了两条关于地球自转摆动的谜题 — 一条是新的，而另一条距今已有一个多世纪。这项研究也许能帮助我们增进对过去和未来气候的了解。虽然地球仪永远在绕着它的南北极点连成的自转轴稳稳地转 着，但真实的地球自转是会摆动的。地球的自转轴缓慢地在极点周围游移；自观测以来，最远的一次偏移距离极点37英尺（12米）。这些摆动并不影响我们的日 常生活，但如果想在GPS、地球观测卫星和地面天文台获得准确结果，就必须要重视它们。
地球并不总是绕着极点连成的自转轴在旋转。随着时间流逝，它会不规律地摆动，在20世纪的大部分时间里，自转轴都是向着北美的方向移动（绿色箭头处）。由于地球上水质量的改变,造成其方向发生了巨大变化。
大约在2000年以前，地球的自转轴是向加拿大方向偏移的（绿色箭头处，左图）。喷气推进实验室（JPL）的科学家们计算了不同地区水体质量（中图）对牵拉自转轴向东偏移及其速率变化的影响（右图）。
图示为陆地水体质量和地球自转轴东--西之间摇摆的关系。欧亚大陆的水量流失会使自转轴大体向东摆动（上图），而欧亚大陆水量的增加则将自转轴向西推（下图）。
在发表于《科学进展》上的一篇论文中，加州帕萨迪纳NASA喷气推进实验室的Surendra Adhikari和Erik Ivins研究了地球水体迁移是如何促使地球自转摆动的。早先的研究已经准确指出了地球表面或内部的动向和地球晃动方式之间的诸多联系。比如地幔仍在重新适应上一次冰河时代后北美洲流失的冰，北美大陆下面的水体质量减少将自转轴以每年几英寸的速度拉向加拿大。然而，还有一些移动仍然无法解释。
向东急转
在2000年前后，地球的自转轴突然向东急转，并且以之前两倍的速度在移动，大约每年7英寸（17厘米）。“它不再向哈德逊湾移动了，而朝向了不列颠群岛。”Adhikari说。“那是一次非常大的摆动。”Adhikari和Ivins开始解释这次出乎意料的变化。
科学家们曾提出，格陵兰岛和南极大陆因冰盖迅速融化而流失的水体质量可能正是导致自转轴向东偏转的原因。NASA/德国太空中心重力恢复与气候实验（German Aerospace Center Gravity Recovery and Climate Experiment，GRACE）的卫星给出了每个月地球质量分布的变化记录，喷气推进实验室的科学家们利用这些数据评估了这项猜测。这些变化很大程度上是由降雪积聚、地下水枯竭等这些日常的水流移动造成的。他们计算了2003至2015年间，地球上的水体在海陆间循环的过程中曾有多少流失和流入参与了推拉地球的自转轴。
Adhikari和Ivins的计算结果表明，仅仅格陵兰岛的变化并不足以产生可以拉动自转轴发生到目前为止偏移的巨大能量。在南半球，南极大陆西部的冰川流失形成了一股拉力，而南极大陆东侧的冰川增加则在推动，格陵兰岛也从北面向同一方向拉动地球的自转轴，但这两股力量的影响加起来也仍然不足以解释自转轴偏移的加速和方向改变。格林兰岛东面一定有某股力量对自转轴施加了额外的拉力。
研究者在欧亚大陆找到了答案。“原因主要是欧亚大陆缺水：在印度次大陆和里海地区，”Adhikari说。
这项发现让人很意外。蓄水层的消耗及枯竭致使这个地区流失了水量，但这些水的流失远远不及冰层的改变剧烈。
所以为什么相对小的流失却有如此巨大的影响？研究者说这是因为自转轴对纬度45度附近的变化非常敏感，南北半球都一样。旋转物体的理论很好地解释了这点，Adhikari解释说。这就是为什么比如印度次大陆上的变化会如此重要。
对旧摆动的新领悟
在解答这项新谜题的过程中，研究者意外地想到了一个极有希望解答另一个古老问题的新方法。地球的自转中，有一种特别的摆动自1899年开始观测起就困扰着科学家们。每6到14年，自转轴都会在原有偏移大方向上向东或向西摆动20到60英寸（0.5到1.5米）。“虽然经过了无数的理论研究和建模，对这种神秘的摆动依然没有找到合理的解释。”Adhikari说。
科学家们将GRACE提供数据期间自转轴东西摆动的情况制成了一张图表，并和同一时段内陆地水量变化的图表进行了对比，喷气实验室的科学家找到了一个惊人的相似之处。极地冰川的变化似乎和摆动无关，只有陆地上的水量变化才会对摆动造成影响。比如欧亚大陆干旱的年份对应的就是向东的摆动，而湿润的年份则对应向西摆动。
当研究者们将GRACE2002年4月至2015年3月期间陆地水团变化的观测结果代入到预测极点位置的经典物理方程中时，他们发现计算结果和已观测到的东西摆动情况非常接近。“这就远不仅是单纯的相关了，”合著者Ivins说。“我们已经将原因分析出来了。”
这项发现提出了一种可能性，即这115年间所记录的地球自转轴东西摇摆的数据，也许可以作为陆地水量变化的极好记录。“它们可以告诉我们一些过去的气候情况 — 干旱和湿润的程度是否有随着时间的推移而增强，还有具体的地区，”Adhikari说。
极移（地球极点偏移）的历史记录不仅具有全球性的广泛意义，同时也极其精确。”Ivins说。“我们的研究表明这组遗留下来的宝贵数据可以被用来计算出陆地水量和冰盖的变化。”
GRACE是一项NASA与德国航天中心(DLR)、德国地球科学研究中心（GFZ）、和德克萨斯大学奥斯汀分校的的合作任务。关于这项任务的更多信息请点击：
http://www.csr.utexas.edu/grace
NASA利用其在太空的优势来增进我们对这颗赖以生存的星球的了解，提高的生活质量同时也保护着未来。NASA开拓了利用长期的数据纪录来观测并研究地球上相互关联的自然系统的新方式。同时也无偿地向全世界的研究机构共享这些珍贵的信息和研究成果，以便获得关于地球变化的新研究视角。