大地震帶來大迷思! 大地震會造成地球自轉軸偏移嗎?

最近許多報導指出日本311大地震，造成地球自轉變快，地軸偏移。

以下摘自中國時報的報導:

日本「地理網」（Geonet）蒐集的資料顯示，三月十一日的東日本大地震，導致日本海岸向東位移最多達四公尺，並導致地軸偏移約十六．五公分，從而稍微加快地球自轉的速度，地球一天的長度也將因此縮短一百八十萬分之一秒(這應該是翻譯錯誤，應該是1.8微秒，即1.8百萬分之一秒，或百萬分之1.8秒)。(中國時報, 2011-03-16)

這個地軸是指地球自轉軸嗎?

許多新聞報導都直指地球自轉軸! 在網路上以「地球自轉軸偏移」做關鍵字搜尋，可以搜尋到二萬則左右的資料。甚至也有學者據此推論「希望地球的自轉軸別偏太多了，雖然磁軸已偏太多了。地上有海嘯，但希望地下的＂岩漿嘯＂別震盪太大，一旦自轉軸偏太大，可能要改變公轉軌道了，這＂代誌＂就大了!」有醬恐怖嗎?

但是根據物理定律(角動量守恆)：轉動的物體如果沒有外來的力(嚴格來說，應該說沒有外力矩)作用，轉動(或轉動軸)的狀態就不會改變，亦即角動量的大小和方向維持不變。所以這裡的地軸變動不應該是地球自轉軸指向太空的方向變動! 如果真是這個變動，那就真的代誌大條，物理定律要改寫了!

底下摘錄自聯合報記者在智利大地震後訪問台大地質學系洪教授的報導：

「地軸偏移」、「自轉變快」，究竟稀不稀奇？台灣大學地質科學系副教授洪淑蕙指出，這並不算很「炫」的事，因為平常的風能和潮汐，造成地球每天延長或縮短的時間，就超過智利地震的影響千倍以上。更何況「1.26微秒」根本沒人感覺得出來。

洪淑蕙解釋，所謂「地球自轉」可想像地球繞著穿過質心的一條假想軸－「質心軸」轉動，智利地震的成因是納斯卡板塊隱沒於南美洲板塊，讓整個球體的質量分布稍微改變，所以造成質心和質心軸些許移動。

至於地球轉動變快，是因為智利地震與「板塊隱沒」有關，可以想像成納斯卡板塊略為「往裡縮」，讓地球整體的轉動慣量變小。但是，地震算是地球自身的「內力」作用，沒有外力干擾，根據角動量守恆定律，地球的角速度變大，轉得快了一些。(聯合報, 2010-4-5)

這樣看來聯合報的報導裡，地軸指的是「質心軸」。問題是：質心軸是否和自轉軸重疊？

美國太空總署(NASA)的地球物理學家Richard Gross這樣說：

The Earth rotates around its rotation axis, but its mass is balanced about a different axis, the figure axis. Because these axes are different, the Earth wobbles as it rotates.(Beitler, 2010, 摘錄自NASA網頁)

地球繞著它的自轉軸旋轉，但是它的質量卻是對另一個不同的軸--質心軸(註1)平衡。因為這兩個軸不同，所以地球自轉時會晃動。

也就是說，地球像中心未對準轉軸而鎖歪了的偏心汽車輪子，當輪子轉動時會有晃動現象。

我們再來看看美國太空總署(NASA)的新聞稿怎麼說?

The calculations also show the Japan quake should have shifted the position of Earth's figure axis (the axis about which Earth's mass is balanced) by about 17 centimeters (6.5 inches), towards 133 degrees east longitude. Earth's figure axis should not be confused with its north-south axis; they are offset by about 10 meters (about 33 feet). This shift in Earth's figure axis will cause Earth to wobble a bit differently as it rotates, but it will not cause a shift of Earth's axis in space—only external forces such as the gravitational attraction of the sun, moon and planets can do that.(NASA, 2011-3-14)

計算同時顯示，日本地震應該已經使得地球質心軸(地球質量對此軸平衡)的位置向東經133度偏移了大約17公分。地球質心軸不應該和地球南北軸(即地球在太空中的自轉軸，註2)混淆，兩者大約相距10公尺。這次地球質心軸的偏移將使得地球自轉時的晃動(註3)和以往有一點點不同，但是它不會造成太空中的地軸變動(指自轉軸指向的變動)——只有外力(如太陽、月亮或行星的萬有引力)才能造成這種變動。

原來地球指向天球的自轉軸並沒有變動，偏移的是質心軸。大地震改變了地球的質量分佈，所以造成質心軸變動，就像汽車輪子撞到大坑洞，結果輪子變了形，它的質心移了位置。但是地震不是外來的力，所以自轉軸相對於天球沒有變動。

謝天謝地! 物理定律終究不用改寫!

這個誤會(註4)讓我們學到以下幾點：

1. 報紙或網路上的資訊不能完全相信，所以我們必須學會並教學生如何分析、判斷及解讀資訊的可信程度。
2. 不只是學生會有迷思概念，其實每個人都有迷思概念，即使是學者專家，在他非專長的領域，也和普通人一樣具有迷思概念。所以，我們應該學習尊重真正具有該領域專長的專家學者意見，而不是輕易相信所謂專家學者的意見，也許這些專家學者的專長並不在此。
3. 如果提供的資訊越充足，產生迷思的可能性就越低，因此報紙不應該刪除前面所引用NASA新聞稿的那一段。老師的教學也是。如果洪淑蕙教授能再提一下，或記者能夠追問，真實地球的質心軸和南北自轉軸是否不同，那麼產生迷思的機會可能會降低。
4. 我們終於知道「地軸(Earth's axis)」這兩個字有可能指質心軸(figure axis)或南北軸(north-south axis)。附帶一提，這裡的南北是指自轉軸上的南北，不是磁針所指的地磁南北，這兩者也是不同的。
5. 高中老師在以後講解角動量守恆時，可以舉「大地震可能造成地球自轉變快(因地球內縮，轉動慣量變小，而角動量必須守恆，所以轉動變快)，但不會造成相對於天球的自轉軸方向變動(因無外力作用，所以無外力矩作用，故地球相對於天球的自轉軸不會改變)」這個活生生的例子。

註1：
figure axis, 直譯是形狀軸，意譯也許也可以翻譯成平衡軸，本文根據台大洪教授的用詞，將其翻譯為質心軸。

註2：
Space.com根據NASA地球物理學家Richard Gross對日本地震對地球影響的研究報導中，對南北軸(north-south axis)及質心軸(figure axis)的解釋如下：

The Earth's figure axis is not the same as its north-south axis in space, which it spins around once every day at a speed of about 1,000 mph (1,674 kph). The figure axis is the axis around which the Earth's mass is balanced and the north-south axis by about 33 feet (10 meters).(Space.com, 2011-3-13)

地球的質心軸和它在太空中的南北軸不同。地球每天以大約每小時1000英哩(1674公里/小時)的速率繞南北軸一次。質心軸是指地球質量對其平衡的軸，在南北軸旁邊約33英呎(10公尺)。

註3：
如果對地球自轉的晃動現象(錢德勒晃動Chandler Wobble)有興趣，可參考下列網頁:

http://en.wikipedia.org/wiki/Chandler_wobble
http://nasadaacs.eos.nasa.gov/articles/2010/2010_gps.html

註4：
地球自轉軸在太空中沒有變動，晃動的是質心軸；相對來說，我們可以看到自轉軸的極點在地球上移動，叫做polar motion(極移)。大地震發生後，實際是質心軸極輕微偏移，相對而言，我們看到地球自轉軸在地球上的相對位置有極輕微偏移，所以實際上有物理性質變動的不是自轉軸，而是質心軸。

2000-2009年地球自轉軸的極點在地球上移動