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地球內核自轉速率竟快于地表

發(fā)布時間:2022-06-30 10:36:00來源: 科技日報

  是什么導致了地球內核的差速旋轉?專家指出,在外部力矩作用下,地球內核會相對于地幔轉動,使得內核自轉與地球的自轉速率不一樣。這個外力可能來自地球磁場與內核的耦合及地幔與內核的重力耦合。

  近日,美國南加州大學的研究團隊重新分析了1969年和1971年2次地下核試驗后近6年的地震波數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)地球內核自轉速率在1969—1971年比地球整體慢了0.1度,而在1971—1974年又比地球快了0.29度。這標志著科學家首次通過地震學觀測,驗證了地球內核6年周期往復振蕩的理論。

  為何地球內核與地球的旋轉速度會不一致?宇宙中其他天體也存在這種現(xiàn)象嗎?科學家又是如何“透視”天體內部情況的?

  地球內核被稱為“星球內的星球”

  很多人認為,地球應是一個整體,內核的旋轉速度和方向應該和地球保持一致??墒鞘聦崊s非如此?!暗厍驈恼Q生伊始發(fā)生了多種動力學過程,如星子匯集聚合、沉積分異、巖漿海和地殼冷卻等,這使得地球整體由外向內出現(xiàn)了地殼、地幔、液體外核、固體內核等類似洋蔥或煮熟雞蛋那樣的分層結構。”中國科學院國家天文臺研究員平勁松表示。

  地球物理學家、北京大學講席教授宋曉東對科技日報記者表示,地球作為一個天體,是整體自轉的;但是根據(jù)以往的觀測,地球內核自轉與地球自轉在速率上稍微有點差別,這就是內核的“差速旋轉”。因此,地球內核也被稱為“星球內的星球”。最新數(shù)據(jù)顯示,地球與地球內核的轉動速率每年相差大約0.1度,不過這個速率很可能隨時間而變化。

  是什么導致了地球內核的差速旋轉?宋曉東指出,在外部力矩作用下,地球內核會相對于地幔轉動,使得內核自轉與地球的自轉速率不一樣。這個外力可能來自地球磁場與內核的耦合及地幔與內核的重力耦合。理論上,內核自轉既可以比地球自轉快,也可能稍慢。

  記者了解到,目前地核研究的主流理論模型認為,地球內核的轉速是恒定的,地球自轉存在一個約6年(5.9年)的周期震蕩。在解釋6年周期震蕩機理方面,科學家給出了包括地球內部地磁異常、核幔耦合振蕩、地球內核震蕩等多種推測。

  不過,在本世紀初,平勁松所在的研究地球自轉固體潮汐的團隊使用長期固體潮汐監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了11.5—12年的地球內核振蕩周期,這個周期與木星的軌道周期一致?!暗厍蜃赞D5.9年的周期變化,正是木星公轉周期的一半?!逼絼潘烧J為,正是木星協(xié)同太陽合相作用在地球殼、幔上力矩大小的周期變化,引起了地球內核自轉速率的變化。

  “地球內核的自轉速度或許會稍快于地幔,但是速率會一直保持恒定。而地殼和地幔的自轉因受到內部和外部的力矩、荷載等因素影響,轉速會出現(xiàn)時快時慢或相對方向變化的現(xiàn)象?!逼絼潘烧f,多重因素作用下,導致地球自轉變化不可簡單預測、預報。

  平勁松指出,除了地球之外,內部結構與地球類似的伴星如月球,以及金星、火星和氣體行星的衛(wèi)星、矮行星等,其自轉也會發(fā)生時快時慢或方向變化的現(xiàn)象。

  其中,人類已利用地月激光測距技術對月球自轉周期的變化持續(xù)觀測了約50年;近幾年,火星的自轉變化也被“洞察”號上的星地微波鏈路所證實。

  法國圖盧茲天體物理和行星研究所博士后李剛補充道,恒星內部圈層間也存在自轉速度的差別,被稱作“較差自轉”。天文學家發(fā)現(xiàn),小到白矮星、中子星等,大到星團和星系都存在較差自轉。以太陽為例,在深度為0.7個太陽半徑處,有一個厚度為0.04個太陽半徑、被稱作“差旋層”的區(qū)域,以這里為界線,太陽的自轉情況發(fā)生了急劇變化:在差旋層以里,太陽的較差自轉不是很明顯;而在差旋層以外,太陽在不同深度和不同緯度都呈現(xiàn)出非常明顯的較差自轉。

  天體“氣質”與其內核密切相關

  所有行星內核都存在差速旋轉機制嗎?平勁松介紹,行星的內核主要有3種類型,分別為固體核、液體核以及液體外核與固體內核的組合體。地球的內核歸屬于第三類,既包括一個巨大的液體外核,又含有一個富含鐵鎳的固體內核。

  固體核與液體核的行星“氣質”各不相同。平勁松指出,固體核的行星,其核心的轉動與行星整體保持同步。而液體外核,液體或半液體核幔邊界的行星,其固體內核或固體核的轉動可以與幔不同步。

  一個擁有液體內核的行星,極大可能是處于行星形成的早期階段,其自身的轉動有點像一個旋轉著的生雞蛋,轉速較快且方向和轉速都不穩(wěn)定;隨著能量耗散衰減、分層固化,自轉速度逐步減慢和穩(wěn)定。

  那么,恒星的內核又是什么樣子的?李剛表示,恒星通常有一個正在核反應燃燒的內核。不過,不同年齡的恒星內核差別也很大。他舉例道,太陽這類正值壯年的恒星,有著燃燒氫元素的內核;而年老的恒星,有的內核可能已停止燃燒,但存在一層圍繞內核燃燒的包層;有的可能內核被再次點燃,繼續(xù)燃燒氦元素或者更重的元素;還有的可能最終走向死亡,只留下一個燃燒殆盡、慢慢冷卻的內核。

  “恒星內核的性質直接決定了恒星的外貌?!崩顒偨忉屨f,相比于太陽,年老的恒星大多溫度低但明亮;而已經死亡的恒星,如白矮星和中子星則顯得暗淡但溫度高。

  借助震動波透視天體內核

  科學家是如何透過天體表面,探測天體內核旋轉方向的?

  宋曉東告訴記者,一直以來,科學家通過地震波來探測地球內核的多種物理特性。他解釋道,地球發(fā)生地震之后會產生地震波,地震波會向地球深部傳播,研究地震波的傳播速度等性質,可以了解地球深部的結構分層及運動狀況。

  宋曉東及其團隊于1996年首次觀測到了地震波通過地球內核時的時間和速度產生了變化,從而推測出地球內核是相對于地幔發(fā)生旋轉的。不過,地球內核的旋轉速率目前仍有不確定性,因為旋轉速率本身也很可能在變化。

  平勁松指出,利用地震波探測天體內部的方法十分普遍,19世紀科學家就用它對地球分層結構進行了探測;20世紀70年代美國月球探測任務用地震波探測月球的內部分層構造;近年來,歐洲火星探測任務將其用于探測火星的內部構造。

  對于恒星,天文學家更難以直接觀測到恒星內部的結構,于是他們借助“星震學”來探測恒星內部。

  李剛表示,星震學與地震學很類似,都是通過研究天體內部的震動波來推斷天體的內部結構,有點像日常生活中我們通過“拍西瓜”來判斷瓜熟不熟。但是星震與地震的不同之處在于,星震是持續(xù)不斷的震動,而地震只是偶然發(fā)生。恒星的震動波會局部壓縮氣體,從而造成恒星溫度和亮度的變化?;谶@一特性,天文學家通過長時間監(jiān)測恒星亮度的變化來觀測恒星的震動,并測量震動的頻率。

  恒星震動的頻率會因其內部不同物理過程的擾動而有所變化?!按騻€比方說,熟西瓜和生西瓜用手拍一拍,聽到的聲音也不相同?!崩顒傉f,天文學家通過高精度的頻率測量和細致的物理模型推演,來計算恒星內部旋轉速率、元素分布等不同物理特性。

  比如對恒星年老后形成的紅巨星,天文學家通過分析一些紅巨星的震動信號發(fā)現(xiàn),紅巨星有著非常強烈的較差自轉現(xiàn)象,其內核自轉速率一般比表面快數(shù)十倍。 (唐芳)

(責編: 李雨潼)

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