作者:唐芳 来源:科技日报 发布时间:2022/6/30 10:05:16
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“表里不一”的地球: 内核自转速率竟快于地表

 

是什么导致了地球内核的差速旋转?专家指出,在外部力矩作用下,地球内核会相对于地幔转动,使得内核自转与地球的自转速率不一样。这个外力可能来自地球磁场与内核的耦合及地幔与内核的重力耦合。

近日,美国南加州大学的研究团队重新分析了1969年和1971年2次地下核试验后近6年的地震波数据,发现地球内核自转速率在1969—1971年比地球整体慢了0.1度,而在1971—1974年又比地球快了0.29度。这标志着科学家首次通过地震学观测,验证了地球内核6年周期往复振荡的理论。

为何地球内核与地球的旋转速度会不一致?宇宙中其他天体也存在这种现象吗?科学家又是如何“透视”天体内部情况的?

地球内核被称为“星球内的星球”

很多人认为,地球应是一个整体,内核的旋转速度和方向应该和地球保持一致。可是事实却非如此。“地球从诞生伊始发生了多种动力学过程,如星子汇集聚合、沉积分异、岩浆海和地壳冷却等,这使得地球整体由外向内出现了地壳、地幔、液体外核、固体内核等类似洋葱或煮熟鸡蛋那样的分层结构。”中国科学院国家天文台研究员平劲松表示。

地球物理学家、北京大学讲席教授宋晓东对科技日报记者表示,地球作为一个天体,是整体自转的;但是根据以往的观测,地球内核自转与地球自转在速率上稍微有点差别,这就是内核的“差速旋转”。因此,地球内核也被称为“星球内的星球”。最新数据显示,地球与地球内核的转动速率每年相差大约0.1度,不过这个速率很可能随时间而变化。

是什么导致了地球内核的差速旋转?宋晓东指出,在外部力矩作用下,地球内核会相对于地幔转动,使得内核自转与地球的自转速率不一样。这个外力可能来自地球磁场与内核的耦合及地幔与内核的重力耦合。理论上,内核自转既可以比地球自转快,也可能稍慢。

记者了解到,目前地核研究的主流理论模型认为,地球内核的转速是恒定的,地球自转存在一个约6年(5.9年)的周期震荡。在解释6年周期震荡机理方面,科学家给出了包括地球内部地磁异常、核幔耦合振荡、地球内核震荡等多种推测。

不过,在本世纪初,平劲松所在的研究地球自转固体潮汐的团队使用长期固体潮汐监测数据发现了11.5—12年的地球内核振荡周期,这个周期与木星的轨道周期一致。“地球自转5.9年的周期变化,正是木星公转周期的一半。”平劲松认为,正是木星协同太阳合相作用在地球壳、幔上力矩大小的周期变化,引起了地球内核自转速率的变化。

“地球内核的自转速度或许会稍快于地幔,但是速率会一直保持恒定。而地壳和地幔的自转因受到内部和外部的力矩、荷载等因素影响,转速会出现时快时慢或相对方向变化的现象。”平劲松说,多重因素作用下,导致地球自转变化不可简单预测、预报。

平劲松指出,除了地球之外,内部结构与地球类似的伴星如月球,以及金星、火星和气体行星的卫星、矮行星等,其自转也会发生时快时慢或方向变化的现象。

其中,人类已利用地月激光测距技术对月球自转周期的变化持续观测了约50年;近几年,火星的自转变化也被“洞察”号上的星地微波链路所证实。

法国图卢兹天体物理和行星研究所博士后李刚补充道,恒星内部圈层间也存在自转速度的差别,被称作“较差自转”。天文学家发现,小到白矮星、中子星等,大到星团和星系都存在较差自转。以太阳为例,在深度为0.7个太阳半径处,有一个厚度为0.04个太阳半径、被称作“差旋层”的区域,以这里为界线,太阳的自转情况发生了急剧变化:在差旋层以里,太阳的较差自转不是很明显;而在差旋层以外,太阳在不同深度和不同纬度都呈现出非常明显的较差自转。

天体“气质”与其内核密切相关

所有行星内核都存在差速旋转机制吗?平劲松介绍,行星的内核主要有3种类型,分别为固体核、液体核以及液体外核与固体内核的组合体。地球的内核归属于第三类,既包括一个巨大的液体外核,又含有一个富含铁镍的固体内核。

固体核与液体核的行星“气质”各不相同。平劲松指出,固体核的行星,其核心的转动与行星整体保持同步。而液体外核,液体或半液体核幔边界的行星,其固体内核或固体核的转动可以与幔不同步。

一个拥有液体内核的行星,极大可能是处于行星形成的早期阶段,其自身的转动有点像一个旋转着的生鸡蛋,转速较快且方向和转速都不稳定;随着能量耗散衰减、分层固化,自转速度逐步减慢和稳定。

那么,恒星的内核又是什么样子的?李刚表示,恒星通常有一个正在核反应燃烧的内核。不过,不同年龄的恒星内核差别也很大。他举例道,太阳这类正值壮年的恒星,有着燃烧氢元素的内核;而年老的恒星,有的内核可能已停止燃烧,但存在一层围绕内核燃烧的包层;有的可能内核被再次点燃,继续燃烧氦元素或者更重的元素;还有的可能最终走向死亡,只留下一个燃烧殆尽、慢慢冷却的内核。

“恒星内核的性质直接决定了恒星的外貌。”李刚解释说,相比于太阳,年老的恒星大多温度低但明亮;而已经死亡的恒星,如白矮星和中子星则显得暗淡但温度高。

借助震动波透视天体内核

科学家是如何透过天体表面,探测天体内核旋转方向的?

宋晓东告诉记者,一直以来,科学家通过地震波来探测地球内核的多种物理特性。他解释道,地球发生地震之后会产生地震波,地震波会向地球深部传播,研究地震波的传播速度等性质,可以了解地球深部的结构分层及运动状况。

宋晓东及其团队于1996年首次观测到了地震波通过地球内核时的时间和速度产生了变化,从而推测出地球内核是相对于地幔发生旋转的。不过,地球内核的旋转速率目前仍有不确定性,因为旋转速率本身也很可能在变化。

平劲松指出,利用地震波探测天体内部的方法十分普遍,19世纪科学家就用它对地球分层结构进行了探测;20世纪70年代美国月球探测任务用地震波探测月球的内部分层构造;近年来,欧洲火星探测任务将其用于探测火星的内部构造。

对于恒星,天文学家更难以直接观测到恒星内部的结构,于是他们借助“星震学”来探测恒星内部。

李刚表示,星震学与地震学很类似,都是通过研究天体内部的震动波来推断天体的内部结构,有点像日常生活中我们通过“拍西瓜”来判断瓜熟不熟。但是星震与地震的不同之处在于,星震是持续不断的震动,而地震只是偶然发生。恒星的震动波会局部压缩气体,从而造成恒星温度和亮度的变化。基于这一特性,天文学家通过长时间监测恒星亮度的变化来观测恒星的震动,并测量震动的频率。

恒星震动的频率会因其内部不同物理过程的扰动而有所变化。“打个比方说,熟西瓜和生西瓜用手拍一拍,听到的声音也不相同。”李刚说,天文学家通过高精度的频率测量和细致的物理模型推演,来计算恒星内部旋转速率、元素分布等不同物理特性。

比如对恒星年老后形成的红巨星,天文学家通过分析一些红巨星的震动信号发现,红巨星有着非常强烈的较差自转现象,其内核自转速率一般比表面快数十倍。

 
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