作者:刘志伟 来源:科技日报 发布时间:2017/12/28 10:45:35
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地球自转 6年出现一个“减速度”

 

地球有时转得快,有时转得慢,但总体在“转慢”。我国科学家在全球首次发现,在6年周期振荡信号中会出现一个“减速度”。

中科院测量与地球物理研究所与中科院上海天文台专家合作进行了这项研究,相关论文已在国际地学著名期刊《地球和行星科学通讯》上在线发表。

这个给地球“减速”的力量来自哪里?研究它又有什么意义?日前科技日报记者就这些问题,采访了中科院测量与地球物理研究所的专家。

50年减少了0.05毫秒

以太阳为参照物,地球自转一周则需要24小时,即一天,天文学家们不称其为“一天”,而叫“日长”。他们发现,每日的“日长”并不是同样长短,这说明地球自转速率不是固定不变的,不同阶段有快有慢。

中科院测量与地球物理研究所研究员刘根友介绍,作为一个天文学经典课题,分析地球旋转“快慢”,是为了解地球本身。正是地球内核转动,影响其自转速度,专家们从结果到过程,去反推地球内部物理现象和地球表面的物质分布。

即使以年计,这种变化可能是在毫秒级,连“瞬间”都算不上,几乎很难察觉,但在精密测量时,这个量已经很大了,0.1毫秒产生的位置误差在赤道上可达0.5米,产生的无线电波测距误差可达30公里。

刘根友说,针对国际机构发布的长达50年的日长观测数据,中科院测地所团队通过频谱分析发现,存在一个振幅约0.12毫秒的6年周期变化,振幅在减小,1962—2012年总共减少了大约0.05毫秒。

衰减与地球内部能量耗散有关

地球自转速率(日长)的变化非常复杂,在时间尺度上,我们可将日长变化总体上分为季节变化、年际变化以及年代际变化。在更长的时间尺度上,例如,在世纪尺度、甚至数万年尺度上,地球自转速率的确存在长期非常缓慢的减少现象,其主要与地球表面的潮汐摩擦有关。

中科院测量与地球物理研究所段鹏硕博士介绍,6年信号的振幅变化特征及其物理激发机制问题,在国际上长期以来没能得到很好的解答。目前国际上有人认为6年周期刚好是太阳活动周期的一半,试图利用太阳活动来解释日长6年信号,而我们发现日长6年信号也存在衰减现象,日长6年信号的衰减主要与地幔与液态外核边界处存在的能量耗散效应有关。

段鹏硕说,我们的研究表明日长6年信号与地球内核的运动存在本质上的关联,它的变化直接反映地球内核的动力学信息。由于地球内核远在数千公里深的地下,了解它的运动变化特征十分困难,然而,日长6年信号为我们打开了一扇直接了解内核运动的窗口,因此研究它很有意义。

可定量推测地球深部磁场信息

“日长存在一个6年的周期变化,2000年最先被国外专家利用传统小波时频变换技术在日长的观测数据中探测到;而我们利用标准小波变换方法首次探测到了日长6年信号的衰减现象。标准小波变换方法是基于传统小波变换发展而来的。”

段鹏硕说,我们的工作表明日长6年信号本质上是固体内核的本征摆动,由于我们解释日长6年信号及其衰减现象所用的模型是三层地球模型,理论模型结果与观测结果的吻合进一步表明了地球内部的结构的确是三层结构,并且内核与地幔之间的确存在很强的引力耦合作用,这对于了解内—外核边界、核幔边界处的形状信息、内核密度和地幔密度信息等具有重要意义。

最为关键的是我国专家找到了表征日长6年信号衰减现象的品质因子Q值与核幔边界电磁信息之间的定量关系。通过对日长6年信号衰减现象的精确分析,可以直接定量推测地球深部(地幔—液态外核边界)的磁场信息,这是一种新的定量估计地球内部磁场的方法,这种方法是我国科学家在国际上首次提出的。

刘根友研究员说:“这与老百姓生活很远,但人类必须了解我们生活的星球,这是永恒的研究课题。”

 
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