科普之窗

地球内核差速旋转探秘

冯杰

2023-03-31 02:02

宋晓东 杨翼
光明日报( 2023年03月30日 16版)

地球的结构就像一个鸡蛋,由一个一个圈层组成。内核是最中心的部分,它虽然遥远,但与地球的形成和演化息息相关,并影响着地球的磁场和自转。地球的内核甚至还会相对地表旋转。如果地球内核的运动规律变了,会发生什么?近期,北京大学地球与空间科学学院讲席教授宋晓东和该院特聘副研究员杨翼在国际学术期刊《自然·地球科学》上发表论文,揭示了地球内核的差速旋转在近十几年来出现停止并逐渐反转的现象,首次为地心与地表存在动力学联系提供了证据。

地球里面,存在独立转动的“内部星球”

内核相对地幔和地壳的转动被称为内核的“差速旋转”,受到地球内部作用力的影响。

地球在形成初期,由于形成过程中的撞击和放射性元素衰变所产生的热量,整个地球呈熔融状态。而后不同密度的物质开始发生分异,较轻的物质向上移动,在较低的温压条件下凝固形成地壳和地幔;而较重的铁、镍等金属元素则向下沉降,形成了铁镍合金质的地核。地核的半径约占整个地球的一半,其上的地幔占据了地球的大部分体积,而地壳相对而言只是薄薄的一层。因此,人们常用鸡蛋的结构(蛋壳、蛋清和蛋黄)来类比地球的圈层结构(地壳、地幔和地核)。

在早期地核的温度和压力条件下,构成地核的铁镍合金都是液态的。然而随着地球的热量不断散失,液态地核不断冷却,逐渐析出固态的金属物质向地心沉降,于是形成了一个固态的内核。这个过程至今仍然在持续,内核逐渐长大,如今它的半径已经达到了1220公里,比月亮略小一些。

内核在冷凝析出的过程中会释放出热量,不断“加热”外核的底部,如同烧开水一样促进了外核的对流。同时,地核中的物质仍然在继续发生分异,轻元素在内核的生长过程中在内外核边界释放出来,其上升过程也为外核对流提供了重要的动力来源。在初始种子磁场存在的基础上,以铁、镍等金属导体为主要成分的外核液体中将会产生电流,而这些电流又会引发磁场。在这个过程中,电场和磁场互相加强、维持,产生了一个自持续的地磁场,这个机制被称为“地球发电机”。

内核就像一个悬浮在液态外核中的小球,稍加外力干扰,就可能与包裹着它的液体乃至之外的容器(地幔和地壳)进行不一致的运动。内核相对地幔和地壳的转动被称为内核的“差速旋转”。早在20世纪80年代,英国著名地球物理学家戴维·古宾斯就提出,在地球发电机的理论框架下,地核的磁场会在铁合金质的地球内核中引起电流,并产生一个磁力矩,使内核以超出地幔的速度旋转。在90年代中期,加里·格拉茨迈尔和保罗·罗伯茨通过计算机进行三维数值模拟,复现了磁极倒转现象和内核的差速旋转现象,并预测内核的转速与地表转速可相差每年几度。

然而随着理论的发展和计算机模拟能力的进步,地球动力学家们意识到内核的转动并不仅仅是受到电磁力的驱动这么简单。由于地幔和内核都是不均一的球体,二者之间有着强烈的万有引力。在这种重力耦合作用下,内核会倾向于转动到一个重力势能最低的均衡位置。就像我们荡秋千似的,受到阻力影响,没有持续的外力推动,最终是要回到最低点的。因此,在理论上可以预测内核的差速旋转的存在,但是它取决于内核的受力状态,包括电磁力、重力以及摩擦阻力等多种复杂因素的影响。

二十多年持续研究发现,内核差速旋转就像“荡秋千”

下一次反向将出现在本世纪40年代初,变化周期约为60年~70年。

理论研究走在了前面,那我们是否可以从实际观测中看到地球内核的差速旋转呢?

1996年,还在哥伦比亚大学的笔者(宋晓东,编者注)与美国地球物理学家保罗·理查兹在《自然》发表封面文章,首次利用地震波观测到了内核差速旋转的证据。我们观测到,发生于南美洲与南极洲之间的南桑威奇群岛的地震,在北美洲阿拉斯加的地震台站接收到的地震波中,穿透内核的震相的到时在几十年的尺度上发生了系统性的变化。这种变化说明在这几十年间,同一路径上的地震波采样到了不同的结构,也就是说该路径上的内核结构发生了变化。我们将这个变化解释为由内核差速旋转所引起,并计算出内核比地幔和地壳的自转速度快大约1°/年。

这是人类首次观测到深部地球的动态变化,引起了地球科学界的极大轰动,该成果也被美国《科学》杂志评为当年十大科学突破之一,并被《发现》杂志评为20世纪最重要的发现之一。自此,地学界也兴起了一阵观测地球内核的热潮。在后续研究中,差速旋转现象被更多的观测证实,比如美国地震学家约翰·维达力于2000年发现了内核的浅部有一些小尺度的不均质体,并且通过苏联在1971年和1974年的核爆试验产生的地震波的对比中发现这些不均质体的位置发生了横向移动。

但也有研究者一直质疑,这些地震波的变化可能是震源位置的变化造成的影响,而非内核的差速旋转。

直到2005年,笔者(宋晓东研究组,编者注)与哥伦比亚大学的保罗·理查兹研究组进一步合作,利用“重复地震”技术,得到了内核随时间变化的无可争辩而又简洁有力的证据,进一步支持了内核的差速旋转。重复地震是指发生在不同时刻,但具有几乎相同的震源位置和发震机制的一组地震,因此在介质不变的情况下,在同一台站接收到的两次地震的地震波也会几乎一样。通过对比两次重复地震的内核波形,可以从中推测出两次地震之间内核的结构发生了怎样的变化,从而了解差速旋转的幅度。这就好比给人做了两次CT扫描,通过对比两次扫描的结果,可以看出这期间病人的脏器有什么样的变化。

但也有少部分地震学家指出地震波观测信号随时间变化的现象并不一定是地球内核的旋转导致,而是其边界出现了局部的增长或者消融。因此,内核的差速旋转仍然存在着一定的争议。

此次研究,就对这样的争议给出了很好的回应。回到北京大学的笔者首次揭示了地球内核的差速旋转模式在近半个多世纪以来的变化。研究发现,地球内核从20世纪70年代初开始,转动速度略快于地球表面,也就是相对于地表自西向东差速旋转;在2009年左右差速旋转几乎停止,而后甚至出现缓慢的反向(自东向西)差速旋转。观测到的数据在全球不同的地区高度一致,说明是全球性的行为,这对于如此复杂的地球介质来说是惊人的,也有力地支持了内核差速旋转的解释。

我国学者王巍和约翰·维达力的研究表明,在20世纪70年代初期,内核的差速旋转也曾出现从自东向西变成自西向东的反向现象。据此可知,内核的差速旋转就像是“荡秋千”,目前观测到的内核在70年代初和2009年附近的两次反向,分别对应“荡秋千”时在前方和后方的两个最高点。根据这个规律,预计下一次反向将出现在本世纪40年代初,与目前的观测组成一个完整的振荡周期,周期长度约为60年~70年。

此次研究发现的60年~70年振荡周期,恰好与磁场、日长和气候等现象变化的周期吻合,在相位上也有一定对应关系,这对于印证地球从内核到地表的耦合关系有重要意义。根据这项研究,在全世界范围内首次建立了地表变化与地心变化相联系的观测证据,这对于我们理解地球深部动力学过程以及地球系统的运行机制提供了全新的约束。

内核差速旋转在变化,但公众无需焦虑

理解地球内部的运作规律很重要,但不会对日常生活造成可感知到的影响。

美国科幻灾难片《地心抢险记》曾描述了这样一个场面:地核由于未知原因停止了转动,导致磁场消失,世界各地接连出现人员暴亡、大桥断裂、雷击密集等奇怪现象,仿佛世界末日就要到来。这项关于内核旋转模式变化的成果发表之后,许多人开始担心灾难是否就要降临。

事实上,我们大可不必为此而担忧。关于此次对内核旋转模式变化的发现,我们需要明确的是,内核差速旋转的停止,并不意味着内核不再随着地球旋转,而是说内核与整个地球的转速差异减小了。由于各种力的作用,“悬浮”在液态外核中的内核时而转得比地球快,时而转得比地球慢,但这个相对运动对于整个地球的自转而言是非常小的。就像一个微微颤动的弹簧,内核的旋转速度在一个平衡位置周围微微摆动。这个摆动对于科学研究有着重要的意义,它能提供对地球深部动力过程的约束以及对一些高精密度测量造成影响;但对于一个具有自我调节能力的地球系统而言,这些变化并不会对我们的日常生活造成可感知到的影响。

以日长(地球自转的周期)变化为例,它的频谱范围较宽,包含长期趋势变化、年代际变化、季节变化、亚季节变化以及更高频的变化。这些不同周期变化的影响因素非常复杂,除与地核的耦合作用外,如潮汐、冰川、季风、洋流等都会对它造成影响。根据分析,日长变化在68年左右的周期上幅度很大,这与内核差速旋转周期有很好的对应,但变化量仅在毫秒级别,这甚至比眨一次眼睛所花费的时间还短。相对于我们通常熟悉的24小时,一天的时间变长或变短几个毫秒对于日常生活不会产生任何影响。内核差速旋转变化对磁场造成的影响与之类似。已有观测表明,磁场强度变化存在64年左右的变化周期,这也与内核旋转模式变化的周期相对应。但这个周期的磁场变化是非常小的,无论从时间尺度上还是从强度上都不足以解释或引发磁极的反转。

更为有趣的是,在地球的气候系统中也观测到了60年~70年周期的变化模式。我们常认为,人类活动造成的温室气体排放等造成了全球变暖和海平面上升等气候问题,但放眼更长的时间尺度,全球的气候系统也存在着振荡模式。

例如,早在1994年,地理学家施莱辛格和拉曼库迪就发现了全球平均气温存在65年~70年周期的振荡,并且在2016年有研究提出这个周期的变化与地球日长的六七十年周期变化的相位吻合;而最近在2021年,我国学者丁浩提出,全球海平面高度的变化存在着64年的周期,与磁场的64年周期变化的相位几乎一致。因此,虽然目前仍缺乏定量的模型进行系统的评估,但地球深部的内核差速旋转和外核对流等动力过程很可能对地表气候系统有一定的贡献。只有系统地研究清楚地球深部对地表的影响机制和幅度,才能更好地评估人类活动的影响。

总之,我们不必为了听起来非常遥远陌生的内核变化而恐慌,但也不能忽视地球深部过程的影响。地球科学博大精深,地球内核隐秘而遥不可及,但它复杂的结构和活跃的运动吸引着一代又一代科研工作者为之痴迷。对于知识的追求是具有高等智慧的人类的基本需求。对这颗我们生于斯、长于斯的星球进行了解和探究,是我们需要做的一件基本的事,也是探索类地星球的基础。正是这样一份好奇和坚持,汇聚成智慧之光,指引着我们探索世界的奥秘,向未知不断前进。

(作者分别系北京大学地空学院讲席教授、特聘副研究员)


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2023-03-31 10:03
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