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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽系系主任
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深地科學(xué)新進(jìn)展—— 我國學(xué)者宋曉東、楊翼發(fā)現(xiàn)地球內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化
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深地科學(xué)新進(jìn)展—— 我國學(xué)者宋曉東、楊翼發(fā)現(xiàn)地球內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化 發(fā)布時間:2023-01-24 人們知道地球的自轉(zhuǎn)周期并非是標(biāo)準(zhǔn)的24小時整，而是每天都有著微弱的變化。更為奇妙的是，處于地球最中心的固態(tài)內(nèi)核，有著和外部圈層不一樣的自轉(zhuǎn)周期，也就是地球內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。地球中心的地核的主要成分是鐵合金，分為液態(tài)的外核和固態(tài)的內(nèi)核兩個主要圈層。外核的對流是地球磁場的來源，其施加在內(nèi)核上的電磁力矩驅(qū)動了內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)。同時在萬有引力的作用下，固態(tài)且不均一的內(nèi)核和地幔之間也有重力耦合效應(yīng)，這將影響內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。然而無論是通過地球動力學(xué)的模擬還是地震學(xué)的觀測，地球內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)的速度和模式的確定，都極具挑戰(zhàn)性。這一問題的解決將對地球深部的動力學(xué)過程和地核地幔的耦合機制提供全新的約束，有助于我們理解地球深部圈層的運行機制。該研究成為深地科學(xué)的重點探索任務(wù)。 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院宋曉東教授和特聘副研究員楊翼博士最新的研究結(jié)果揭示了地球內(nèi)核近七十年來的差速旋轉(zhuǎn)模式的變化。該研究利用在同一震源重復(fù)發(fā)生的天然地震追蹤地球內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)模式。重復(fù)地震的地震波在同一個臺站接收到的記錄通常具有相同的波形，然而當(dāng)?shù)卣鸩ú蓸拥降厍騼?nèi)核時，卻會顯示出不一樣的波形和到時（例如圖1），這是由于內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致其內(nèi)部的不均勻結(jié)構(gòu)發(fā)生了橫向移動，兩次地震記錄有著空間中的同樣的路徑卻采樣到了不同的內(nèi)核結(jié)構(gòu)。通過分析長期的波形的變化模式，就可以推斷出內(nèi)核旋轉(zhuǎn)的模式。令人驚訝的是，近十余年來，這種地震信號的時變現(xiàn)象在全球的地震波路徑上統(tǒng)一消失了。經(jīng)過更精確的分析得出了地球內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)在2009年就接近停止并開始緩慢地反向。類似的反向旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象在上世紀(jì)70年代初期也有出現(xiàn)，意味著內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)很可能存在周期為六七十年左右的震蕩模式。 同時，在地磁場強度和地球日長（自轉(zhuǎn)周期）變化的信號中，甚至在全球平均海平面和氣溫變化當(dāng)中，也存在著同樣的六七十年周期的信號，并且它們在相位上也存在著一定的對應(yīng)關(guān)系。地磁場的變化意味著外核流體運動模式的變化，日長的變化代表著地幔和地殼旋轉(zhuǎn)的角速度變化，而全球海平面和氣溫變化源自地表（和大氣圈）的變化。由此可見地球的內(nèi)核、外核、地幔和地表之間，由于電磁和重力等耦合效應(yīng)，形成了一個周期為六七十年、從內(nèi)核到淺表的耦合共振系統(tǒng)，這對于揭示地球作為一個系統(tǒng)的運行機制有重要意義（圖2）。 該成果于2023年1月23日正式發(fā)表在《自然.地球科學(xué)》(Nature Geoscience)上，研究論文題為“Multidecadal variation of the Earth’s inner-core rotation”，同刊發(fā)表的研究簡文題為“Rotation of the Earth's inner core changes over decades and has come to near-halt” （論文鏈接見文末）。楊翼博士為兩篇文章的第一作者，宋曉東是北大講席教授為兩篇文章的通訊作者。 該研究是中國地質(zhì)科學(xué)院和北京大學(xué)地空學(xué)院共建的“自然資源部深地科學(xué)與探測技術(shù)實驗室”（SinoProbe Laboratory）的成果，受到科技部“地球系統(tǒng)與全球變化”重點專項、自然科學(xué)基金地震聯(lián)合基金和青年基金、以及博士后面上基金的資助。 “自然資源部深地科學(xué)與探測技術(shù)實驗室”于2021年2月經(jīng)自然資源部批復(fù)并正式掛牌，依托中國地質(zhì)科學(xué)院建實。主要目標(biāo)是聯(lián)合我國有關(guān)部門研究力量，組織實施國家深地領(lǐng)域研究任務(wù)，推進(jìn)國際合作，打造國家級深地領(lǐng)域研究平臺。實驗室聚焦深部結(jié)構(gòu)探測、深部物質(zhì)探測、深部資源探測和深部過程等前沿，搭建深地科學(xué)數(shù)據(jù)、探測技術(shù)與裝備和實驗測試支持等平臺。實驗室面向國際開放與合作，向全球招聘科學(xué)家，與國際組織和機構(gòu)、大學(xué)合作研究。前期深部探測實驗專項（SinoProbe-1，2008-2014)已奠定了扎實的基礎(chǔ)，儲備了技術(shù)裝備和人才隊伍，在國際上產(chǎn)生良好的反響。 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院設(shè)有5個本科生專業(yè)（地質(zhì)、地球化學(xué)、固體地球物理學(xué)、空間科學(xué)與技術(shù)、地理信息系統(tǒng)）。地球科學(xué)與空間科學(xué)既是一門基礎(chǔ)科學(xué)，又是一門在現(xiàn)代國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中有著廣泛應(yīng)用的科學(xué)。北大地質(zhì)學(xué)及地球物理學(xué)均為我國同類專業(yè)中歷史最悠久的學(xué)科，地空學(xué)院是我國地球科學(xué)科研和人才培養(yǎng)的重要基地，承擔(dān)著為國家現(xiàn)代化建設(shè)輸送高級專門人才的重任，對我國現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了重要作用。 聯(lián)系人： 作者：宋曉東教授, xiao.d.song@pku.edu.cn; 楊翼博士, yiy@pku.edu.cn (北大地空學(xué)院); 深地實驗室: 董樹文教授，swdong@cags.ac.cn 鏈接： 研究論文: Yang, Y. and X.D. Song, Multidecadal variation of the Earth’s inner core rotation, Nature Geosci, Jan. 24, 2023. https://www.nature.com/articles/s41561-022-01112-z 研究簡文： Yang, Y. and X.D. Song, Rotation of the Earth's inner core changes over decades and has come to near-halt, Nature Geosci, Jan 24, 2023. https://www.nature.com/articles/s41561-022-01113-y 圖1. 重復(fù)地震的內(nèi)核信號隨時間變化示例圖。在1998年到2004年間，地震波的波形存在明顯的變化，而在2009到2017年間，并未觀測到波形的變化。不經(jīng)過內(nèi)核的波形一直保持不變（圖b中的BC震相）。 Figure 1. Example of time-varying inner-core seismic waves. There is significant change between 1998 and 2004 (a), but not change between 2009 and 2017 (b) in the inner-core phases (DF, CD, and PKP coda). The outer-core phase (BC) always remains unchanged. 圖2. 從地表到內(nèi)核的耦合共振系統(tǒng)示意圖。其中包括內(nèi)核（差速旋轉(zhuǎn)）、外核（磁場變化）、地幔地殼（日長變化）、地表和大氣（全球平均海平面和氣溫變化）等多個圈層（和對應(yīng)的地球物理觀測）。 Fig 2. A possible resonating Earth system from the surface to the inner core. The system includes the inner core (from its differential rotation), the outer core (from the magnetic field changes), mantle and crust (from the LOD variations), and the surface (from the global mean sea level rise and temperature). |
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