是什么導(dǎo)致了地球內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)？專家指出，在外部力矩作用下，地球內(nèi)核會相對于地幔轉(zhuǎn)動，使得內(nèi)核自轉(zhuǎn)與地球的自轉(zhuǎn)速率不一樣。這個外力可能來自地球磁場與內(nèi)核的耦合及地幔與內(nèi)核的重力耦合。
近日，美國南加州大學(xué)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(nèi)核自轉(zhuǎn)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(xué)家首次通過地震學(xué)觀測，驗證了地球內(nèi)核6年周期往復(fù)振蕩的理論。
為何地球內(nèi)核與地球的旋轉(zhuǎn)速度會不一致？宇宙中其他天體也存在這種現(xiàn)象嗎？科學(xué)家又是如何“透視”天體內(nèi)部情況的？
(資料圖)
地球內(nèi)核被稱為“星球內(nèi)的星球”
很多人認為，地球應(yīng)是一個整體，內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)速度和方向應(yīng)該和地球保持一致?？墒鞘聦崊s非如此。“地球從誕生伊始發(fā)生了多種動力學(xué)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(nèi)出現(xiàn)了地殼、地幔、液體外核、固體內(nèi)核等類似洋蔥或煮熟雞蛋那樣的分層結(jié)構(gòu)。”中國科學(xué)院國家天文臺研究員平勁松表示。
地球物理學(xué)家、北京大學(xué)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(zhuǎn)的；但是根據(jù)以往的觀測，地球內(nèi)核自轉(zhuǎn)與地球自轉(zhuǎn)在速率上稍微有點差別，這就是內(nèi)核的“差速旋轉(zhuǎn)”。因此，地球內(nèi)核也被稱為“星球內(nèi)的星球”。最新數(shù)據(jù)顯示，地球與地球內(nèi)核的轉(zhuǎn)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(dǎo)致了地球內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)？宋曉東指出，在外部力矩作用下，地球內(nèi)核會相對于地幔轉(zhuǎn)動，使得內(nèi)核自轉(zhuǎn)與地球的自轉(zhuǎn)速率不一樣。這個外力可能來自地球磁場與內(nèi)核的耦合及地幔與內(nèi)核的重力耦合。理論上，內(nèi)核自轉(zhuǎn)既可以比地球自轉(zhuǎn)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(nèi)核的轉(zhuǎn)速是恒定的，地球自轉(zhuǎn)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(xué)家給出了包括地球內(nèi)部地磁異常、核幔耦合振蕩、地球內(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)核振蕩周期，這個周期與木星的軌道周期一致。“地球自轉(zhuǎn)5.9年的周期變化，正是木星公轉(zhuǎn)周期的一半。”平勁松認為，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(nèi)核自轉(zhuǎn)速率的變化。
“地球內(nèi)核的自轉(zhuǎn)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(zhuǎn)因受到內(nèi)部和外部的力矩、荷載等因素影響，轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)時快時慢或相對方向變化的現(xiàn)象。”平勁松說，多重因素作用下，導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)變化不可簡單預(yù)測、預(yù)報。
平勁松指出，除了地球之外，內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(shù)對月球自轉(zhuǎn)周期的變化持續(xù)觀測了約50年；近幾年，火星的自轉(zhuǎn)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(nèi)部圈層間也存在自轉(zhuǎn)速度的差別，被稱作“較差自轉(zhuǎn)”。天文學(xué)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(zhuǎn)。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(zhuǎn)情況發(fā)生了急劇變化：在差旋層以里，太陽的較差自轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。
天體“氣質(zhì)”與其內(nèi)核密切相關(guān)
所有行星內(nèi)核都存在差速旋轉(zhuǎn)機制嗎？平勁松介紹，行星的內(nèi)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(nèi)核的組合體。地球的內(nèi)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(nèi)核。
固體核與液體核的行星“氣質(zhì)”各不相同。平勁松指出，固體核的行星，其核心的轉(zhuǎn)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(nèi)核或固體核的轉(zhuǎn)動可以與幔不同步。
一個擁有液體內(nèi)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(zhuǎn)動有點像一個旋轉(zhuǎn)著的生雞蛋，轉(zhuǎn)速較快且方向和轉(zhuǎn)速都不穩(wěn)定；隨著能量耗散衰減、分層固化，自轉(zhuǎn)速度逐步減慢和穩(wěn)定。
那么，恒星的內(nèi)核又是什么樣子的？李剛表示，恒星通常有一個正在核反應(yīng)燃燒的內(nèi)核。不過，不同年齡的恒星內(nèi)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(nèi)核；而年老的恒星，有的內(nèi)核可能已停止燃燒，但存在一層圍繞內(nèi)核燃燒的包層；有的可能內(nèi)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(nèi)核。
“恒星內(nèi)核的性質(zhì)直接決定了恒星的外貌。”李剛解釋說，相比于太陽，年老的恒星大多溫度低但明亮；而已經(jīng)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(nèi)核
科學(xué)家是如何透過天體表面，探測天體內(nèi)核旋轉(zhuǎn)方向的？
宋曉東告訴記者，一直以來，科學(xué)家通過地震波來探測地球內(nèi)核的多種物理特性。他解釋道，地球發(fā)生地震之后會產(chǎn)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(zhì)，可以了解地球深部的結(jié)構(gòu)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(nèi)核時的時間和速度產(chǎn)生了變化，從而推測出地球內(nèi)核是相對于地幔發(fā)生旋轉(zhuǎn)的。不過，地球內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)速率目前仍有不確定性，因為旋轉(zhuǎn)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(nèi)部的方法十分普遍，19世紀科學(xué)家就用它對地球分層結(jié)構(gòu)進行了探測；20世紀70年代美國月球探測任務(wù)用地震波探測月球的內(nèi)部分層構(gòu)造；近年來，歐洲火星探測任務(wù)將其用于探測火星的內(nèi)部構(gòu)造。
對于恒星，天文學(xué)家更難以直接觀測到恒星內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，于是他們借助“星震學(xué)”來探測恒星內(nèi)部。
李剛表示，星震學(xué)與地震學(xué)很類似，都是通過研究天體內(nèi)部的震動波來推斷天體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(xué)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(nèi)部不同物理過程的擾動而有所變化。“打個比方說，熟西瓜和生西瓜用手拍一拍，聽到的聲音也不相同。”李剛說，天文學(xué)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(nèi)部旋轉(zhuǎn)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(xué)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(zhuǎn)現(xiàn)象，其內(nèi)核自轉(zhuǎn)速率一般比表面快數(shù)十倍。
標簽： 自轉(zhuǎn)速率
