昼夜交替,太阳、月亮、星星从东方升起,从西方落下。 这背后的原因是地球自西向东自转。 地球绕着一条穿过地心并连接南北两极的假想轴旋转。 这就是地球的自转。 该虚轴称为旋转轴。 地球自转总是恒定的吗? 答案当然是否定的! 地球的自转一直在变化,而且变化相当复杂,包括进动章动、极移和日长变化,这些变化在物理上用地球定向参数(EOP)来表示。 它们都反映了有关地球整体运动及其随时间变化的重要信息。 EOP被认为是除地震学之外研究地球深层物理的另一种重要方法。 它是专门为天文学研究地球内部而设计的“望远镜”。 一直是科学家重点测量和研究的对象之一。

近日,中国科学院上海天文台天文与地球动力学研究中心、中国科学院行星科学重点实验室地球自转变化研究组的研究人员在天文与地球动力学研究方向取得新进展EOP参数长度变化,首次发现昼长变化的存在。 首次发现周期约8.6年的显着振幅增强信号,首次发现这种振荡的极值时刻与地磁场发生快速变化之间存在密切的对应关系。 该工作已在线发表于国际知名综合性期刊《自然通讯》; 另一项关于六年日长变化信号的探测及其衰减和激发物理机制的最新研究也发表在国际著名地球科学期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth上。

从外到内,地球的内层包括地壳、地幔、流体外核和固体内核。 它们具有什么样的物理结构以及它们的运动状态是什么? 它们之间发生了哪些动态耦合? 液核中的磁场是如何产生、维持和改变的? 这一神秘而重要的科学信息对于了解我们所居住的地球以及将其扩展到其他类地行星的研究至关重要。 不幸的是,这些信息都无法从表面或太空直接观察到。 但幸运的是,从EOP变化的精细特征入手,可以间接地“观察”和研究上述问题。

以白天长度的变化为例。 由于月球和太阳对地球的潮汐作用,地球的自转越来越慢,白天的长度越来越长。 也就是说,白天和黑夜都在变长,平均每100年增加约0.002秒。 。 “除了自转速度越来越慢之外,科学家还发现,自转速度存在周期性变化。日长变化有从一天到几十年,甚至更长时间的频谱变化,对应不同的天文和地球物理机制一般认为,数十年尺度的年代际变化和5至10年左右尺度的年代际变化很可能与地球深层内部的物理有关,这些周期性变化的特征和起源是我们正在寻找和探索的,尤其是亚十年间的变化特征。”该研究参与者、上海天文台研究员黄成利说。

在该领域中,人们对日长变化的精细时变特征和相关物理原因知之甚少。 但这部分研究对于进一步认识地核年际运动特征、解决地磁场快速变化的根源具有重要意义。 意义。 地磁场的快速变化称为地磁急动(“jerks”)。

“我们的研究利用了国际地球自转服务组织(IERS)提供的1962年至2019年近57年的日长变化数据,结合大量数值模拟算例分析,基于标准小波时频变换方法(NMWT)和我们自主开发的“去除小波边缘效应策略”(BEPME),虽然NMWT方法具有较高的频率分辨率能力,可以区分日长亚年代际变化中的不同频率成分,但该方法存在明显的边缘效应问题“BEPME策略可以很好地弥补这一不足,使我们能够准确地分离出目标谐波信号。基于该方法,我们首次发现了8.6年信号的幅度增加。”副研究员段彭硕说上海天文台研究员,该研究的第一作者。

该课题组的研究结果表明,日长的年代际变化中实际上存在两个主成分周期信号,周期分别为6年和8.6年。 这两个信号的叠加可以很好地解释观测到的日长年代际变化的时频域特征。 之前的工作未能阐明白昼长度的年代际变化的不同物理根源。 他们的研究表明,日长变化中周期约为8.6年的信号很可能与液核表面赤道附近的扭转阿尔文波振荡有关。

地球内部充满了磁场。 如果把磁场的磁力线想象成弦,当磁场受到干扰时,磁力线的弦就会振荡,并且振荡会沿着磁场传播,形成阿尔文波。 当磁场线聚集到称为“磁流管”的管状结构中时,在磁流管中传播的阿尔文波就是扭转阿尔文波。 这种扭转波向外传播并与地幔耦合,产生与日长相同周期的波信号。 研究人员预测,未来1至2年内可能会发生新的地磁突变事件。

“我们的工作反驳了目前国际上广泛接受的观点,即日长变化的亚年代际信号中仅存在周期为 6 年的信号。我们首次发现,在日长变化的亚年代际信号中存在约 8.6 年的周期信号。日长的亚年代际变化。年周期的振幅增强信号也说明了​​振荡的极端时刻与地磁突变的发生之间的密切对应关系。 段彭硕总结道。

对于这项工作的意义,黄成利补充道,“地磁突变的预测是目前国际上的一个难题,我们的工作提供了一个新的研究入口,可以准确分离地球自转的亚年代际振荡信号,预测地磁突变的时刻。”未来会发生地磁突变,不难看出,通过研究地球自转的精细变化特征,我们可以更深入地了解地球内部深处的磁流体动力学问题。

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图 1 使用本文提出的方法(NMWT+BEPME)提取的亚年代际日长振荡结果(红线)与原始信号(黑线)的比较:两条曲线总体吻合较好,表明存在亚年代际变化日长特征可以通过6年和8.6年两个频率信号的叠加来很好地解释。

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图2 本文恢复的目标8.6年周期振荡与地磁急动力矩的对应关系(阴影矩形条); 红色曲线是本文还原的结果,绿色线是红线的最小二乘拟合结果。 结果可以进一步用于预测未来何时会发生急动。

相关科研论文信息:

1. 段 PS 和黄 CL,(2020)。 昼长的年代内变化及其影响

与地磁急动的对应关系。 自然通讯。 /s41467-020-16109-8。

2. 段 PS 和黄 CL,(2020)。 论地幔-内核引力振荡

电磁耦合效应的作用。 J.地球物理学。 资源:固体地球。 125、e2019JB018863.https://doi.org/10.1029/2019JB018863

论文链接:

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科学联系方式:

段彭硕,中国科学院上海天文台,duanps@shao.ac.cn

黄成利,中国科学院上海天文台,clhuang@shao.ac.cn

媒体联系人:

左文文,中国科学院上海天文台,wenwenzuo@shao.ac.cn

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