上海天文臺在地球自轉變化研究中取得進展

2020-11-24 中國科學院

　　晝夜交替，日月星辰東升西落，背後的原因是地球自西向東的自轉。地球圍繞一條通過地心、連接南北極的假想軸轉動，這就是地球自轉，那根假想軸被稱作自轉軸。地球自轉一直是恆定的嗎？答案當然是否定的！地球的自轉一直在變化，而且變化得相當複雜，既有歲差-章動，還有極移和日長變化，物理上用自轉軸指向參數（Earth Orientation Parameters; EOP）表示。它們都反映了地球的整體運動及其隨時間變化的重要信息。EOP被認為是除地震學之外，另一種研究地球深內部物理學的重要手段，是天文學為研究地球內部而特製的「望遠鏡」，一直是科學家們重點測量和研究的對象之一。

　　近日，中國科學院上海天文臺天文地球動力學研究中心地球自轉變化課題組、中國科學院行星科學重點實驗室的科研人員在EOP參數之日長變化研究方向取得新進展，首次發現日長變化中存在顯著的約8.6年周期的振幅增強信號，並首次發現該振蕩的極值時刻與地磁場快速變化的發生存在密切的對應關係。目前該工作已經在線發表在國際期刊《自然-通訊》（Nature Communications)；另一項關於日長變化6年信號的檢測及其衰減和激發的物理機制的最新研究也發表在國際地學期刊《地球物理學研究雜誌：固體地球物理學》（Journal of Geophysical Research: Solid Earth）。

　　從外到內，地球內部的圈層包括地殼、地幔、流體外核和固體內核。它們具有怎樣的物理結構，運動狀態如何？它們相互之間正在發生哪些動力學耦合作用？液核中的磁場是如何產生、維持和變化的？這些神秘而重要的科學信息對理解我們所處的地球並進而推廣到對其它類地行星的研究等都至關重要。令人遺憾的是，所有這些信息都不能從地表或空間直接觀測得到。但幸運的是，上述這些問題都可以通過對EOP變化的精細特徵入手進行間接「觀測」和研究。

　　以日長變化為例，由於月球和太陽對地球的潮汐作用，地球的自轉越來越慢，日長不斷變長，即白天和黑夜時間都在變長，平均約每100年變長0.002秒。「除了自轉速率越來越慢，科學家們還發現自轉速率存在周期性的變化。日長變化具有從一天到數十年、甚至更長期的變化頻譜，分別對應於不同的天文和地球物理機制。一般認為，尺度為數十年的年代際變化和尺度約5到10年的亞十年變化很可能與地球深內部物理有關。這些周期性變化的特徵和起源就是我們要尋找和探究的，尤其是亞十年變化特徵。」該研究的參與者、上海天文臺研究員黃乘利說。

　　關於日長變化的精細時變特徵和相關的物理原因，目前該領域還所知甚少，但這部分的研究對於進一步了解地核的年際運動特徵以及解決地磁場快速變化的起源問題具有重要意義。地磁場的快速變化被稱作地磁急變（「jerk」）。

　　「我們研究採用了國際地球自轉服務系統(IERS)提供的1962~2019年近57年的日長變化數據，結合大量數值模擬算例分析，基於標準小波時頻變換方法(NMWT)和我們獨立發展的『去小波邊緣效應』(BEPME)的策略，雖然NMWT方法具有很高的頻率分辨能力，其可以區分日長亞十年變化中不同的頻率成分，然而該方法具有顯著的邊緣效應問題，而BEPME策略可以很好地彌補這一不足，使得我們可以準確地分離出目標諧波信號，基於這一方法我們首次發現8.6年信號的振幅增大現象。」 該研究的第一作者、上海天文臺碩副研究員段鵬說。

　　該團組研究結果表明，日長亞十年變化中實際存在兩個主成分的周期信號，周期分別為6年及8.6年。這兩個信號的疊加可以很好地解釋觀測到的日長亞十年變化的時頻域特徵。前人工作未能澄清日長亞十年變化的不同物理起源問題，他們的研究表明，日長變化中周期為約8.6年的信號很可能與液核表面赤道附近的扭轉阿爾芬波振蕩有關。

　　地球內部充滿磁場，如果將磁場的磁力線想像成一根根琴弦，當磁場收到擾動時，磁力線這些琴弦就會振蕩，振蕩會沿著磁場傳播出去，便形成了阿爾芬波。當磁力線聚集成一個個稱作『磁流管』的管狀結構時，在磁流管中傳播的阿爾芬波就是扭轉阿爾芬波。該扭轉波向外傳播，與地幔發生耦合作用，從而導致日長中出現同樣周期的波動信號。研究者們預測在最近的1~2年內很可能會有一次新的地磁急變事件發生。

　　「我們的工作否定了目前國際上已被廣泛接受的日長變化亞十年周期信號中僅存在周期為6年的信號的觀點，我們首次發現了日長亞十年變化中存在顯著的約8.6年周期的振幅增強信號，也闡明了該振蕩的極值時刻與地磁急變的發生之間存在密切的對應關係。」段鵬碩總結說。

　　關於該工作的意義，黃乘利補充道：「目前地磁急變的預測是國際上的一個難題。我們的工作提供了一種新的研究入口，可以通過精確分離地球自轉的亞十年變化振蕩信號，預測未來地磁急變發生的時刻。也不難看出，通過地球自轉精細變化特徵的研究，可以深入了解地球深內部的磁流體動力學問題。」

　　論文連結：1 2

　　圖1. 利用本文所提方法(NMWT+BEPME)提取的日長亞十年振蕩結果（紅線）與原始信號（黑線）的比較：兩曲線總體上非常吻合，表明日長亞十年變化特徵可以很好的由6年和8.6年兩種頻率信號的疊加解釋

　　圖2. 本文恢復的目標8.6年周期振蕩與地磁急變(jerks)時刻(陰影矩形條帶)所示的對應關係；紅色曲線是本文恢復的結果，綠線是紅線的最小二乘擬合結果，該結果可進一步用於預測未來jerk發生的時間

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