上海天文臺(tái)在地球自轉(zhuǎn)變化研究中取得進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】晝夜交替，日月星辰東升西落，背后的原因是地球自西向東的自轉(zhuǎn)。地球圍繞一條通過地心、連接南北極的假想軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是地球自轉(zhuǎn)，那根假想軸被稱作自轉(zhuǎn)軸。地球自轉(zhuǎn)一直是恒定的嗎？答案當(dāng)然是否定的！地球的自轉(zhuǎn)一直在變化，而且變化得相當(dāng)復(fù)雜，既有歲差-章動(dòng)，還有極移和日長(zhǎng)變化，物理上用自轉(zhuǎn)軸指向參數(shù)(Earth Orientation Parameters; EOP)表示。它們都反映了地球的整體運(yùn)動(dòng)及其隨時(shí)間變化的重要信息。EOP被認(rèn)為是除地震學(xué)之外，另一種研究地球深內(nèi)部物理學(xué)的重要手段，是天文學(xué)為研究地球內(nèi)部而特制的“望遠(yuǎn)鏡”，一直是科學(xué)家們重點(diǎn)測(cè)量和研究的對(duì)象之一。
 

　　近日，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)天文地球動(dòng)力學(xué)研究中心地球自轉(zhuǎn)變化課題組、中國(guó)科學(xué)院行星科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員在EOP參數(shù)之日長(zhǎng)變化研究方向取得新進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)日長(zhǎng)變化中存在顯著的約8.6年周期的振幅增強(qiáng)信號(hào)，并發(fā)現(xiàn)該振蕩的極值時(shí)刻與地磁場(chǎng)快速變化的發(fā)生存在密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系。目前該工作已經(jīng)在線發(fā)表在期刊《自然-通訊》(Nature Communications)；另一項(xiàng)關(guān)于日長(zhǎng)變化6年信號(hào)的檢測(cè)及其衰減和激發(fā)的物理機(jī)制的研究也發(fā)表在地學(xué)期刊《地球物理學(xué)研究雜志：固體地球物理學(xué)》(Journal of Geophysical Research: Solid Earth)。
 

　　從外到內(nèi)，地球內(nèi)部的圈層包括地殼、地幔、流體外核和固體內(nèi)核。它們具有怎樣的物理結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何？它們相互之間正在發(fā)生哪些動(dòng)力學(xué)耦合作用？液核中的磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生、維持和變化的？這些神秘而重要的科學(xué)信息對(duì)理解我們所處的地球并進(jìn)而推廣到對(duì)其它類地行星的研究等都至關(guān)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(cè)得到。但幸運(yùn)的是，上述這些問題都可以通過對(duì)EOP變化的精細(xì)特征入手進(jìn)行間接“觀測(cè)”和研究。
 

　　以日長(zhǎng)變化為例，由于月球和太陽對(duì)地球的潮汐作用，地球的自轉(zhuǎn)越來越慢，日長(zhǎng)不斷變長(zhǎng)，即白天和黑夜時(shí)間都在變長(zhǎng)，平均約每100年變長(zhǎng)0.002秒。“除了自轉(zhuǎn)速率越來越慢，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)自轉(zhuǎn)速率存在周期性的變化。日長(zhǎng)變化具有從一天到數(shù)十年、甚至更長(zhǎng)期的變化頻譜，分別對(duì)應(yīng)于不同的天文和地球物理機(jī)制。一般認(rèn)為，尺度為數(shù)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(nèi)部物理有關(guān)。這些周期性變化的特征和起源就是我們要尋找和探究的，尤其是亞十年變化特征。”該研究的參與者、上海天文臺(tái)研究員黃乘利說。
 

　　關(guān)于日長(zhǎng)變化的精細(xì)時(shí)變特征和相關(guān)的物理原因，目前該領(lǐng)域還所知甚少，但這部分的研究對(duì)于進(jìn)一步了解地核的年際運(yùn)動(dòng)特征以及解決地磁場(chǎng)快速變化的起源問題具有重要意義。地磁場(chǎng)的快速變化被稱作地磁急變(“jerk”)。
 

　　“我們研究采用了地球自轉(zhuǎn)服務(wù)系統(tǒng)(IERS)提供的1962~2019年近57年的日長(zhǎng)變化數(shù)據(jù)，結(jié)合大量數(shù)值模擬算例分析，基于標(biāo)準(zhǔn)小波時(shí)頻變換方法(NMWT)和我們獨(dú)立發(fā)展的‘去小波邊緣效應(yīng)’(BEPME)的策略，雖然NMWT方法具有很高的頻率分辨能力，其可以區(qū)分日長(zhǎng)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(yīng)問題，而BEPME策略可以很好地彌補(bǔ)這一不足，使得我們可以準(zhǔn)確地分離出目標(biāo)諧波信號(hào)，基于這一方法我們發(fā)現(xiàn)8.6年信號(hào)的振幅增大現(xiàn)象。” 該研究的第一作者、上海天文臺(tái)碩副研究員段鵬說。
 

　　該團(tuán)組研究結(jié)果表明，日長(zhǎng)亞十年變化中實(shí)際存在兩個(gè)主成分的周期信號(hào)，周期分別為6年及8.6年。這兩個(gè)信號(hào)的疊加可以很好地解釋觀測(cè)到的日長(zhǎng)亞十年變化的時(shí)頻域特征。前人工作未能澄清日長(zhǎng)亞十年變化的不同物理起源問題，他們的研究表明，日長(zhǎng)變化中周期為約8.6年的信號(hào)很可能與液核表面赤道附近的扭轉(zhuǎn)阿爾芬波振蕩有關(guān)。
 

　　地球內(nèi)部充滿磁場(chǎng)，如果將磁場(chǎng)的磁力線想象成一根根琴弦，當(dāng)磁場(chǎng)收到擾動(dòng)時(shí)，磁力線這些琴弦就會(huì)振蕩，振蕩會(huì)沿著磁場(chǎng)傳播出去，便形成了阿爾芬波。當(dāng)磁力線聚集成一個(gè)個(gè)稱作‘磁流管’的管狀結(jié)構(gòu)時(shí)，在磁流管中傳播的阿爾芬波就是扭轉(zhuǎn)阿爾芬波。該扭轉(zhuǎn)波向外傳播，與地幔發(fā)生耦合作用，從而導(dǎo)致日長(zhǎng)中出現(xiàn)同樣周期的波動(dòng)信號(hào)。研究者們預(yù)測(cè)在近的1~2年內(nèi)很可能會(huì)有一次新的地磁急變事件發(fā)生。
 

　　“我們的工作否定了目前上已被廣泛接受的日長(zhǎng)變化亞十年周期信號(hào)中僅存在周期為6年的信號(hào)的觀點(diǎn)，我們發(fā)現(xiàn)了日長(zhǎng)亞十年變化中存在顯著的約8.6年周期的振幅增強(qiáng)信號(hào)，也闡明了該振蕩的極值時(shí)刻與地磁急變的發(fā)生之間存在密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系。”段鵬碩總結(jié)說。
 

　　關(guān)于該工作的意義，黃乘利補(bǔ)充道：“目前地磁急變的預(yù)測(cè)是上的一個(gè)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(zhuǎn)的亞十年變化振蕩信號(hào)，預(yù)測(cè)未來地磁急變發(fā)生的時(shí)刻。也不難看出，通過地球自轉(zhuǎn)精細(xì)變化特征的研究，可以深入了解地球深內(nèi)部的磁流體動(dòng)力學(xué)問題。”