Супервращение внутреннего ядра
Супервращение внутреннего ядра — это вращение внутреннего ядра Земли на относительно ее мантии восток с чистой скоростью вращения, которая обычно составляет [ нужны разъяснения ] быстрее, чем Земля в целом. Модель динамо-машины Земли 1995 года предсказала сверхвращение до 3 градусов в год; В следующем году это предсказание было подтверждено наблюдаемыми различиями во времени, которое требуется p-волнам для прохождения через внутреннее и внешнее ядро.
В сейсмических наблюдениях использовалась зависимость скорости сейсмических волн во внутреннем ядре от направления (анизотропия), а также пространственные вариации скорости. Другие оценки основаны на свободных колебаниях Земли . Результаты противоречивы, и существование сверхвращения до сих пор вызывает споры, но оно, вероятно, составляет менее 0,1 градуса в год.
Когда модели геодинамо учитывают гравитационную связь между внутренним ядром и мантией, это снижает прогнозируемое супервращение всего до 1 градуса на миллион лет. Чтобы внутреннее ядро могло вращаться, несмотря на гравитационную связь, оно должно иметь возможность менять форму, что накладывает ограничения на его вязкость .
Исследование 2023 года показало, что вращение внутреннего ядра Земли перестало вращаться быстрее, чем поверхность планеты , примерно в 2009 году и, вероятно, теперь вращается медленнее, чем оно. [ 1 ]
Фон
[ редактировать ]В центре Земли находится ядро — шар со средним радиусом 3480 километров, состоящий в основном из железа. жидкое Внешнее ядро , а внутреннее ядро радиусом 1220 км — твердое. [ 2 ] Поскольку внешнее ядро имеет низкую вязкость , оно может вращаться с другой скоростью, чем мантия и кора . Эта возможность была впервые предложена в 1975 году для объяснения явления магнитного поля Земли , называемого дрейфом на запад: некоторые части поля вращаются примерно на 0,2 градуса в год на запад относительно поверхности Земли. В 1981 году Дэвид Габбинс из Университета Лидса предсказал, что дифференциальное вращение внутреннего и внешнего ядра может создать большое тороидальное магнитное поле вблизи общей границы, ускоряя внутреннее ядро до скорости дрейфа на запад. [ 3 ] Это будет противоречить вращению Земли , которое направлено на восток, поэтому общее вращение будет медленнее. [ 4 ]
В 1995 году Гэри Глатцмайер из Лос-Аламоса и Пол Робертс из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе опубликовали первую «самосогласованную» трехмерную модель динамо -машины в ядре. [ 6 ] Модель предсказала, что внутреннее ядро вращается на 3 градуса в год быстрее, чем мантия, и это явление стало известно как супервращение. [ 7 ] [ 8 ] В 1996 году Сяодун Сун и Пол Дж. Ричардс, ученые из Земной обсерватории Ламонта-Доэрти , представили сейсмические доказательства сверхвращения от 0,4 до 1,8 градусов в год. [ 9 ] [ 10 ] в то время как другое исследование оценило супервращение в 3 градуса в год. [ 11 ]
Сейсмические наблюдения
[ редактировать ]
Основные наблюдательные ограничения на вращение внутреннего ядра исходят из сейсмологии. Когда происходит землетрясение, два типа сейсмических волн через Землю распространяются : волны с движением грунта в направлении распространения волны ( р-волны ) и волны с поперечным движением ( s-волны ). S-волны не проходят через внешнее ядро, поскольку они вызывают напряжение сдвига — тип деформации, который не может возникнуть в жидкости. В сейсмических обозначениях p-волна обозначается буквой P при прохождении через кору и мантию и буквой K при прохождении через внешнее ядро. Волна, которая проходит через мантию, ядро и снова мантию, прежде чем достичь поверхности, обозначается ПКП. По геометрическим соображениям выделяют две ветви ПКП: ПКП(АВ) через верхнюю часть внешнего ядра и ПКП(ВС) через нижнюю часть. Волна, проходящая через внутреннее ядро, называется ПКП(DF). (Альтернативные названия этих фаз — PKP1, PKP2 и PKIKP.) [ 12 ] Сейсмические волны могут проходить несколько путей от землетрясения до данного датчика. [ 13 ]
Волны PKP(BC) и PKP(DF) имеют схожие пути в мантии, поэтому любая разница в общем времени прохождения обусловлена в основном разницей в скоростях волн между внешним и внутренним ядром. Сонг и Ричардс рассмотрели, как эта разница менялась с течением времени. [ 10 ] [ 14 ] Волны, идущие с юга на север (испускаемые землетрясениями на Южных Сандвичевых островах и принятые в Фэрбенксе, Аляска ), имели разницу, которая изменялась на 0,4 секунды в период с 1967 по 1995 год. Напротив, волны, распространяющиеся вблизи экваториальной плоскости (например, между Тонгой и Германия) не показало никаких изменений. [ 15 ]
Одна из критических замечаний по поводу ранних оценок супервращения заключалась в том, что неопределенность в отношении гипоцентров землетрясений, особенно в более ранних записях, вызывала ошибки в измерении времени прохождения. [ 16 ] Эту ошибку можно уменьшить, используя данные о дублетных землетрясениях . Это землетрясения, которые имеют очень похожие формы волн, что указывает на то, что землетрясения происходили очень близко друг к другу (в пределах примерно километра). [ 17 ] Используя дублетные данные с Южных Сандвичевых островов, исследование 2015 года пришло к новой оценке 0,41° в год. [ 18 ] [ 19 ]
Сейсмические наблюдения – в частности, «временные изменения между повторяющимися сейсмическими волнами, которые должны пройти один и тот же путь через внутреннее ядро» – были использованы для выявления замедления вращения ядра примерно в 2009 году. Считается, что это не имеет серьезных последствий и одного цикла Считается, что колебание вращения составляет около семи десятилетий и совпадает с несколькими другими геофизическими периодичностями, «особенно с длиной дня и магнитным полем». [ 1 ]
Внутренняя анизотропия ядра
[ редактировать ]модели внутренней анизотропии Сонг и Ричардс объяснили свои наблюдения с точки зрения преобладающей в то время ядра. Было замечено, что волны движутся быстрее между севером и югом, чем вдоль экваториальной плоскости. Модель внутреннего ядра с однородной анизотропией имела направление наибольшего движения, наклоненное под углом 10° к оси вращения Земли. [ 15 ] С тех пор модель анизотропии стала более сложной. Верхние 100 километров изотропны. Ниже этого значения анизотропия сильнее в «западном» полушарии (примерно с центром в Америке), чем в «восточном» полушарии (другая половина земного шара). [ 20 ] [ 8 ] и анизотропия может увеличиваться с глубиной. Другая ориентация анизотропии может быть и в «самом внутреннем ядре» (IMIC) радиусом около 550 километров. [ 21 ]
Группа из Кембриджского университета использовала разницу во времени путешествия для оценки долготы границ полушарий с глубиной до 90 километров ниже внутренней границы ядра. Объединив эту информацию с оценкой скорости роста внутреннего ядра, они получили скорость 0,1–1° на миллион лет. [ 22 ] [ 8 ]
Оценки скорости вращения, основанные на разнице во времени в пути, оказались противоречивыми. Те, что основаны на землетрясениях на Сандвичевом острове, имеют самую высокую скорость, хотя и имеют более слабый сигнал: PKP(DF) едва выходит за пределы шума. Оценки, основанные на других путях, были ниже или даже в противоположном направлении. Согласно одному анализу, скорость вращения ограничена величиной менее 0,1 ° в год. [ 2 ]
Неоднородность
[ редактировать ]Исследование, проведенное в 1997 году, пересмотрело данные по Сандвичевым островам и пришло к другому выводу о причине изменений времени прохождения, объяснив их локальной неоднородностью скорости волн. Новая оценка сверхвращения была снижена до 0,2–0,3° в год. [ 23 ]
Вращение внутреннего ядра также оценивалось с использованием волн PKiKP, которые рассеиваются от поверхности внутреннего ядра, а не волн PKP (DF). Оценки с использованием этого метода варьировались от 0,05 до 0,15° в год. [ 2 ]
Обычные режимы
[ редактировать ]Другой способ ограничения вращения внутреннего ядра — использование нормальных режимов (стоячих волн на Земле), что дает глобальную картину. Неоднородности в ядре разделяют моды, и изменения в «функциях расщепления» с течением времени можно использовать для оценки скорости вращения. [ 24 ] Однако их точность ограничена нехваткой сейсмических станций в 1970-х и 1980-х годах. [ 8 ] и предполагаемое вращение может быть положительным или отрицательным в зависимости от режима. В целом нормальные режимы не способны отличить скорость вращения от нуля. [ 2 ]
Теория
[ редактировать ]В модели Глацмайера и Робертса 1995 года внутреннее ядро вращается с помощью механизма, похожего на асинхронный двигатель . Термический ветер во внешнем ядре приводит к возникновению циркуляции с потоком с востока на запад вблизи внутренней границы ядра. Магнитные поля, проходящие через внутреннее и внешнее ядра, создают магнитный крутящий момент, в то время как вязкий крутящий момент на границе удерживает внутреннее ядро и жидкость рядом с ним, вращаясь в среднем с одинаковой скоростью. [ 25 ]
Модель 1995 года не учитывала эффект гравитационной связи между изменениями плотности мантии и топографией внутренней границы ядра. Исследование 1996 года предсказало, что это заставит внутреннее ядро и мантию вращаться с одинаковой скоростью, но статья 1997 года показала, что относительное вращение может произойти, если внутреннее ядро сможет изменить свою форму. [ 26 ] Для этого потребуется вязкость менее 1,5 x 10. 20 паскаль -секунды (Па·с). Он также предсказал, что если вязкость будет слишком низкой (менее 3 x 10 16 Па·с), внутреннее ядро не сможет поддерживать свою сейсмическую анизотропию. [ 27 ] Однако источник анизотропии до сих пор не совсем понятен. Модель вязкости внутреннего ядра, основанная на нутации Земли, ограничивает вязкость до 2–7 × 10. 14 Шаг. [ 28 ] [ 8 ]
Модели геодинамо, которые принимают во внимание гравитационную блокировку и изменения продолжительности дня, предсказывают скорость супервращения всего 1° в миллион лет. Некоторые несоответствия между измерениями вращения можно устранить, если скорость вращения колеблется. [ 8 ] [ 27 ]
См. также
[ редактировать ]Примечания и ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Ян, И; Сун, Сяодун (февраль 2023 г.). «Многодесятилетняя вариация вращения внутреннего ядра Земли» . Природа Геонауки . 16 (2): 182–187. Бибкод : 2023NatGe..16..182Y . дои : 10.1038/s41561-022-01112-z . ISSN 1752-0908 . S2CID 256702306 .
- Новостная статья об исследовании: «Внутреннее ядро Земли, кажется, замедляет свое вращение» . Вашингтон Пост . Архивировано из оригинала 18 февраля 2023 года . Проверено 16 февраля 2023 г.
- ^ Jump up to: а б с д Сурио, А .; Кальве, М. (2015). «1.23 - Глубинная структура Земли: Ядра Земли». Шуберт, Джеральд (ред.). Трактат по геофизике (второе изд.). Эльзевир. стр. 725–757. дои : 10.1016/B978-0-444-53802-4.00020-8 . ISBN 978-0-444-53803-1 .
- ^ Баффет, Брюс А.; Глацмайер, Гэри А. (1 октября 2000 г.). «Гравитационное торможение вращения внутреннего ядра в моделировании геодинамо» . Письма о геофизических исследованиях . 27 (19): 3125–3128. Бибкод : 2000GeoRL..27.3125B . дои : 10.1029/2000GL011705 .
- ^ Семена, Майкл; Бэкман, Дана (2009). Астрономия: Солнечная система и за ее пределами (6-е изд.). Cengage Обучение. п. 16. ISBN 9780495562030 .
- ^ Меррилл, Рональд Т. (2010). Наша магнитная Земля: наука геомагнетизм . Издательство Чикагского университета. п. 101. ИСБН 9780226520506 .
- ^ «самосогласованный» означает, что модель учитывает обратную связь между движением проводящей жидкости и создаваемым ею магнитным полем. [ 5 ]
- ^ Глатцмайер, Гэри А.; Робертс, Пол Х. (сентябрь 1995 г.). «Трехмерное конвективное динамо с вращающимся внутренним ядром и мантией с конечной проводимостью». Физика Земли и недр планет . 91 (1–3): 63–75. Бибкод : 1995PEPI...91...63G . дои : 10.1016/0031-9201(95)03049-3 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Деусс, Арвен (30 мая 2014 г.). «Неоднородность и анизотропия внутреннего ядра Земли». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 42 (1): 103–126. Бибкод : 2014AREPS..42..103D . doi : 10.1146/annurev-earth-060313-054658 .
- ^ Броуд, Уильям Дж. (18 июля 1996 г.). «Внутреннее ядро Земли вращается быстрее, чем поверхность» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 24 июня 2019 г.
- ^ Jump up to: а б Сун, Сяодун; Ричардс, Пол Г. (июль 1996 г.). «Сейсмологические доказательства дифференциального вращения внутреннего ядра Земли». Природа . 382 (6588): 221–224. Бибкод : 1996Natur.382..221S . дои : 10.1038/382221a0 . S2CID 4315218 .
- ^ Су, Вэй-цзя; Дзевонски, Адам М .; Жанлоз, Раймонд (13 декабря 1996 г.). «Планета внутри планеты: вращение внутреннего ядра Земли». Наука . 274 (5294): 1883–1887. Бибкод : 1996Sci...274.1883S . дои : 10.1126/science.274.5294.1883 . ПМИД 8943196 . S2CID 46343987 .
- ^ Кулханек, О. (2002). «Структура и интерпретация сейсмограмм». В Ли, Уильям Х.К.; Дженнингс, Пол; Кисслингер, Карл; Канамори, Хироо (ред.). Международный справочник по землетрясениям и инженерной сейсмологии. Часть А, Том 81А . Академическая пресса. стр. 341–342. ISBN 9780080489223 .
- ^ Коссо, Питер (2010). «Супервращение внутреннего ядра Земли и структура научных рассуждений». GSA Сегодня : 52–53. дои : 10.1130/GSATG90GW.1 .
- ^ Мохаззаби, Пируз; Скалбек, Джон Д. (2015). «Супервращение внутреннего ядра Земли, внеземные воздействия и эффективная вязкость внешнего ядра» . Международный журнал геофизики . 2015 : 1–8. дои : 10.1155/2015/763716 .
- ^ Jump up to: а б Уэйлер, Кэти; Холм, Ричард (июль 1996 г.). «Ловить внутренний стержень в штопор» . Природа . 382 (6588): 205–206. Бибкод : 1996Natur.382..205W . дои : 10.1038/382205a0 . S2CID 4308209 .
- ^ Пупине, Жорж; Сурио, Энни ; Кутан, Оливье (февраль 2000 г.). «Существование супервращения внутреннего ядра подвергается сомнению телесейсмическими дублетами». Физика Земли и недр планет . 118 (1–2): 77–88. Бибкод : 2000PEPI..118...77P . дои : 10.1016/S0031-9201(99)00129-6 .
- ^ Керр, РА (26 августа 2005 г.). «Внутреннее ядро Земли работает немного быстрее, чем остальная часть планеты». Наука . 309 (5739): 1313а. дои : 10.1126/science.309.5739.1313a . ПМИД 16123276 . S2CID 43216295 .
- ^ Сюй, Сяося; Сун, Сяодун (март 2003 г.). «Доказательства супервращения внутреннего ядра на основе зависящих от времени дифференциальных времен пробега PKP, наблюдаемых в Пекинской сейсмической сети» . Международный геофизический журнал . 152 (3): 509–514. Бибкод : 2003GeoJI.152..509X . дои : 10.1046/j.1365-246X.2003.01852.x . S2CID 16715175 .
- ^ Чжан, Дж.; Песня, Х; Ли, Ю; Ричардс, П.Г.; Солнце, Х; Вальдхаузер, Ф (26 августа 2005 г.). «Дифференциальное движение внутреннего ядра, подтвержденное дублетами сигналов землетрясения». Наука . 309 (5739): 1357–1360. Бибкод : 2005Sci...309.1357Z . дои : 10.1126/science.1113193 . ПМИД 16123296 . S2CID 16249089 .
- ^ Ирвинг, JCE; Деусс, А. (14 апреля 2011 г.). «Полусферическая структура в анизотропии скорости внутреннего ядра» . Журнал геофизических исследований . 116 (Б4): B040306–B040307. Бибкод : 2011JGRB..116.4307I . дои : 10.1029/2010JB007942 .
- ^ Романович, Барбара; Венк, Ханс-Рудольф (август 2017 г.). «Анизотропия в глубинах Земли» . Физика Земли и недр планет . 269 : 58–90. Бибкод : 2017PEPI..269...58R . дои : 10.1016/j.pepi.2017.05.005 . S2CID 56034128 .
- ^ Вашек, Лорен; Ирвинг, Джессика; Деусс, Арвен (20 февраля 2011 г.). «Согласование полусферической структуры внутреннего ядра Земли с ее сверхвращением». Природа Геонауки . 4 (4): 264–267. Бибкод : 2011NatGe...4..264W . дои : 10.1038/NGEO1083 .
- ^ Крегер, К.К. (14 ноября 1997 г.). «Скорость вращения внутреннего ядра из-за мелкомасштабной неоднородности и изменяющегося во времени времени путешествия». Наука . 278 (5341): 1284–1288. Бибкод : 1997Sci...278.1284C . дои : 10.1126/science.278.5341.1284 .
- ^ Ласке, Габи; Мастерс, Гай (1 января 2003 г.). «Свободные колебания Земли и дифференциальное вращение внутреннего ядра» . В Деанте Вероника; Крегер, Кеннет К.; Карато, Сюн-Ичиро; Затман, Стивен (ред.). Ядро Земли: динамика, строение, вращение . Американский геофизический союз. стр. 5–21. ISBN 9781118670071 .
- ^ Робертс, Пол Х.; Глацмайер, Гэри А. (1 октября 2000 г.). «Теория геодинамо и моделирование». Обзоры современной физики . 72 (4): 1112. Бибкод : 2000РвМП...72.1081Р . дои : 10.1103/RevModPhys.72.1081 .
- ^ Баффет, Брюс А.; Глацмайер, Гэри А. (1 октября 2000 г.). «Гравитационное торможение вращения внутреннего ядра в моделировании геодинамо» . Письма о геофизических исследованиях . 27 (19): 3125. Бибкод : 2000GeoRL..27.3125B . дои : 10.1029/2000GL011705 .
- ^ Jump up to: а б Ткалчич, Хрвое (март 2015 г.). «Сложное внутреннее ядро Земли: последний рубеж глобальной сейсмологии» . Обзоры геофизики . 53 (1): 59–94. Бибкод : 2015RvGeo..53...59T . дои : 10.1002/2014RG000469 . hdl : 1885/68142 .
- ^ Кут, Лоуренс; Дамберри, Матье (август 2011 г.). «Вязкость внутреннего ядра Земли: ограничения, обусловленные наблюдениями за нутацией». Письма о Земле и планетологии . 308 (3–4): 343–349. Бибкод : 2011E&PSL.308..343K . дои : 10.1016/j.epsl.2011.06.004 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Ричардс, П.Г. (13 ноября 1998 г.). «Обнаружение возможного вращения внутреннего ядра Земли» . Наука . 282 (5392): 1227а. Бибкод : 1998Sci...282.1227R . дои : 10.1126/science.282.5392.1227a .
- Рочестер, Майкл Г. (2007). «Динамика вращения внутреннего ядра». В Габбинсе, Дэвид; Эрреро-Бервера, Эмилио (ред.). Энциклопедия геомагнетизма и палеомагнетизма . Springer Science & Business Media. стр. 425–426. ISBN 9781402044236 .
- Рюдигер, Гюнтер; Холлербах, Райнер (2006). «2.6.4 Вращение внутреннего ядра». Магнитная вселенная: геофизическая и астрофизическая теория динамо . Вайли-ВЧ. стр. 37–38. ISBN 9783527605002 .
- Сурио, А. (3 июля 1998 г.). «Реально ли вращение?». Наука . 281 (5373): 55–56. дои : 10.1126/science.281.5373.55 . S2CID 127489559 .
- Сумита, И.; Бергман, Мичиган (2010). «Внутренняя динамика». В Олсоне, Питер (ред.). Основная динамика . Трактат по геофизике. Том. 8. Эльзевир. стр. 299–318. ISBN 9780444535771 .
- Ткалчич, Хрвое (2017). «Вращательная динамика внутреннего ядра». Внутреннее ядро Земли: обнаружено с помощью наблюдательной сейсмологии . Издательство Кембриджского университета. стр. 131–168. ISBN 9781107037304 .