stringtranslate.com

Внутреннее супервращение ядра

Разрез Земли, показывающий внутреннее ядро ​​(белое) и внешнее ядро ​​(желтое)

Внутреннее супервращение ядра — это вращение внутреннего ядра Земли относительно мантии на восток , при этом общая скорость вращения обычно [ требуется уточнение ] больше, чем у Земли в целом. Модель динамо Земли 1995 года предсказывала супервращение до 3 градусов в год; в следующем году это предсказание было подтверждено наблюдаемыми расхождениями во времени, которое требуется p-волнам для прохождения через внутреннее и внешнее ядро.

Сейсмические наблюдения использовали зависимость направления (анизотропию) скорости сейсмических волн во внутреннем ядре, а также пространственные изменения скорости. Другие оценки исходят из свободных колебаний Земли . Результаты противоречивы, и существование супервращения все еще остается спорным, но оно, вероятно, меньше 0,1 градуса в год.

Когда модели геодинамо учитывают гравитационную связь между внутренним ядром и мантией, это снижает прогнозируемое супервращение до всего лишь 1 градуса за миллион лет. Чтобы внутреннее ядро ​​вращалось, 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 прекратилось быстрее вращения поверхности планеты примерно в 2009 году и, вероятно, теперь оно вращается медленнее ее. [1]

Фон

В центре Земли находится ядро, шар со средним радиусом 3480 километров, который в основном состоит из железа. Внешнее ядро ​​жидкое, а внутреннее ядро ​​с радиусом 1220 километров 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 западным дрейфом: 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 генерировать большое тороидальное магнитное поле вблизи общей границы, ускоряя внутреннее ядро ​​до скорости западного дрейфа. [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 в ядре. [6] Модель предсказала, что внутреннее ядро ​​вращается на 3 градуса в год быстрее, чем мантия, явление, которое стало известно как супервращение. [7] [8] В 1996 году Сяодун Сун и Пол Г. Ричардс, ученые из Обсерватории Земли Ламонта-Доэрти , представили сейсмические доказательства супервращения 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

Схема волн PKP(BC) и PKP(DF)
Расположение Южных Сандвичевых островов , которые находятся почти напротив Аляски.

Основные ограничения наблюдений на вращение внутреннего ядра исходят из сейсмологии. Когда происходит землетрясение, два вида сейсмических волн распространяются вниз по Земле: волны с движением грунта в направлении распространения волны ( p-волны ) и волны с поперечным движением ( s-волны ). S-волны не распространяются через внешнее ядро, потому что они включают в себя касательное напряжение , тип деформации, который не может возникнуть в жидкости. В сейсмической нотации 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 PKP. По геометрическим причинам различают две ветви PKP: PKP(AB) через верхнюю часть внешнего ядра и PKP(BC) через нижнюю часть. Волна, проходящая через внутреннее ядро, обозначается PKP(DF). (Альтернативные названия этих фаз — PKP1, PKP2 и PKIKP.) [12] Сейсмические волны могут распространяться по нескольким путям от места землетрясения до заданного датчика. [13]

Волны PKP(BC) и PKP(DF) имеют схожие пути в мантии, поэтому любая разница в общем времени прохождения в основном обусловлена ​​разницей в скоростях волн между внешним и внутренним ядром. Сонг и Ричардс рассмотрели, как эта разница менялась со временем. [10] [14] Волны, распространяющиеся с юга на север (излученные землетрясениями на Южных Сандвичевых островах и полученные в Фэрбанксе, Аляска ), имели дифференциал, который изменился на 0,4 секунды между 1967 и 1995 годами. Напротив, волны, распространяющиеся вблизи экваториальной плоскости (например, между Тонга и Германией), не показали никаких изменений. [15]

Одним из критических замечаний к ранним оценкам супервращения было то, что неопределенности относительно гипоцентров землетрясений, особенно в более ранних записях, вызывали ошибки в измерении времени распространения. [16] Эту ошибку можно уменьшить, используя данные для парных землетрясений . 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 данные о парных землетрясениях с Южных Сандвичевых островов, исследование 2015 года пришло к новой оценке в 0,41° в год. [18] [19]

Сейсмические наблюдения, в частности «временные изменения между повторяющимися сейсмическими волнами, которые должны проходить по одному и тому же пути через внутреннее ядро», были использованы для выявления замедления вращения ядра около 2009 года. Считается, что это не имеет серьезных последствий, и считается, что один цикл колебания во вращении составляет около семи десятилетий, совпадая с несколькими другими геофизическими периодичностями, «особенно с продолжительностью дня и магнитным полем». [1]

Анизотропия внутреннего ядра

Сонг и Ричардс объяснили свои наблюдения в терминах преобладающей модели анизотропии внутреннего ядра в то время. Было замечено, что волны распространяются быстрее между севером и югом, чем вдоль экваториальной плоскости. Модель для внутреннего ядра с однородной анизотропией имела направление самого быстрого перемещения, наклоненное под углом 10° к оси вращения Земли. [15] С тех пор модель анизотропии стала более сложной. Верхние 100 километров являются изотропными. Ниже этого уровня 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. Также может быть другая ориентация анизотропии в «самом внутреннем ядре» (IMIC) с радиусом около 550 километров. [21]

Группа из Кембриджского университета использовала разницу во времени прохождения для оценки долгот границ полушарий на глубине до 90 километров ниже границы внутреннего ядра. Объединив эту информацию с оценкой скорости роста внутреннего ядра, они получили скорость 0,1–1° за миллион лет. [22] [8]

Оценки скорости вращения, основанные на разнице времени прохождения, были непоследовательными. Те, которые основаны на землетрясениях Сандвичевых островов, имеют самые высокие скорости, хотя они также имеют более слабый сигнал, с PKP(DF) едва выходящим из шума. Оценки, основанные на других путях, были ниже или даже в противоположном направлении. Согласно одному анализу, скорость вращения ограничена менее чем 0,1° в год. [2]

Гетерогенность

Исследование 1997 года пересмотрело данные по Сандвичевым островам и пришло к другому выводу о происхождении изменений во времени прохождения, приписав их локальным неоднородностям в скорости волн. Новая оценка супервращения 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 составили от 0,05 до 0,15° в год. [2]

Нормальные режимы

Другой способ ограничения вращения внутреннего ядра — использование нормальных мод (стоячих волн в Земле), что дает глобальную картину. Неоднородности в ядре разделяют моды, и изменения в «функциях разделения» с течением времени могут быть использованы 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 моды. В целом, нормальные моды не способны отличить скорость вращения от нуля. [2]

Теория

В модели 1995 года Глатцмайера и Робертса внутреннее ядро ​​вращается механизмом, похожим на асинхронный двигатель . Тепловой ветер во внешнем ядре порождает циркуляционную схему с потоком с востока на запад вблизи границы внутреннего ядра. Магнитные поля, проходящие через внутреннее и внешнее ядра, обеспечивают магнитный момент, в то время как вязкий момент на границе удерживает внутреннее ядро ​​и жидкость около него вращающимися с одинаковой скоростью в среднем. [25]

Модель 1995 года не включала эффект гравитационной связи между изменениями плотности в мантии и топографией на границе внутреннего 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 потребовалось бы, чтобы вязкость была меньше 1,5 x 10 20 паскаль -секунд (Па·с). Также предсказывалось, 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 нутациях Земли , ограничивает вязкость до 2–7 × 10 14 Па·с. [28] [8]

Модели геодинамо, которые учитывают гравитационную блокировку и изменения в продолжительности дня, предсказывают скорость супервращения всего 1° за миллион лет. Некоторые несоответствия между измерениями вращения могут быть учтены, если скорость вращения колеблется. [8] [27]

Смотрите также

Примечания и ссылки

  1. ^ ab Yang, Yi; Song, Xiaodong (февраль 2023 г.). «Многодесятилетнее изменение вращения внутреннего ядра Земли» . Nature Geoscience . 16 (2): 182–187. Bibcode : 2023NatGe..16..182Y. doi : 10.1038/s41561-022-01112-z. ISSN  1752-0908. S2CID  256702306.
    • Новостная статья об исследовании: «Внутреннее ядро ​​Земли, похоже, замедляет свое вращение». Washington Post . Архивировано из оригинала 18 февраля 2023 г. Получено 16 февраля 2023 г.
  2. ^ abcd Souriau, A. ; Calvet, M. (2015). "1.23 - Глубинная структура Земли: ядра Земли". В Schubert, Gerald (ред.). Трактат о геофизике (второе изд.). Elsevier. стр. 725–757. doi :10.1016/B978-0-444-53802-4.00020-8. ISBN 978-0-444-53803-1.
  3. ^ Баффет, Брюс А.; Глатцмайер, Гэри А. (1 октября 2000 г.). «Гравитационное торможение вращения внутреннего ядра в моделировании геодинамо». Geophysical Research Letters . 27 (19): 3125–3128. Bibcode : 2000GeoRL..27.3125B. doi : 10.1029/2000GL011705 .
  4. ^ Сидс, Майкл; Бэкман, Дана (2009). Астрономия: Солнечная система и дальше (6-е изд.). Cengage Learning. стр. 16. ISBN 9780495562030.
  5. ^ Меррилл, Рональд Т. (2010). Наша магнитная Земля: наука о геомагнетизме . Издательство Чикагского университета. стр. 101. ISBN 9780226520506.
  6. ^ «самосогласованность» означает, что модель учитывает обратную связь между движением проводящей жидкости и создаваемым ею магнитным полем. [5]
  7. ^ Глатцмайер, Гэри А.; Робертс, Пол Х. (сентябрь 1995 г.). «Трехмерное конвективное динамо-решение с вращающимся и конечно проводящим внутренним ядром и мантией». Physics of the Earth and Planetary Interiors . 91 (1–3): 63–75. Bibcode : 1995PEPI...91...63G. doi : 10.1016/0031-9201(95)03049-3.
  8. ^ abcdef Деусс, Арвен (30 мая 2014 г.). «Неоднородность и анизотропия внутреннего ядра Земли». Annual Review of Earth and Planetary Sciences . 42 (1): 103–126. Bibcode : 2014AREPS..42..103D. doi : 10.1146/annurev-earth-060313-054658.
  9. ^ Брод, Уильям Дж. (18 июля 1996 г.). «Внутреннее ядро ​​Земли вращается быстрее, чем поверхность». The New York Times . Получено 24 июня 2019 г.
  10. ^ ab Song, Xiaodong; Richards, Paul G. (июль 1996 г.). «Сейсмологические свидетельства дифференциального вращения внутреннего ядра Земли». Nature . 382 (6588): 221–224. Bibcode :1996Natur.382..221S. doi :10.1038/382221a0. S2CID  4315218.
  11. ↑ Су, Вэй-цзя; Дзиевонски, Адам М.; Жанлоз , Рэймонд (13 декабря 1996 г.). «Планета внутри планеты: вращение внутреннего ядра Земли». Science . 274 (5294): 1883–1887. Bibcode :1996Sci...274.1883S. doi :10.1126/science.274.5294.1883. PMID  8943196. S2CID  46343987.
  12. ^ Kulhànek, O. (2002). «Структура и интерпретация сейсмограмм». В Lee, William HK; Jennings, Paul; Kisslinger, Carl; Kanamori, Hiroo (ред.). Международный справочник по землетрясениям и инженерной сейсмологии. Часть A, том 81A . Academic Press. стр. 341–342. ISBN 9780080489223.
  13. ^ Коссо, Питер (2010). «Супервращение внутреннего ядра Земли и структура научного мышления». GSA Today : 52–53. doi :10.1130/GSATG90GW.1.
  14. ^ Mohazzabi, Pirooz; Skalbeck, John D. (2015). «Суперротация внутреннего ядра Земли, внеземные воздействия и эффективная вязкость внешнего ядра». International Journal of Geophysics . 2015 : 1–8. doi : 10.1155/2015/763716 .
  15. ^ ab Whaler, Kathy; Holme, Richard (июль 1996 г.). «Catching the inner core in a spin» (Поймать внутреннее ядро ​​в спин). Nature . 382 (6588): 205–206. Bibcode :1996Natur.382..205W. doi : 10.1038/382205a0 . S2CID  4308209.
  16. ^ Пупине, Жорж; Сурио, Энни ; Кутан, Оливье (февраль 2000 г.). «Существование внутреннего супервращения ядра подвергается сомнению телесейсмическими дублетами». Физика Земли и недр планет . 118 (1–2): 77–88. Bibcode : 2000PEPI..118...77P. doi : 10.1016/S0031-9201(99)00129-6.
  17. ^ Керр, РА (26 августа 2005 г.). «Внутреннее ядро ​​Земли вращается немного быстрее, чем остальная часть планеты». Science . 309 (5739): 1313a. doi :10.1126/science.309.5739.1313a. PMID  16123276. S2CID  43216295.
  18. ^ Сюй, Сяося; Сун, Сяодун (март 2003 г.). «Доказательства внутреннего супервращения ядра из зависящих от времени дифференциальных времен перемещения PKP, наблюдаемых в Пекинской сейсмической сети». Geophysical Journal International . 152 (3): 509–514. Bibcode : 2003GeoJI.152..509X. doi : 10.1046/j.1365-246X.2003.01852.x . S2CID  16715175.
  19. ^ Zhang, J.; Song, X; Li, Y; Richards, PG; Sun, X; Waldhauser, F (26 августа 2005 г.). «Дифференциальное движение внутреннего ядра, подтвержденное дублетами волновых форм землетрясений». Science . 309 (5739): 1357–1360. Bibcode :2005Sci...309.1357Z. doi :10.1126/science.1113193. PMID  16123296. S2CID  16249089.
  20. ^ Ирвинг, JCE; Деусс, А. (14 апреля 2011 г.). «Полусферическая структура в анизотропии скорости внутреннего ядра». Журнал геофизических исследований . 116 (B4): B040306–B040307. Bibcode : 2011JGRB..116.4307I. doi : 10.1029/2010JB007942 .
  21. ^ Романович, Барбара; Венк, Ганс-Рудольф (август 2017 г.). «Анизотропия в глубинах Земли». Физика Земли и недр планет . 269 : 58–90. Bibcode :2017PEPI..269...58R. doi : 10.1016/j.pepi.2017.05.005 . S2CID  56034128.
  22. ^ Waszek, Lauren; Irving, Jessica; Deuss, Arwen (20 февраля 2011 г.). «Согласование полусферической структуры внутреннего ядра Земли с ее супервращением». Nature Geoscience . 4 (4): 264–267. Bibcode : 2011NatGe...4..264W. doi : 10.1038/NGEO1083.
  23. ^ Creager, KC (14 ноября 1997 г.). «Скорость вращения внутреннего ядра из-за мелкомасштабной неоднородности и изменяющегося во времени времени перемещения». Science . 278 (5341): 1284–1288. Bibcode :1997Sci...278.1284C. doi :10.1126/science.278.5341.1284.
  24. ^ Ласке, Габи; Мастерс, Гай (1 января 2003 г.). «Свободные колебания Земли и дифференциальное вращение внутреннего ядра». В Dehant, Véronique; Creager, Kenneth C.; Karato, Shun-Ichiro; Zatman, Stephen (ред.). Ядро Земли: динамика, структура, вращение . Американский геофизический союз. стр. 5–21. ISBN 9781118670071.
  25. ^ Робертс, Пол Х.; Глатцмайер, Гэри А. (1 октября 2000 г.). «Теория и моделирование геодинамо». Reviews of Modern Physics . 72 (4): 1112. Bibcode : 2000RvMP...72.1081R. doi : 10.1103/RevModPhys.72.1081.
  26. ^ Баффет, Брюс А.; Глатцмайер, Гэри А. (1 октября 2000 г.). «Гравитационное торможение вращения внутреннего ядра в моделировании геодинамо». Geophysical Research Letters . 27 (19): 3125. Bibcode : 2000GeoRL..27.3125B. doi : 10.1029/2000GL011705 .
  27. ^ ab Tkalčić, Hrvoje (март 2015 г.). «Сложное внутреннее ядро ​​Земли: последний рубеж глобальной сейсмологии». Reviews of Geophysics . 53 (1): 59–94. Bibcode : 2015RvGeo..53...59T. doi : 10.1002/2014RG000469 . hdl : 1885/68142 .
  28. ^ Koot, Laurence; Dumberry, Mathieu (август 2011 г.). «Вязкость внутреннего ядра Земли: ограничения, полученные в результате наблюдений за нутацией». Earth and Planetary Science Letters . 308 (3–4): 343–349. Bibcode : 2011E&PSL.308..343K. doi : 10.1016/j.epsl.2011.06.004.

Дальнейшее чтение