引力矩驱动日长多年代际变化

《Nature》:Gravitational torque drives multidecadal variations in length of day

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月25日 来源:Nature 56.1

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  十年尺度上的日长(length of day, LOD)波动主要由地幔与地核之间的角动量交换引起。已有几种机制被提出来解释这种交换,包括核幔边界(core–mantle boundary, CMB)处的电磁耦合和地形耦合,以及内核产生的引力矩。然而,核幔力矩的

  
十年尺度上的日长(length of day, LOD)波动主要由地幔与地核之间的角动量交换引起。已有几种机制被提出来解释这种交换,包括核幔边界(core–mantle boundary, CMB)处的电磁耦合和地形耦合,以及内核产生的引力矩。然而,核幔力矩的确切性质仍然未知。研究人员表明,地震学重建的内核差速旋转和由磁场变化推导的核流表明,多年代尺度的LOD变化主要由引力矩驱动,并受到电磁力矩和地形力矩的抵抗,这与类地发电机模型的结果一致。研究人员重建的力矩历史,虽然依赖于内核旋转和核流模型的精度,但支持下地幔具有近中性浮力的热化学堆(thermochemical piles)、低黏度的后钙钛矿(post-perovskite, pPv)相以及在其底部数千米厚的高导电富铁层。研究结果还提示,一个低黏度的内核在仅仅数年内发生形变,并对流体核顶部的分层给出了上限。总之,该研究有助于聚焦地球最深处区域的新兴图景。
地球自转速率并非恒定,由此导致的日长(length of day, LOD)变化覆盖多个时间尺度:每日潮汐效应引起的变化、季节和年际尺度上主要由大气风驱动的变化,以及月球潮汐摩擦造成的长期增长。在10–70年时间尺度上,还存在数毫秒的波动,即十年尺度LOD变化(ΔLOD)。这些ΔLOD主要源于地核与地幔之间的角动量交换,但核幔边界(core–mantle boundary, CMB)上具体由何种力矩负责,长期没有定论。电磁耦合、地形耦合和内核引力矩等机制虽已被提出,但以往预测要么与观测相位不符,要么量级偏差巨大,要么依赖特定设计的核流,无法构成成功的ΔLOD预测。因此,研究人员在本研究中尝试直接基于地震学重建的内核旋转历史和地磁场长期变化反演的核流模型,构建三种力矩的预测,并通过贝叶斯反演确定其参数,以解释多年代尺度的ΔLOD。这一研究成果发表在《Nature》上。

研究人员利用约1964–2021年的地震学内核旋转时间历史,以及至2019年的概率核流模型,分别计算了电磁力矩、地形力矩和内核引力矩。结果显示,引力矩在强度因子Γ=1.3×1019 N m和黏性松弛时间τ=6年时能同时匹配所需力矩的振幅和相位,而电磁和地形力矩的预测相位与观测大体相反,表明它们主要起抵抗作用。通过马尔可夫链蒙特卡洛(Markov Chain Monte Carlo, MCMC)贝叶斯反演,研究人员获得了最优参数集,进一步确认了引力矩驱动、CMB力矩阻抑的动力学图像。这些结果为下地幔结构、内核黏度及流体核顶部分层提供了新的地球物理约束。

关键方法方面,研究人员使用了已发表的地震学内核旋转模型和基于地磁场长期变化的概率核流模型(含400个实现)。利用这些模型分别构建电磁力矩(由CMB磁场与流动计算)、地形力矩(由分层流体中流动受CMB
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