研究指地球自轉變化與核心與地幔之間的力學有關

地球的自轉時常會發生微小變化。一項新研究顯示，位於地球核心與地幔之間的深層力量可能是這些數十年來微小變化的原因。這些變化的測量單位是毫秒，對日常生活來說過於微小而無法察覺。然而，這些數據為科學家提供了有關地球表面下數千公里處狀況的線索。這項發現有助於研究人員更好地瞭解地球的深層內部。

核心與地幔的相互作用

微秒中的謎團地球的日長通常被定義為 24 小時，這基於地球完成一次自轉所需的時間。實際的自轉速率在不同的時間尺度上會有所變化。大氣和海洋過程能影響短期的變化，而與月球的相互作用則在更長的時期內影響地球。數十年的變化較難解釋。來自加拿大阿爾伯塔大學的博士生張輝峯及其導師、地球物理學家馬修·達姆貝裏研究了地球核心與地幔之間角動量的交換如何影響日長。張輝峯表示：「我們的主要動機是調查不同核心-地幔耦合機制對觀察到的變化的相對貢獻。」

地球表面下的力量地球的核心是一個大約與火星大小相當的區域，主要由鐵組成。其固體內核位於熔融的外核內，並能夠相對獨立於地幔旋轉。研究人員考察了三種旋轉動量在這些深層間如何轉移。重力耦合是指內核和地幔之間密集部分的引力。電磁耦合與接近地幔底部的電導率和磁場有關。地形耦合涉及核心和地幔之間邊界的物理不規則性。這些相互作用可以產生影響地球自轉速度的扭矩。達姆貝裏表示，科學家已經知道核心負責十年的變化，但具體機制仍不確定。

「這部分是模糊的。」

重力的主導角色

重力主導張輝峯和達姆貝裏使用統計模型測試不同機制的組合，並與大約六十年的觀測數據進行對比。當重力扭矩影響最強時，他們的模型最接近觀察到的變化。電磁和機械效應則在相反的方向上作用，形成一種平衡，限制了地球自轉的整體變化。張輝峯指出：「在我們獲得結果之前，我們並不知道它們彼此之間是競爭的。」觀測結果表明，與核心相關的過程在 1970 年代初期至 2021 年間，使地球的日長變化了幾毫秒。

總體而言，地球的日長隨時間變得越來越短，儘管這一速度並不穩定。

自轉揭示地球的隱藏層這項研究為瞭解地球的深層內部又增添了一個環節。控制這些機制的物理性質仍然不確定，這意味著自轉的測量可以提供有用的限制。張輝峯表示：「我特別興奮的是，這些不同的資訊可以聚合在一起，提供一個更連貫的地球深層內部的畫面，這一區域極其難以直接觀察。」張輝峯也在研究是否類似的機制可以解釋觀察到的日長六年週期。「即使是微小的自轉變化也能提供有價值的資訊，關於我們腳下數千公里深處的過程。」

她補充道：「通過結合這些改進的觀測數據與地球自轉和內核運動的測量，我們希望能夠發展出更詳細的地球深層互動圖景，以及數千公里深處的運動如何微妙地改變我們的日長。」這項研究已發表於《自然》期刊。

地球自轉變化的深層意義

這項研究揭示了地球核心與地幔之間的複雜互動如何影響自轉變化，這對於理解地球內部結構及其動態至關重要。微小的自轉變化雖然難以察覺，但卻能提供關於地球深層過程的寶貴資訊。隨著觀測技術的進步，科學家能夠更好地解析這些深層力量的作用，進一步推進我們對地球內部運作的認識，並可能揭示其他未來的地質現象。