姜卫平教授团队在地球自转定向参数变化机理研究中取得突破性进展

  • 发布时间:[2023-12-11] 来源:[学院] 点击量:[6990]
      近日,Nature Communications(《自然·通讯》)在线发表我校姜卫平教授团队在地球定向参数变化特征及机理解释方面新成果,论文题目为“Inner core static tilt inferred from intradecadal oscillation in the Earth's rotation”(从地球自转亚十年尺度变化推断内核静态倾斜)。安亚冲博士与丁浩教授为共同第一作者,姜卫平教授与丁浩教授为共同通讯作者。该工作通过首次发现约十年尺度的地球自转轴晃动变化(也即内核晃动)同时存在于极移和日长变化中,推断出地球内核自转轴与地幔自转轴之间应存在一个静态倾斜。
地球参考框架的高精度构建是准确获取和解译时空信息的重要前提,而对地球定向参数变化规律的准确认识和建模是构建和维持高精度参考框架的基础。作为地球定向参数的最重要两个参数,地球极移和日长变化的长期变化规律和机理研究一直是国际难题。针对该难题,团队进行了多年的攻关研究。

图1. 地球极移和日长变化的AR-z谱
      地球极移/日长中可能存在不同的十年、亚十年尺度的周期性变化。由于可用数据长度有限且信号相对微弱,如何准确探测出这些周期性变化是一项极具挑战的工作,而如何进一步解释这些变化的物理成因更是国际性难题。利用团队成员早期提出的z域谱分析方法--AR-z谱(如图1),团队在2019年首次发现日长变化中存在一个约8.7±0.2年的周期性信号(Ding, 2019 EPSL),但未作进一步解释。随后又在极移变化中观测到几乎相同周期的信号,并建议其为可能的内核晃动信号,这也是国际上第一次找到内核晃动的可能信号(Ding et al, 2019 GRL)。在最新的研究中,团队首先确认了早期在极移中所建议的信号确实为内核晃动信号,且通过进一步分析极移和日长中约8.5年的时变特征,发现它们具有很好的一致性,理论上应来自于相同激发源。传统地球自转理论,假设地球内核自转轴与地幔自转轴重合,所以内核晃动信号只可能出现在极移分量而不可能出现在日长分量中;而能解释观测的最可能机理是内核自转轴与地幔自转轴存在一个静态倾斜。团队通过高度异质的地幔构建了一个内核自转轴与地幔自转轴存在微小倾斜的模型(如图2所示),也即内核存在一个~0.17°的静态倾斜,发现该倾斜可完美解释观测结果。这也是国际上首次由实证证实内核存在静态倾斜。除此之外,所探测的内核晃动信号周期可直接用于约束地球内外核边界处的密度跳跃,该跳跃值也是地学基础研究中一个仍未被很好确定的参数。
图2. 内核晃动及内核静态倾斜示意图
该研究成果不仅对于揭示地球自转的长期变化规律具有重要作用,也可为研究地球系统长期变化的机理解释提供重要参考;对大地测量、地球物理和地震学相关研究等可起到促进作用。本研究工作得到了国家自然科学基金(41974022, 42192531,41721003)和湖北珞珈实验室专项项目(220100002)的资助。
 
原文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-023-43894-9
相关论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0012821X18307088;    https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019GL085268.
 

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