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最近一两年可能会有地磁急变发生?指南针指北、候鸟找不到回家路都曾与此有关
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来源:上观新闻 作者:黄海华 2020-05-15 11:38
摘要:历史上曾经发生过多次地磁倒转的极端现象

地球自转一周都是24小时吗?其实不然,由于月球和太阳对地球的潮汐作用,地球的自转越来越慢,白天和黑夜时间都在变长,平均约每100年变长2毫秒。除了自转越来越慢,科学家还发现地球自转速率存在各种周期性的变化。近日,中国科学院上海天文台的科研人员,首次发现了自转速率中存在显著的约8.6年周期的振幅增强信号,首次发现该振荡的极值时刻与地磁场快速变化的发生存在密切的对应关系,并预测最近一两年很可能会有一次地磁急变发生。该工作日前在线发表在了国际权威学术期刊《自然•通讯》上。

地球内部的地核、地幔和地壳具有怎样的物理结构?它们之间正在发生哪些动力学作用?这些神秘而重要的信息对理解我们所处的地球并进而推广到对其它类地行星的研究至关重要。虽然这些信息我们无法从地表或空间直接观测到,但地球自转轴指向参数(简称地球自转参数)被认为是天文学为研究地球内部而特制的“望远镜”,是除了地震学之外的另一种研究地球深内部物理学的重要手段。

日长变化,正是地球自转参数之一。地球围绕一条通过地心、连接南北极的假想轴即自转轴而转动,而绕着自转轴自转的速度变化,则是日长变化。

“日长变化有很多不同的周期,分别对应不同的天文和地球物理机制,这些周期性变化的特征和起源正是我们要寻找和探究的。”该研究的共同作者、上海天文台和中国科学院行星科学重点实验室的黄乘利研究员告诉解放日报•上观新闻记者。一般认为,尺度为数十年的年代际变化和尺度约5到10年的亚十年变化很可能与地球深内部物理有关,尤其是亚十年变化特征,对于进一步了解地核的年际运动特征以及解决地磁场快速变化(也叫地磁急变)的起源问题具有重要意义。但亚十年变化领域里的研究比较少,此前只报道过6年的周期。

为此,研究人员采用了国际地球自转服务系统提供的1962年至2019年近57年的日长变化数据,结合大量数值做了模拟算例分析。他们还独立发展了新的“去小波边缘效应”研究策略,并基于这一方法首次发现了8.6年周期的信号振幅增大现象。该研究表明,周期分别为6年和8.6年的两个信号叠加,可以很好地解释观测到的日长亚十年变化特征。

此外,前人工作未能澄清日长亚十年变化的不同物理起源问题,而该项研究表明,8.6年周期的信号很可能与赤道附近的扭转阿尔芬波振荡有关。地球内部充满磁场,如果将磁力线想象成一根根琴弦,当磁场收到扰动时,这些琴弦就会振荡,振荡沿着磁场传播出去,便形成了阿尔芬波。该扭转波向外传播,与地幔发生耦合作用,从而导致日长中出现同样周期的波动信号。

“我们预测,最近一两年,很可能会有一次地磁急变发生。”该研究的第一作者段鹏硕博士说,他们在研究中发现了一个有趣的现象,当日长变化出现波峰或波谷时,往往在相近年份伴随着地磁急变事件发生。

地磁场也有周期性变化,现在能观察到的基本上是小尺度变化,但历史上曾经发生过多次地磁倒转的极端现象,如指南针改指北边、候鸟找不到回家路线等。目前地磁急变的预测是国际上一个难题,这项工作提供了一种新的研究入口,可以通过精确分离地球自转的亚十年和其它周期变化振荡信号,研究地球内部结构与物理学,甚至预测未来地磁急变发生的时刻。

栏目主编:黄海华 文字编辑:黄海华 题图来源:新华社 图片编辑:周寅杰
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