地球同心球层的运动探索

[[陈一文顾问按：王金甲老师这篇文章引证的重要论据为中国学者宋晓东“地球内核的旋转速度每年比其它部分快0.3到0.5度”研究成果。对此，本顾问与其他某些学者提出两个问题供大家思考：（1）宋晓东提出“地球内核的旋转速度每年比其它部分快0.3到0.5度”，但是没有能够进一步揭示地球内核的旋转速度是否在地球每年不同时段（围绕太阳公转轨道处于春、夏、秋、冬不同位置）始终稳速“比其它部分快0.3到0.5度/年”，还是“地球内核的旋转速度”每年在不同时段 “比其它部分快”的程度有所变化？（2）“地球内核的旋转速度每年比其它部分快0.3到0.5度”必须克服地球内核与地幔之间巨大摩擦力，消耗巨大的能量，那么，使“地球内核的旋转速度”得以保持“每年比其它部分快0.3到0.5度”的驱动力源补充能量来自何处？]]

摘要；地球是多层同心球层构造。在天体引力作用下引起地球同心球层产生相对运动。地球同心球层相对运动的引力主要来自太阳和月亮。分科过细导致地球物理学界忽略了用数学几何的方法研究地球同心球层运动，缺乏各学科的横向联系，丧失认识自然规律的能力。本文利用模拟等效方法，分别分析太阳及月亮对地球同心球层运动产生的各自不同影响。这在地球物理学研究上第一次利用模拟等效几何的方法分析地球深部运动。从而推动了地球基础科学研究向数字化方向发展。

关键词：数字化选择正确的参考基准 模拟等效

科学技术的飞速发展，探测手段的提高，我们现在对地球的深部构造已有了清晰的认识，地球是地壳、地幔、液体外核、固体内核等多层同心球层构造（见图１）。

各球层的质量、温度、引力、线速度等都不同，所以造成各球层的差异旋转。尤其是液体外核以上和以下部分存在明显的差异旋转已得到证实。

2006年科学时报北京8月29日讯（记者王丹红）：科学家们发现，地球内核的旋转速度每年要比地幔和地壳快0.3到 0.5度，也就是说，地球内核比地球表面构造板块的运动速度快5万倍，新发现有助于科学家们解释地球磁场 是怎样产生的。美国伊利诺伊大学地球物理学家宋晓东教授是这项研究工作的负责人，他们的成果发表在8 月26日出版的美国《科学》杂志上。新发现也结束了一场为期10年的争论。宋晓东说：“我们相信我们得到 了确凿的证据。”

加州大学圣克鲁斯分校的地球科学教授加里?格拉兹麦尔说：“这是一项有意义的发现，它减少了一个领域 中的不确定性，你能从中学到新东西。”同期的《科学》杂志专门为这一发现配发评述文章，美国的《纽约 时报》、《国家地理》杂志和英国的《物理学世界》等对这一发现进行了详细报道。美国国家科学基金会和 中国国家自然科学基金会为这项工作提供了资助。

地核由固体金属构成，它包括一个大小与月球相当的直径为2400公里的固态内核，和直径为7000公里的液态 外核(图2)。科学家们认为，内核在产生地球磁场的地球动力学中发挥了重要作用，来自地球动力学的电磁转矩导 致内核相对于地幔和地壳旋转。

早在1996年，宋晓东和保罗·理查德还是纽约哥伦比亚大学拉蒙特―多尔蒂地球观测站的地震学家，通过对 穿越地球的地震波的分析，他们第一次提出了地球内核的旋转速度比其它部分快的观点。但这在当时有相当 争议，部分地震学家怀疑推导出结果的数据有误，或是假象；也有科学家曾试图证明地球内核的运动速度并 不比其它部分快；部分科学家说，虽然内核在旋转，但它的速度比哥伦比亚学者提出的速度慢多了；有人则 说，他们没有发现迹象表明内核比地球的其它部分转得快。之后，宋晓东到伊利诺伊大学地质系做教授，他和仍在哥伦比亚大学的理查德共同领导了一项新研究，他们 的研究将消除人们对这个结论的任何怀疑。

宋晓东说：“尽管还不能精确地测定出内核旋转的速度，但我们的论文表明这个速度不可能是零。”地球在 一天时间里自转一次，或360度，新研究表明，地球内核的旋转速度每年比其它部分快0.3到0.5度。这个更 为精确的发现比他们1996年提出的快1.1度慢一点。

通过对历史上地震波穿过地球液体核和固体内核的数据进行对比，宋晓东等发现了令人信服的证据，表明地 球的固体内核确实以不同的速度在旋转。从大西洋的南桑威奇群岛地区到美国南部海岸线，他们对18个相似 地震进行了观察。相似地震也称为波形地震对(earthquake waveform doublet), 在同一台站记录的一对地 震的波形完全一样，说明这两个地震发生在同一地点。宋晓东等发现, 这些地震对在阿拉斯加州及靠近的地 方的58个地震台站都有记录，地震对的间隔时间跨越0到35年，从而让研究人员能观察地震波随时间的变化 。

宋晓东说：“当地震对的两个事件的时间相隔大于几年时，穿越地球内核的相似地震波在旅行时间和波形上 表现出系统性的变化。惟一可信的解释就是内核的运动。” 为什么地球内核会以不同速度旋转呢？宋晓东认为最可能的解释是电磁耦合，“在外核层产生的磁层扩散到 内核层，并在那里产生出电流。电流与磁场的相互作用导致内核旋转，就像电枢在电动机中旋转”。

华盛顿大学的地震学家肯尼思?克里杰对这一发现进行评论说：“这一发现消除了地球内核是否与地幔以不 同的速度旋转的仅存不多的怀疑。”

格拉兹麦尔说，他和同事的计算机模拟显示，地球内核确实比外部旋转得快，但由于缺少详细的数据，模型 没有得出究竟快多少。现在，新研究的数据将提高计算机模型的水平，让科学家能更好地理解地球内部是如何工作的。

这篇论文的共同作者除了宋晓东和理查德以处，还包括哥伦比亚大学的研究生张健和研究科学家费利斯·瓦尔德豪泽，以及伊利诺伊大学的研究生李迎春和孙新雷。

根据地球自转渐慢的事实，正确的把参考基准设在内核上。我们认为“地球其它部分旋转速度每年比内核慢0.3－0.5度”才符合事实。

液体外核把地球分成能相对运动的两大部分，液体外核以上部分（以下简称外球）和液体外核以下部分（以下简称内核）。液体外核的潮汐对内核影响较小，内核的自转轨迹基本是处在一个平面上。而液体外核的潮汐对漂浮其上的外球影响却很大。所以我们着重分别分析外球在日、月引力下不同的运动轨迹。

我们已经熟知日、地、月系统的运动情况（见图３）。太阳和月亮两者都对地球有引力，对于日地系统来说是围绕关系，而对于地月系统来说是被围绕的关系。围与被围不同的运动关系，对外球的运动轨迹产生截然不同的影响。在外球与内核的差速上日月各自起着不同的作用。

首先分析外球在太阳引力下的运动轨迹。地球是围绕太阳倾斜自转。因地球的倾斜自转那么液体外核的潮汐方向无论春、夏、秋、冬永远保持着一个固定的倾斜度，外球与内核的差速也永远保持一个固定的倾斜度。如果单独分析外球的轨迹人们很可能认为也是一个平面，其实不然，如果外球与内核套在一起分析那性质就有质的改变，也就是量变质也变。

我们知道帆的倾斜角度决定帆船运动的轨迹，外球在内核的运动轨迹与帆船在水路运动的轨迹非常相象。我们把外球可以比喻一艘逆水航行的帆船，水路比喻内核，水流方向当然就是内核自转方向。风比喻太阳的引力（引力推力运动轨迹相同）。地球倾斜23.5°，我们把船帆也倾斜23.5°，这时帆船的运行轨迹就相当于外球在内核上的运动轨迹，是一条向右斜线（见图４）。这个斜线反映在球面上就是球形螺旋线（见图5）。

如果帆与风向（引力）垂直，那么船的运行轨迹是一条直线。

从上面日地系统分析，我们似乎觉得外球在内核上的南北极换向是一个固定数值。可按发现的地磁年表来看（见图６），南北极换向的年代在时间上相差甚远，这是为什么？

原来月亮对外球在内核上的南北极换向起到一个至关重要的作用。我们知道日地系统是；“地球绕着太阳公转”，而地月系统是；“月亮绕着地球公转”。日地系统的可以被看做是一个固定风向，而地月系统是一个旋转风向（见图３月亮轨道）。月亮公转轨道面与地球赤道面有一个±28.5°的夹角。±28.5°夹角的存在，如同船帆在＋28.5°～—28.5°之间摇摆，以至船在左右岸之间～弯形航行。倾斜旋转的引力造成运动轨迹旋转（图７）。图７是1968－1974年测得的地磁极游移轨迹图。这就是月球在赤道面±28.5°角运动所产生的结果。在1968－1974的６年时间里磁极还是漂移了将近５米，那是日地系统造成的，如同蜗牛前进１万，退行九九九九，总有个万一可言。这个万一积累起来，地壳和地幔在内核上南北极也会换位，只是速度缓慢而已。

那么磁极年表还有比较短时间换位的记载又是为什么呢？原来月亮的轨道白道面的角度是变化的，如果白道面与黄道面重合，那地壳和地幔在内核上南北极换位将是很快的。

所以地球自转轴的倾斜角度、月亮白道面角度及月亮的公转速度等等，都对地壳和地幔在内核上的南北极换位时间有极其重要影响。造成地磁极年表反向时间不规律。

作者在此寻求能写出数学模型的数学专家通力合作。

有兴趣者请与作者联系：wang.jinjia@163.com