地球较差自轉

王金甲 王镇

摘要：“較差自轉”是指一个天体在自转时不同部位的角速度互不相同的现象。較差自轉在宇宙间非凝固的自转天体中普遍存在，比如星系、恒星、巨型气体行星等。太陽系內則有太陽、木星等表面出現。

較差自轉现象的形成是内外因素的共同结果。内因；自体必须是非凝固自转天体。外因；天体引力。地球是非凝固自转天体，也在天体引力作用下是否也存在较差自轉？人们对于地球的结构直到最近才有了比较清楚的认识。整个地球不是一个均质体，而是具有明显的圈层结构。地球每个圈层的成分、密度、温度、角速度等各不相同，外层的角速度滞后于内层角速度，外层的拖拽作用使地球自转渐慢。

关键词：地壳較差自轉 地球非凝固倾斜自转天体 液体外核潮汐

地球圈层分为地球外圈和地球内圈两大部分。地球外圈可进一步划分为四个基本圈层，即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈；地球内圈可进一步划分为三个基本圈层，即地幔圈、外核液体圈和固体内核圈。此外在地球外圈和地球内圈之间还存在一个软流圈，它是地球外圈与地球内圈之间的一个过渡圈层，位于地面以下平均深度约150公里处。这样，整个地球总共包括八个圈层，其中岩石圈、软流圈和地球内圈一起构成了所谓的固体地球。

大气圈是地球外圈中最外部的气体圈层，它包围着海洋和陆地。大气圈没有确切的上界，在2000 ～ 16000 公里高空仍有稀薄的气体和基本粒子。在地下，土壤和某些岩石中也会有少量空气，它们也可认为是大气圈的一个组成部分。高空气体受地球表面冷热对流影响较小，较差自轉在这一层面表现比较显著。

水圈包括海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川和地下水等，它是一个连续但不很规则的圈层。从离地球数万公里的高空看地球，可以看到地球大气圈中水汽形成的白云和覆盖地球大部分的蓝色海洋，它使地球成为一颗“蓝色的行星”。组成地表、地下的流体水冷却系统网，活火山活动在薄弱环节。在这一层面，由于冷热对流和大陆板块的高低阻挡作用较差自转表现为潮汐洋流。

岩石圈除表面形态外，是无法直接观测到的。它主要由地球的地壳和地幔圈中上地幔的顶部组成，从固体地球表面向下穿过地震波在近33公里处所显示的第一个不连续面（莫霍面），一直延伸到软流圈为止。岩石圈厚度不均一，平均厚度约为100公里，地震频繁发生在这一圈层。虽然直接受到软流圈较差自转的作用，但这一圈层较差自转很不规则。板块如同黄河下泻的冰凌。

在距地球表面以下约100公里的上地幔中，有一个明显的地震波的低速层，这是由古登堡在1926年最早提出的，称之为软流圈，它位于上地幔的上部。在洋底下面，它位于约60公里深度以下；在大陆地区，它位于约120公里深度以下，平均深度约位于60～250公里处。现代观测和研究已经肯定了这个软流圈层的存在，它的较差自转直接影响地壳的较差自转运动，软流圈的较差自转比较规则，但其上地壳板块大小不等，较差自转很不规则。地壳较差自转运动犹如黄河冰凌下泄，即西漂又旋转。地壳较差自转运动使岛屿都形成于大陆板块东侧。

其实地壳存在较差自转现象早在公元前二世纪就被古希腊天文学家喜帕恰斯所发现。公元四世纪中国晋代天文学家虞喜也发现了这一自然现象。喜帕恰斯在编制一本包含1022颗恒星的星表时，把他测出的星位与150多年前阿里斯提留斯和提莫恰里斯测定的星位进行比较，发现恒星的黄经有较显著的改变，而黄纬的变化则不明显。在这150年间，所有恒星的黄经都增加约1.5°。喜帕恰斯认为，这是春分点沿黄道后退所造成的，并推算出春分点每100年西移1°。这是地壳存在较差自转现象的最早发现。公元四世纪，中国晋代天文学家虞喜，根据对冬至日恒星的中天观测独立地发现了地壳较差自转，并定出冬至点每50年后退1°。因喜帕恰斯所处的地理纬度比虞喜所处的地理纬度高，故而喜帕恰斯推算出春分点每100年西移1°，而虞喜推算出冬至点每50年后退1°。鉴于当时地球固定论的影响，把地壳较差自转现象错误的解释为岁差。

地幔圈之下就是所谓的外核液体圈，它位于地面以下约2900公里至5120公里深度。整个外核液体圈基本上可能是由动力学粘度很小的液体构成的，其中2900至4980公里深度，完全由液体构成，这一层圈的潮汐作用，使其上部分与其下部分产生差速。离极运动皆源于此。地球的倾斜自转和公转使离极运动产生积累误差，长期的积累误差使地壳和地幔南北极在内核上换位，发现的岩石感应剩磁场来回反向就是铁证。

地球的几个圈层中最靠近地心的就是所谓的固体内核圈了，它位于5120至6371公里地心处，根据对地震波速的探测与研究，证明此层为固体结构。地球内层不是均质的，平均地球密度为5.515克/厘米³，而地球岩石圈的密度仅为2.6～3.0克/厘米³。由此，地球内部的密度必定要大得多，并随深度的增加，密度也出现明显的变化。地球内部的温度随深度而上升。根据最近的估计，在100公里深度处温度为1300°C，300公里处为2000°C，在地幔圈与外核液态圈边界处，约为4000°C，地心处温度为 5500 ～ 6000°C。

固体内核圈本应遵守惯性匀速自轉，但因其上部分的拖拽作用不得不匀速渐慢。而固体内核圈的其上部分，因地球及月亮的公转轨道椭圆，使天体引力变化而自轉不匀速。