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        地球不只是旋轉(zhuǎn),它也搖擺不定

        2017-10-16 14:10:03尼克·佛萊明
        飛碟探索 2017年10期
        關(guān)鍵詞:影響研究

        尼克·佛萊明

        我們腳下的地球大部分時(shí)間似乎堅(jiān)固不動(dòng),令人放心。但這是一個(gè)錯(cuò)覺,這個(gè)錯(cuò)覺來自我們有限的認(rèn)知。

        我們的這個(gè)行星每23小時(shí)56分鐘4秒自轉(zhuǎn)一次。它也圍繞著太陽運(yùn)轉(zhuǎn),我們的太陽系也在圍繞著銀河系的中心飛速運(yùn)轉(zhuǎn),而我們的銀河系也正在飛向宇宙中一個(gè)被稱為巨引源的空間。這里涉及的速度要是說出來會(huì)令人頭暈?zāi)垦!?/p>

        即使你忽視了這一切,地球也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不穩(wěn)定。在我們腳下,巨大的巖石塊不斷地相互磨合,形成山谷,一起形成山脈,或者形成河流和海洋。我們腳下的地面在永遠(yuǎn)漂移、伸展和搖擺。

        在大多數(shù)情況下,這沒有什么可擔(dān)心的。然而,我們對(duì)這些現(xiàn)象越來越多的了解會(huì)讓我們對(duì)地球內(nèi)部的運(yùn)作有更好的理解,對(duì)試圖跟蹤和著陸航天器的人也很方便。我們現(xiàn)在已知有七個(gè)因素使地球移動(dòng)。

        臺(tái)式地球儀是一個(gè)完美的球體,因此它可以在固定的軸上平滑地旋轉(zhuǎn)。然而,真正的地球不是這樣一個(gè)完美的球體,其中的質(zhì)量分布不均勻,容易移動(dòng)。所以,地球旋轉(zhuǎn)的軸線以及軸的南北端也在移動(dòng)。

        此外,由于旋轉(zhuǎn)軸與其圖形軸不同,圖形軸周圍的質(zhì)量平衡,所以當(dāng)?shù)厍蛐D(zhuǎn)時(shí)就會(huì)擺動(dòng)。

        在科學(xué)界,牛頓早就預(yù)測(cè)到了這種擺動(dòng)。更準(zhǔn)確地說,它由許多明顯的擺動(dòng)組成。

        影響最大的一個(gè)被稱為“錢德勒搖擺”,這是美國天文學(xué)家小塞特·錢德勒在1891年首次觀察到的,它導(dǎo)致極點(diǎn)移動(dòng)9米,需要大約14個(gè)月才能完成一個(gè)完整的周期。

        20世紀(jì),科學(xué)家提出了各種各樣的原因,包括大陸儲(chǔ)水,大氣壓力,地震以及地球核心和地幔邊界相互作用的變化。

        加利福尼亞州帕薩迪納市美國航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的地球物理學(xué)家理查德·格羅斯在2000年解決了這個(gè)謎團(tuán)。1985年至1995年,他將天氣和海洋新模型應(yīng)用于對(duì)錢德勒搖擺的觀測(cè),通過計(jì)算,2/3的擺動(dòng)是由于海底壓力波動(dòng)引起的,1/3是由大氣壓力的變化所致。

        格羅斯說:“它們的相對(duì)重要性隨時(shí)間而變化,但是現(xiàn)在廣泛接受的原因是大氣和海洋壓力變化的結(jié)合。”

        季節(jié)是影響地球搖擺的第二大因素,那是因?yàn)樗鼈儗?dǎo)致了雨、雪和濕度在不同地理區(qū)域的變化。

        1899年以來,科學(xué)家使用星星的相對(duì)位置能夠精確定位兩極;20世紀(jì)70年代以來有了衛(wèi)星就更加方便。但是,即使在消除了錢德勒搖擺和季節(jié)性波動(dòng)的影響之后,相對(duì)地殼來說,北極和南極的旋轉(zhuǎn)極點(diǎn)仍然在移動(dòng)。

        在2016年4月發(fā)表的一項(xiàng)研究中,也在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工作的蘇仁德拉·阿迪卡里和埃里克·埃文斯辨認(rèn)出兩個(gè)更重要的地球擺動(dòng)拼圖。

        在2000年之前,地球的旋轉(zhuǎn)軸線向加拿大漂移,每年幾厘米。但隨后的測(cè)量顯示,旋轉(zhuǎn)軸改變了方向,改為朝向不列顛群島。一些科學(xué)家認(rèn)為,這可能是由于格陵蘭島和南極冰蓋迅速融化造成的冰塊損失所致。

        阿迪卡里和埃文斯開始檢驗(yàn)這個(gè)觀點(diǎn)。他們將極地位置的GPS測(cè)量與GRACE(使用衛(wèi)星測(cè)量地球周圍質(zhì)量變化的研究)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。

        他們發(fā)現(xiàn),格陵蘭和南極冰蓋的融化只解釋了最近兩極方向移動(dòng)的2/3左右。他們得出結(jié)論,剩下的1/3是由于大陸(主體是歐亞大陸)上遺留的水引起的水量下降。

        該地區(qū)受含水層枯竭和干旱的影響。然而,起初涉及的水量似乎太小,無法產(chǎn)生這樣的影響。

        然后他們考慮到受影響地區(qū)的位置。阿迪卡里說:“從旋轉(zhuǎn)物體的基本物理學(xué)角度來看,我們知道極點(diǎn)的移動(dòng)對(duì)于大約±45°緯度的變化非常敏感。這正是歐亞大陸所存失水的原因。

        這項(xiàng)研究還確定了大陸水儲(chǔ)存是對(duì)地球旋轉(zhuǎn)中擺動(dòng)的另一個(gè)合理解釋。

        在整個(gè)20世紀(jì),研究人員一直感到困惑,因?yàn)樾D(zhuǎn)軸每6年至14年移動(dòng)一次,總體漂移為向東或向西0.5米至1.5米。阿迪卡里和埃文斯發(fā)現(xiàn),在2002年至2015年間,歐亞大陸干旱年份對(duì)應(yīng)于向東擺動(dòng),濕潤年份對(duì)應(yīng)于向西擺動(dòng)。

        阿迪卡里說:“我們找到了一個(gè)完美的匹配,成功確定全球范圍內(nèi)的年際濕干變異性和年際極移之間一對(duì)一匹配,這是第一次?!?/p>

        水和冰的這些運(yùn)動(dòng)是由自然過程和人類行為相結(jié)合造成的,但是影響地球擺動(dòng)的其他變化都是人類自己所為。

        在2009年的一項(xiàng)研究中,JPL 的費(fèi)利克斯·蘭德勒計(jì)算得出,如果二氧化碳水平在2000年至2100年間翻一番,海洋就會(huì)變暖并膨脹,致使北極在下個(gè)世紀(jì)每年向阿拉斯加和夏威夷移動(dòng)1.5厘米左右。

        類似的是,在2007年的一項(xiàng)研究中,蘭德勒模擬了二氧化碳增加對(duì)海底壓力和循環(huán)造成的海洋變暖的影響。他發(fā)現(xiàn),這些變化會(huì)將質(zhì)量轉(zhuǎn)移到更高緯度地區(qū),這樣會(huì)將地球上的一天縮短0.1毫秒多一點(diǎn)的時(shí)間,即萬分之一秒。

        大量的水和冰如果四處移動(dòng),就會(huì)影響地球的旋轉(zhuǎn)。移動(dòng)足夠大的巖石也具有相同的效果。

        構(gòu)成地球表面的構(gòu)造板塊突然滑過彼此時(shí),就會(huì)發(fā)生地震。在理論上,這可能產(chǎn)生影響。

        格羅斯研究了2010年智利海岸發(fā)生的8.8級(jí)大地震。在尚未發(fā)表的研究中,他計(jì)算出板塊運(yùn)動(dòng)將地球的質(zhì)量平衡軸線移動(dòng)了約8厘米。

        然而,這只是一個(gè)基于模型的估計(jì)。格羅斯等人因此試圖通過跟蹤GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)中的地震來觀察地球旋轉(zhuǎn)方式的真正轉(zhuǎn)變。

        到目前為止,已經(jīng)證明還不成功,因?yàn)榕懦绊懙厍蛐D(zhuǎn)的所有其他因素是一件棘手的事。格羅斯說:“這些模型并不完美,因?yàn)闅埩粼胍粞谏w了較小的地震信號(hào)?!?

        當(dāng)構(gòu)造板滑過彼此時(shí)發(fā)生的質(zhì)量運(yùn)動(dòng)也會(huì)影響一天的長度。這有點(diǎn)像一個(gè)滑冰運(yùn)動(dòng)員在一個(gè)點(diǎn)上旋轉(zhuǎn):她可以通過收回胳膊而加速,從而使她的質(zhì)量更接近身體;或者通過相反的方式減速。例如,格羅斯計(jì)算,2011年日本的9.1級(jí)地震將這一天的長度縮短了1.8微秒。

        當(dāng)發(fā)生地震時(shí),會(huì)觸發(fā)通過地球內(nèi)部傳遞能量的地震波。

        地震波分為兩種:“P波”反復(fù)擠壓其穿過的材料并使其膨脹,振動(dòng)與行進(jìn)方向相同;較慢的“S波”從一側(cè)到另一側(cè)擺動(dòng)巖石,振動(dòng)與其行進(jìn)方向成直角。

        強(qiáng)烈的風(fēng)暴也可能產(chǎn)生類似地震引發(fā)的地震波,這些波被稱為微震。直到最近,科學(xué)家才確定了微S波的來源。

        在東京大學(xué)的西田究(Kiwamu Nishida)和東北大學(xué)的阿田川良太(Ryota Takagi)發(fā)表的研究報(bào)告中,他們?cè)谌毡灸喜渴褂昧?02個(gè)探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)來跟蹤P 波和S 波,將其起源追溯到一次嚴(yán)重的北大西洋風(fēng)暴,并將其稱為“氣象炸彈”:中心的大氣壓力急劇下降的風(fēng)暴。

        以這種方式跟蹤微震行動(dòng)將有助于研究人員更好地了解地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

        不僅僅是地球上的現(xiàn)象影響著我們這顆行星的運(yùn)動(dòng)。最近的研究表明,大地震更有可能在滿月或新月前后,這可能是因?yàn)樘?、月球和地球呈一條直線,增加了重力,對(duì)我們的行星發(fā)生了作用。

        在2016年9月發(fā)表的一項(xiàng)研究中,東京大學(xué)的井出鄉(xiāng)四(Satoshi Ide)和他的同事分析了過去20年來大地震前兩周的潮汐壓力。 在最大的12次地震中(全部達(dá)到8.2級(jí)或以上),有9次發(fā)生在接近滿月或新月的前后。沒有發(fā)現(xiàn)較小的地震有這種關(guān)系。

        井出的結(jié)論是,這些時(shí)候額外的重力可能在構(gòu)造板塊上增加作用。其變化雖然很小,但如果板塊受到壓力,額外的力量就足以將巖石小的破裂變成更大的破裂。

        雖然這看上去合理,但許多科學(xué)家持懷疑態(tài)度,因?yàn)榫龅难芯恐豢疾炝?2次地震。

        更有爭議的是這一觀點(diǎn):太陽內(nèi)部的振動(dòng)可以用來解釋地球上的一些擺動(dòng)現(xiàn)象。

        當(dāng)氣體在太陽內(nèi)部移動(dòng)時(shí),它們產(chǎn)生兩種不同類型的波浪。由壓力變化產(chǎn)生的稱為p模式,而當(dāng)致密材料通過重力向下拉動(dòng)時(shí)形成的那些稱為g模式。

        p模式只需要幾分鐘就能完成一個(gè)完整的振動(dòng)周期,而g模式需要幾十分鐘到幾小時(shí)。這段時(shí)間是模式的“周期”。

        1995年,由加拿大金斯頓女王大學(xué)的大衛(wèi)·湯姆森牽頭的小組分析了1992年至1994年從太陽流出的大量帶電粒子的太陽風(fēng)表現(xiàn)的模式。他們報(bào)告的波動(dòng)與p模式和g模式周期相同,表明太陽的這些振動(dòng)以某種方式影響太陽風(fēng)。

        2007年,湯姆森接著報(bào)告說,海底通信電纜電壓發(fā)生波動(dòng),原因不明確。地球上的地震觀測(cè)甚至移動(dòng)電話信號(hào)丟失也產(chǎn)生了與太陽內(nèi)部波浪相匹配的頻率模式。

        然而,其他科學(xué)家相信湯姆森的這個(gè)說法是站不住腳的。根據(jù)模擬,這些太陽振動(dòng),特別是g模式,等到達(dá)太陽表面時(shí)已經(jīng)非常微弱,不會(huì)影響太陽風(fēng)。即使情況并非如此,在遠(yuǎn)離地球時(shí),行星際介質(zhì)的湍流就會(huì)破壞這些模式。

        加利福尼亞州圣地亞哥從事預(yù)測(cè)科學(xué)的皮特·賴?yán)Q:“當(dāng)我們觀察不同的時(shí)間段時(shí),發(fā)現(xiàn)頻率正在變動(dòng),特別是在g 模式下,它們應(yīng)該保持相對(duì)穩(wěn)定。”早在1996年,他發(fā)表了一篇研究報(bào)告質(zhì)詢湯姆森的原始結(jié)果?!拔覀兛戳舜笮l(wèi)·湯姆森看過的相同數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行了相同的分析,并沒有找到有關(guān)p模式或g模式的證據(jù)。”

        顯然,湯姆森的想法可能不會(huì)成功。但是,我們的地球搖擺還有很多其他原因。

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