Wewnętrzny superrotacja rdzenia

Przekrój Ziemi przedstawiający rdzeń wewnętrzny (biały) i rdzeń zewnętrzny (żółty)

Superrotacja jądra wewnętrznego to rotacja wewnętrznego jądra Ziemi w kierunku wschodnim względem jej płaszcza , dla szybkości rotacji netto, która jest większa niż dla całej Ziemi. Model ziemskiego dynama z 1995 roku przewidywał superrotacje do 3 stopni rocznie; w następnym roku prognoza ta została poparta zaobserwowanymi rozbieżnościami w czasie, w jakim fale p przemieszczają się przez wewnętrzny i zewnętrzny rdzeń.

W obserwacjach sejsmicznych wykorzystano zależność kierunkową (anizotropię) prędkości fal sejsmicznych w rdzeniu wewnętrznym, a także przestrzenne zmiany prędkości. Inne szacunki pochodzą ze swobodnych oscylacji Ziemi . Wyniki są niespójne, a istnienie superrotacji jest nadal kontrowersyjne, ale prawdopodobnie wynosi ona mniej niż 0,1 stopnia rocznie.

Kiedy modele geodynamo uwzględniają sprzężenie grawitacyjne między wewnętrznym rdzeniem a płaszczem, obniża to przewidywaną superrotację do zaledwie 1 stopnia na milion lat. Aby wewnętrzny rdzeń obracał się pomimo sprzężenia grawitacyjnego, musi mieć możliwość zmiany kształtu, co nakłada ograniczenia na jego lepkość .

Tło

W centrum Ziemi znajduje się jądro, kula o średnim promieniu 3480 kilometrów, która składa się głównie z żelaza. Zewnętrzne jądro jest płynne, podczas gdy jądro wewnętrzne o promieniu 1220 km jest stałe. Ponieważ rdzeń zewnętrzny ma niską lepkość , może obracać się z inną prędkością niż płaszcz i skorupa . Ta możliwość została po raz pierwszy zaproponowana w 1975 roku w celu wyjaśnienia zjawiska ziemskiego pola magnetycznego zwanego dryfem w kierunku zachodnim: niektóre części pola obracają się o około 0,2 stopnia rocznie w kierunku zachodnim względem powierzchni Ziemi. w 1981 r. David Gubbins z Leeds University przewidział, że różnicowa rotacja wewnętrznego i zewnętrznego rdzenia może generować duże toroidalne pole magnetyczne w pobliżu wspólnej granicy, przyspieszając wewnętrzny rdzeń do tempa dryfu na zachód. Byłoby to w przeciwieństwie do obrotu Ziemi , który jest na wschód, więc ogólny obrót byłby wolniejszy.

W 1995 roku Gary Glatzmeier z Los Alamos i Paul Roberts z UCLA opublikowali pierwszy „samospójny” trójwymiarowy model dynama w rdzeniu. Model przewidywał, że wewnętrzny rdzeń obraca się o 3 stopnie rocznie szybciej niż płaszcz, zjawisko, które stało się znane jako superrotacja. 1996, Xiaodong Song i Paul G. Richards, naukowcy z Obserwatorium Ziemi Lamont-Doherty , przedstawili dowody sejsmiczne na superrotację od 0,4 do 1,8 stopnia rocznie, podczas gdy inne badanie oszacowało superrotację na 3 stopnie rocznie.

Obserwacje sejsmiczne

Schemat fal PKP(BC) i PKP(DF).
Położenie Wysp Sandwich Południowy , które są prawie antypodalne w stosunku do Alaski.

Główne ograniczenia obserwacyjne dotyczące rotacji rdzenia wewnętrznego wynikają z sejsmologii. Kiedy dochodzi do trzęsienia ziemi, przez Ziemię przemieszczają się dwa rodzaje fal sejsmicznych : fale poruszające się zgodnie z kierunkiem rozchodzenia się fali ( fale p ) i fale poprzeczne ( fale s ). Fale S nie przemieszczają się przez rdzeń zewnętrzny, ponieważ wiążą się z naprężeniami ścinającymi , rodzajem odkształcenia, które nie może wystąpić w cieczy. W notacji sejsmicznej fala p jest reprezentowana przez literę P podczas przechodzenia przez skorupę i płaszcz oraz przez literę K podczas przechodzenia przez jądro zewnętrzne. Fala, która przechodzi przez płaszcz, rdzeń i ponownie płaszcz, zanim dotrze do powierzchni, jest reprezentowana przez PKP. Ze względów geometrycznych wyróżnia się dwie gałęzie PKP: PKP(AB) przez górną część rdzenia zewnętrznego i PKP(BC) przez część dolną. Fala przechodząca przez jądro wewnętrzne jest określana jako PKP(DF). (Alternatywne nazwy tych faz to PKP1, PKP2 i PKIKP.) Fale sejsmiczne mogą podróżować wieloma ścieżkami od trzęsienia ziemi do danego czujnika.

Fale PKP(BC) i PKP(DF) mają podobne ścieżki w płaszczu, więc wszelkie różnice w całkowitym czasie podróży wynikają głównie z różnicy prędkości fal między rdzeniem zewnętrznym i wewnętrznym. Song i Richards przyjrzeli się, jak ta różnica zmieniała się w czasie. Fale przemieszczające się z południa na północ (emitowane przez trzęsienia ziemi na Wyspach Sandwich Południowy i odbierane w Fairbanks na Alasce ) różniły się o 0,4 sekundy między 1967 a 1995 rokiem . Niemcy) nie wykazały żadnych zmian.

Jedną z krytyki wczesnych szacunków superrotacji było to, że niepewność co do hipocentrów trzęsień ziemi, zwłaszcza tych we wcześniejszych zapisach, powodowała błędy w pomiarze czasu podróży. Ten błąd można zmniejszyć, wykorzystując dane dotyczące dubletów trzęsień ziemi . Są to trzęsienia ziemi, które mają bardzo podobne przebiegi, co wskazuje, że trzęsienia ziemi były bardzo blisko siebie (w promieniu około kilometra). Korzystając z danych dubletów z Wysp Sandwich Południowy, badanie przeprowadzone w 2015 roku przyniosło nowe oszacowanie 0,41 ° rocznie.

Anizotropia rdzenia wewnętrznego

Song i Richards wyjaśnili swoje obserwacje w kategoriach dominującego modelu anizotropii jądra wewnętrznego wtedy. Zaobserwowano, że fale przemieszczają się szybciej między północą a południem niż wzdłuż płaszczyzny równikowej. Model rdzenia wewnętrznego o jednolitej anizotropii miał kierunek najszybszej podróży odchylony pod kątem 10° od osi obrotu Ziemi. Od tego czasu model anizotropii stał się bardziej złożony. Górne 100 kilometrów jest izotropowych. Poniżej tego anizotropia jest silniejsza na półkuli „zachodniej” (z grubsza wyśrodkowanej w obu Amerykach) niż na półkuli „wschodniej” (druga połowa globu), a anizotropia może rosnąć wraz z głębokością. Może również występować inna orientacja anizotropii w „najbardziej wewnętrznym rdzeniu wewnętrznym” (IMIC) o promieniu około 550 kilometrów.

Grupa z University of Cambridge wykorzystała różnice czasu podróży do oszacowania długości granic półkuli o głębokości do 90 kilometrów poniżej wewnętrznej granicy rdzenia. Łącząc te informacje z oszacowaniem tempa wzrostu rdzenia wewnętrznego, uzyskali tempo 0,1–1° na milion lat.

Szacunki dotyczące wskaźnika rotacji na podstawie różnic w czasie podróży były niespójne. Te oparte na trzęsieniach ziemi na Sandwich Island mają najszybsze wskaźniki, chociaż mają też słabszy sygnał, a PKP(DF) ledwo wyłania się z szumu. Szacunki oparte na innych ścieżkach były niższe lub wręcz przeciwnie. Według jednej analizy, tempo rotacji jest ograniczone do mniej niż 0,1 ° rocznie.

Niejednorodność

Badanie przeprowadzone w 1997 roku ponownie przeanalizowało dane z Sandwich Islands i doprowadziło do innego wniosku na temat pochodzenia zmian w czasie podróży, przypisując je lokalnym niejednorodnościom prędkości fal. Nowe oszacowanie superrotacji zostało zmniejszone do 0,2–0,3 ° rocznie.

Rotację rdzenia wewnętrznego oszacowano również za pomocą fal PKiKP, które rozpraszają się na powierzchni rdzenia wewnętrznego, a nie fal PKP (DF). Szacunki przy użyciu tej metody wahały się od 0,05 do 0,15 ° rocznie.

Normalne tryby

Innym sposobem ograniczenia wewnętrznej rotacji rdzenia jest użycie normalnych trybów (fal stojących na Ziemi), co daje globalny obraz. Niejednorodności w rdzeniu dzielą tryby, a zmiany „funkcji podziału” w czasie można wykorzystać do oszacowania szybkości rotacji. Jednak ich dokładność jest ograniczona przez brak stacji sejsmicznych w latach 70. i 80. XX wieku, a wywnioskowana rotacja może być dodatnia lub ujemna w zależności od trybu. Ogólnie rzecz biorąc, normalne tryby nie są w stanie odróżnić prędkości obrotowej od zera.

Teoria

W modelu Glatzmeiera i Robertsa z 1995 roku wewnętrzny rdzeń jest obracany przez mechanizm podobny do silnika indukcyjnego . Wiatr termiczny w zewnętrznym jądrze powoduje powstanie cyrkulacji z przepływem ze wschodu na zachód w pobliżu wewnętrznej granicy jądra. Pola magnetyczne przechodzące przez wewnętrzny i zewnętrzny rdzeń zapewniają moment magnetyczny, podczas gdy lepki moment obrotowy na granicy utrzymuje wewnętrzny rdzeń i płyn w jego pobliżu obracający się średnio z tą samą prędkością.

Model z 1995 roku nie uwzględniał wpływu sprzężenia grawitacyjnego między zmianami gęstości płaszcza a topografią wewnętrznej granicy jądra. Badanie z 1996 roku przewidywało, że zmusi to wewnętrzny rdzeń i płaszcz do obracania się z tą samą prędkością, ale artykuł z 1997 roku wykazał, że względny obrót może wystąpić, jeśli wewnętrzny rdzeń będzie w stanie zmienić swój kształt. Wymagałoby to, lepkość była mniejsza niż 1,5 x 10 20 paskali -sekund (Pa·s). Przewidywano również, że jeśli lepkość byłaby zbyt niska (poniżej 3 x 10 16 Pa·s), wewnętrzny rdzeń nie byłby w stanie utrzymać anizotropii sejsmicznej. Jednak źródło anizotropii nadal nie jest dobrze poznane. Model lepkości rdzenia wewnętrznego oparty na nutacjach Ziemi ogranicza lepkość do 2–7 × 10 14 Pa·s.

Modele Geodynamo, które uwzględniają blokowanie grawitacyjne i zmiany długości dnia, przewidują szybkość superrotacji wynoszącą zaledwie 1° na milion lat. Niektóre niespójności między pomiarami rotacji mogą być uwzględnione, jeśli prędkość rotacji oscyluje.

Zobacz też

Uwagi i odniesienia

Dalsza lektura

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Inner_core_super-rotation&oldid=1135604118 ”