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我们脚下的地球大部分时间似乎坚固不动,令人放心。但这是一个错觉,这个错觉来自我们有限的认知。
我们的这个行星每23小时56分钟4秒自转一次。它也围绕着太阳运转,我们的太阳系也在围绕着银河系的中心飞速运转,而我们的银河系也正在飞向宇宙中一个被称为巨引源的空间。这里涉及的速度要是说出来会令人头晕目眩。
即使你忽视了这一切,地球也远远不稳定。在我们脚下,巨大的岩石块不断地相互磨合,形成山谷,一起形成山脉,或者形成河流和海洋。我们脚下的地面在永远漂移、伸展和摇摆。
在大多数情况下,这没有什么可担心的。然而,我们对这些现象越来越多的了解会让我们对地球内部的运作有更好的理解,对试图跟踪和着陆航天器的人也很方便。我们现在已知有七个因素使地球移动。
台式地球仪是一个完美的球体,因此它可以在固定的轴上平滑地旋转。然而,真正的地球不是这样一个完美的球体,其中的质量分布不均匀,容易移动。所以,地球旋转的轴线以及轴的南北端也在移动。
此外,由于旋转轴与其图形轴不同,图形轴周围的质量平衡,所以当地球旋转时就会摆动。
在科学界,牛顿早就预测到了这种摆动。更准确地说,它由许多明显的摆动组成。
影响最大的一个被称为“钱德勒摇摆”,这是美国天文学家小塞特·钱德勒在1891年首次观察到的,它导致极点移动9米,需要大约14个月才能完成一个完整的周期。
20世纪,科学家提出了各种各样的原因,包括大陆储水,大气压力,地震以及地球核心和地幔边界相互作用的变化。
加利福尼亚州帕萨迪纳市美国航空航天局喷气推进实验室的地球物理学家理查德·格罗斯在2000年解决了这个谜团。1985年至1995年,他将天气和海洋新模型应用于对钱德勒摇摆的观测,通过计算,2/3的摆动是由于海底压力波动引起的,1/3是由大气压力的变化所致。
格罗斯说:“它们的相对重要性随时间而变化,但是现在广泛接受的原因是大气和海洋压力变化的结合。”
季节是影响地球摇摆的第二大因素,那是因为它们导致了雨、雪和湿度在不同地理区域的变化。
1899年以来,科学家使用星星的相对位置能够精确定位两极;20世纪70年代以来有了卫星就更加方便。但是,即使在消除了钱德勒摇摆和季节性波动的影响之后,相对地壳来说,北极和南极的旋转极点仍然在移动。
在2016年4月发表的一项研究中,也在喷气推进实验室工作的苏仁德拉·阿迪卡里和埃里克·埃文斯辨认出两个更重要的地球摆动拼图。
在2000年之前,地球的旋转轴线向加拿大漂移,每年几厘米。但随后的测量显示,旋转轴改变了方向,改为朝向不列颠群岛。一些科学家认为,这可能是由于格陵兰岛和南极冰盖迅速融化造成的冰块损失所致。
阿迪卡里和埃文斯开始检验这个观点。他们将极地位置的GPS测量与GRACE(使用卫星测量地球周围质量变化的研究)的数据进行了比较。
他们发现,格陵兰和南极冰盖的融化只解释了最近两极方向移动的2/3左右。他们得出结论,剩下的1/3是由于大陆(主体是欧亚大陆)上遗留的水引起的水量下降。
该地区受含水层枯竭和干旱的影响。然而,起初涉及的水量似乎太小,无法产生这样的影响。
然后他们考虑到受影响地区的位置。阿迪卡里说:“从旋转物体的基本物理学角度来看,我们知道极点的移动对于大约±45°纬度的变化非常敏感。这正是欧亚大陆所存失水的原因。
这项研究还确定了大陆水储存是对地球旋转中摆动的另一个合理解释。
在整个20世纪,研究人员一直感到困惑,因為旋转轴每6年至14年移动一次,总体漂移为向东或向西0.5米至1.5米。阿迪卡里和埃文斯发现,在2002年至2015年间,欧亚大陆干旱年份对应于向东摆动,湿润年份对应于向西摆动。
阿迪卡里说:“我们找到了一个完美的匹配,成功确定全球范围内的年际湿干变异性和年际极移之间一对一匹配,这是第一次。”
水和冰的这些运动是由自然过程和人类行为相结合造成的,但是影响地球摆动的其他变化都是人类自己所为。
在2009年的一项研究中,JPL 的费利克斯·兰德勒计算得出,如果二氧化碳水平在2000年至2100年间翻一番,海洋就会变暖并膨胀,致使北极在下个世纪每年向阿拉斯加和夏威夷移动1.5厘米左右。
类似的是,在2007年的一项研究中,兰德勒模拟了二氧化碳增加对海底压力和循环造成的海洋变暖的影响。他发现,这些变化会将质量转移到更高纬度地区,这样会将地球上的一天缩短0.1毫秒多一点的时间,即万分之一秒。
大量的水和冰如果四处移动,就会影响地球的旋转。移动足够大的岩石也具有相同的效果。
构成地球表面的构造板块突然滑过彼此时,就会发生地震。在理论上,这可能产生影响。
格罗斯研究了2010年智利海岸发生的8.8级大地震。在尚未发表的研究中,他计算出板块运动将地球的质量平衡轴线移动了约8厘米。
然而,这只是一个基于模型的估计。格罗斯等人因此试图通过跟踪GPS卫星数据中的地震来观察地球旋转方式的真正转变。
到目前为止,已经证明还不成功,因为排除影响地球旋转的所有其他因素是一件棘手的事。格罗斯说:“这些模型并不完美,因为残留噪音掩盖了较小的地震信号。” 当构造板滑过彼此时发生的质量运动也会影响一天的长度。这有点像一个滑冰运动员在一个点上旋转:她可以通过收回胳膊而加速,从而使她的质量更接近身体;或者通过相反的方式减速。例如,格罗斯计算,2011年日本的9.1级地震将这一天的长度缩短了1.8微秒。
当发生地震时,会触发通过地球内部传递能量的地震波。
地震波分为两种:“P波”反复挤压其穿过的材料并使其膨胀,振动与行进方向相同;较慢的“S波”从一侧到另一侧摆动岩石,振动与其行进方向成直角。
强烈的风暴也可能产生类似地震引发的地震波,这些波被称为微震。直到最近,科学家才确定了微S波的来源。
在东京大学的西田究(Kiwamu Nishida)和东北大学的阿田川良太(Ryota Takagi)发表的研究报告中,他们在日本南部使用了202个探测器网络来跟踪P 波和S 波,将其起源追溯到一次严重的北大西洋风暴,并将其称为“气象炸弹”:中心的大气压力急剧下降的风暴。
以这种方式跟踪微震行动将有助于研究人员更好地了解地球的内部结构。
不仅仅是地球上的现象影响着我们这颗行星的运动。最近的研究表明,大地震更有可能在满月或新月前后,这可能是因为太阳、月球和地球呈一条直线,增加了重力,对我们的行星发生了作用。
在2016年9月发表的一项研究中,东京大学的井出乡四(Satoshi Ide)和他的同事分析了过去20年来大地震前两周的潮汐压力。 在最大的12次地震中(全部达到8.2级或以上),有9次发生在接近满月或新月的前后。没有发现较小的地震有这种关系。
井出的结论是,这些时候额外的重力可能在构造板块上增加作用。其变化虽然很小,但如果板块受到压力,额外的力量就足以将岩石小的破裂变成更大的破裂。
虽然这看上去合理,但许多科学家持怀疑态度,因为井出的研究只考察了12次地震。
更有争议的是这一观点:太阳内部的振动可以用来解释地球上的一些摆动现象。
当气体在太阳内部移动时,它们产生两种不同类型的波浪。由压力变化产生的称为p模式,而当致密材料通过重力向下拉动时形成的那些称为g模式。
p模式只需要几分钟就能完成一个完整的振动周期,而g模式需要几十分钟到几小时。这段时间是模式的“周期”。
1995年,由加拿大金斯顿女王大学的大卫·汤姆森牵头的小组分析了1992年至1994年从太阳流出的大量带电粒子的太阳风表现的模式。他们报告的波动与p模式和g模式周期相同,表明太阳的这些振动以某种方式影响太阳风。
2007年,汤姆森接著报告说,海底通信电缆电压发生波动,原因不明确。地球上的地震观测甚至移动电话信号丢失也产生了与太阳内部波浪相匹配的频率模式。
然而,其他科学家相信汤姆森的这个说法是站不住脚的。根据模拟,这些太阳振动,特别是g模式,等到达太阳表面时已经非常微弱,不会影响太阳风。即使情况并非如此,在远离地球时,行星际介质的湍流就会破坏这些模式。
加利福尼亚州圣地亚哥从事预测科学的皮特·赖利称:“当我们观察不同的时间段时,发现频率正在变动,特别是在g 模式下,它们应该保持相对稳定。”早在1996年,他发表了一篇研究报告质询汤姆森的原始结果。“我们看了大卫·汤姆森看过的相同数据,并对其进行了相同的分析,并没有找到有关p模式或g模式的证据。”
显然,汤姆森的想法可能不会成功。但是,我们的地球摇摆还有很多其他原因。
我们的这个行星每23小时56分钟4秒自转一次。它也围绕着太阳运转,我们的太阳系也在围绕着银河系的中心飞速运转,而我们的银河系也正在飞向宇宙中一个被称为巨引源的空间。这里涉及的速度要是说出来会令人头晕目眩。
即使你忽视了这一切,地球也远远不稳定。在我们脚下,巨大的岩石块不断地相互磨合,形成山谷,一起形成山脉,或者形成河流和海洋。我们脚下的地面在永远漂移、伸展和摇摆。
在大多数情况下,这没有什么可担心的。然而,我们对这些现象越来越多的了解会让我们对地球内部的运作有更好的理解,对试图跟踪和着陆航天器的人也很方便。我们现在已知有七个因素使地球移动。
台式地球仪是一个完美的球体,因此它可以在固定的轴上平滑地旋转。然而,真正的地球不是这样一个完美的球体,其中的质量分布不均匀,容易移动。所以,地球旋转的轴线以及轴的南北端也在移动。
此外,由于旋转轴与其图形轴不同,图形轴周围的质量平衡,所以当地球旋转时就会摆动。
在科学界,牛顿早就预测到了这种摆动。更准确地说,它由许多明显的摆动组成。
影响最大的一个被称为“钱德勒摇摆”,这是美国天文学家小塞特·钱德勒在1891年首次观察到的,它导致极点移动9米,需要大约14个月才能完成一个完整的周期。
20世纪,科学家提出了各种各样的原因,包括大陆储水,大气压力,地震以及地球核心和地幔边界相互作用的变化。
加利福尼亚州帕萨迪纳市美国航空航天局喷气推进实验室的地球物理学家理查德·格罗斯在2000年解决了这个谜团。1985年至1995年,他将天气和海洋新模型应用于对钱德勒摇摆的观测,通过计算,2/3的摆动是由于海底压力波动引起的,1/3是由大气压力的变化所致。
格罗斯说:“它们的相对重要性随时间而变化,但是现在广泛接受的原因是大气和海洋压力变化的结合。”
季节是影响地球摇摆的第二大因素,那是因为它们导致了雨、雪和湿度在不同地理区域的变化。
1899年以来,科学家使用星星的相对位置能够精确定位两极;20世纪70年代以来有了卫星就更加方便。但是,即使在消除了钱德勒摇摆和季节性波动的影响之后,相对地壳来说,北极和南极的旋转极点仍然在移动。
在2016年4月发表的一项研究中,也在喷气推进实验室工作的苏仁德拉·阿迪卡里和埃里克·埃文斯辨认出两个更重要的地球摆动拼图。
在2000年之前,地球的旋转轴线向加拿大漂移,每年几厘米。但随后的测量显示,旋转轴改变了方向,改为朝向不列颠群岛。一些科学家认为,这可能是由于格陵兰岛和南极冰盖迅速融化造成的冰块损失所致。
阿迪卡里和埃文斯开始检验这个观点。他们将极地位置的GPS测量与GRACE(使用卫星测量地球周围质量变化的研究)的数据进行了比较。
他们发现,格陵兰和南极冰盖的融化只解释了最近两极方向移动的2/3左右。他们得出结论,剩下的1/3是由于大陆(主体是欧亚大陆)上遗留的水引起的水量下降。
该地区受含水层枯竭和干旱的影响。然而,起初涉及的水量似乎太小,无法产生这样的影响。
然后他们考虑到受影响地区的位置。阿迪卡里说:“从旋转物体的基本物理学角度来看,我们知道极点的移动对于大约±45°纬度的变化非常敏感。这正是欧亚大陆所存失水的原因。
这项研究还确定了大陆水储存是对地球旋转中摆动的另一个合理解释。
在整个20世纪,研究人员一直感到困惑,因為旋转轴每6年至14年移动一次,总体漂移为向东或向西0.5米至1.5米。阿迪卡里和埃文斯发现,在2002年至2015年间,欧亚大陆干旱年份对应于向东摆动,湿润年份对应于向西摆动。
阿迪卡里说:“我们找到了一个完美的匹配,成功确定全球范围内的年际湿干变异性和年际极移之间一对一匹配,这是第一次。”
水和冰的这些运动是由自然过程和人类行为相结合造成的,但是影响地球摆动的其他变化都是人类自己所为。
在2009年的一项研究中,JPL 的费利克斯·兰德勒计算得出,如果二氧化碳水平在2000年至2100年间翻一番,海洋就会变暖并膨胀,致使北极在下个世纪每年向阿拉斯加和夏威夷移动1.5厘米左右。
类似的是,在2007年的一项研究中,兰德勒模拟了二氧化碳增加对海底压力和循环造成的海洋变暖的影响。他发现,这些变化会将质量转移到更高纬度地区,这样会将地球上的一天缩短0.1毫秒多一点的时间,即万分之一秒。
大量的水和冰如果四处移动,就会影响地球的旋转。移动足够大的岩石也具有相同的效果。
构成地球表面的构造板块突然滑过彼此时,就会发生地震。在理论上,这可能产生影响。
格罗斯研究了2010年智利海岸发生的8.8级大地震。在尚未发表的研究中,他计算出板块运动将地球的质量平衡轴线移动了约8厘米。
然而,这只是一个基于模型的估计。格罗斯等人因此试图通过跟踪GPS卫星数据中的地震来观察地球旋转方式的真正转变。
到目前为止,已经证明还不成功,因为排除影响地球旋转的所有其他因素是一件棘手的事。格罗斯说:“这些模型并不完美,因为残留噪音掩盖了较小的地震信号。” 当构造板滑过彼此时发生的质量运动也会影响一天的长度。这有点像一个滑冰运动员在一个点上旋转:她可以通过收回胳膊而加速,从而使她的质量更接近身体;或者通过相反的方式减速。例如,格罗斯计算,2011年日本的9.1级地震将这一天的长度缩短了1.8微秒。
当发生地震时,会触发通过地球内部传递能量的地震波。
地震波分为两种:“P波”反复挤压其穿过的材料并使其膨胀,振动与行进方向相同;较慢的“S波”从一侧到另一侧摆动岩石,振动与其行进方向成直角。
强烈的风暴也可能产生类似地震引发的地震波,这些波被称为微震。直到最近,科学家才确定了微S波的来源。
在东京大学的西田究(Kiwamu Nishida)和东北大学的阿田川良太(Ryota Takagi)发表的研究报告中,他们在日本南部使用了202个探测器网络来跟踪P 波和S 波,将其起源追溯到一次严重的北大西洋风暴,并将其称为“气象炸弹”:中心的大气压力急剧下降的风暴。
以这种方式跟踪微震行动将有助于研究人员更好地了解地球的内部结构。
不仅仅是地球上的现象影响着我们这颗行星的运动。最近的研究表明,大地震更有可能在满月或新月前后,这可能是因为太阳、月球和地球呈一条直线,增加了重力,对我们的行星发生了作用。
在2016年9月发表的一项研究中,东京大学的井出乡四(Satoshi Ide)和他的同事分析了过去20年来大地震前两周的潮汐压力。 在最大的12次地震中(全部达到8.2级或以上),有9次发生在接近满月或新月的前后。没有发现较小的地震有这种关系。
井出的结论是,这些时候额外的重力可能在构造板块上增加作用。其变化虽然很小,但如果板块受到压力,额外的力量就足以将岩石小的破裂变成更大的破裂。
虽然这看上去合理,但许多科学家持怀疑态度,因为井出的研究只考察了12次地震。
更有争议的是这一观点:太阳内部的振动可以用来解释地球上的一些摆动现象。
当气体在太阳内部移动时,它们产生两种不同类型的波浪。由压力变化产生的称为p模式,而当致密材料通过重力向下拉动时形成的那些称为g模式。
p模式只需要几分钟就能完成一个完整的振动周期,而g模式需要几十分钟到几小时。这段时间是模式的“周期”。
1995年,由加拿大金斯顿女王大学的大卫·汤姆森牵头的小组分析了1992年至1994年从太阳流出的大量带电粒子的太阳风表现的模式。他们报告的波动与p模式和g模式周期相同,表明太阳的这些振动以某种方式影响太阳风。
2007年,汤姆森接著报告说,海底通信电缆电压发生波动,原因不明确。地球上的地震观测甚至移动电话信号丢失也产生了与太阳内部波浪相匹配的频率模式。
然而,其他科学家相信汤姆森的这个说法是站不住脚的。根据模拟,这些太阳振动,特别是g模式,等到达太阳表面时已经非常微弱,不会影响太阳风。即使情况并非如此,在远离地球时,行星际介质的湍流就会破坏这些模式。
加利福尼亚州圣地亚哥从事预测科学的皮特·赖利称:“当我们观察不同的时间段时,发现频率正在变动,特别是在g 模式下,它们应该保持相对稳定。”早在1996年,他发表了一篇研究报告质询汤姆森的原始结果。“我们看了大卫·汤姆森看过的相同数据,并对其进行了相同的分析,并没有找到有关p模式或g模式的证据。”
显然,汤姆森的想法可能不会成功。但是,我们的地球摇摆还有很多其他原因。