地球固体内核快速自转的理论证明和实测证实

地球固体内核快速自转的理论证明和实测证实杨学祥陈殿友（长春地质学院，长春１３００２６）主题词：地球内核地幔地壳差异旋转１地球内核快速自转的发现最近，美国哥伦比亚大学的宋晓东和理查兹首次利用地震波测量了地球固态内核，发现它的旋转速率比地壳和地幔的旋转速...     

地球主磁场电磁转矩导致的地球差异旋转

为探索驱动地球系统差异旋转的力源,选择整个地球作为研究对象,应用经典电磁学理论,分析地球固体介质中的电荷在地球主磁场中的运动特点,发现存在一个与地球自转方向相反的切向洛伦兹力.通过电荷与介质间的相互作用,切向洛伦兹力传递至介质迫使介质西漂.为探索地球差异旋转的规律,建立了地球薄圆筒圈层模型.应用经典物理学理论和方法推导出了地球主磁场电磁转矩及其产生的角加速度公式.研究得到四点主要结论:1)作用于半径不同的地球薄圆筒圈层的地球主磁场电磁转矩及其产生的角加速度绝对值不同:地轴及赤道附近圈层的小,其自转相对较快;半径等于3～(1/2)倍地球半径的薄圆筒圈层及其相邻圈层的大,其自转相对较慢.2)同一薄圆筒圈层中的差异旋转缘于介质的介电常数、阻力系数及质量密度的差异.3)地球差异旋转缘于地球的自转、正负电荷的非对等分布及介质的介电常数、阻力系数、质量密度的差异.4)地球差异旋转导致地壳运动,孕育地震,地球主磁场是地球差异旋转和地震孕育的敏感因子.     

地球内核超速自转的物理机制

根据地球液态外核的对流结构提出一种物理机制，求解释地震学所推断的地球固体内核超速自转的现象。外核中物质对流和发电机效应的数值计算表明，内核的相切柱体内温度偏高。我们证明这种温差会在圆柱体内产生一种超速自转的热风和一种很强的方位磁场。由感应方位磁场和北景极型磁场可导出作用于内核的转矩，当内核的角速度相对于附近相切柱体内流体的角速度，大约滞后１４％时，作用于内核的转矩达到平衡。所推断的内核的超速自转（     

地球自转速度变化规律的研究和计算模型

本文通过资料分析和模型计算,得到地球自转速率长期减慢趋势和周期波动规律的形成原因.潮汐摩擦是地球自转减慢的主要因素,重力分异和圈层角动量交换是地球自转周期变化的主要因素,重力分异造成的地球各圈层差异旋转是地壳自转变化先慢后快的特殊因素.重力分异将一个均匀的自转地球变为分层的差异旋转地球,在质量向地心集中的同时,自转动能也向地核集中,使地壳和地幔自转变慢,使地核自转变快.圈层角动量交换将地球自转动能变为热能,积累在核幔边界,使地壳和地幔自转变快,地核自转变慢.核幔边界积累的热能周期性使外核热膨胀,为热幔柱和火山活动提供了能源和动力,火山活动高峰对应地球自转加快是证据.计算模型表明,地球自转速度变化的规律和历史记录证明重力分异和圈层差异旋转是地壳运动的主要动力,受地球自转速度变化的约束,地球体积不会有较大的胀缩,国内外测量结果证实了这一结论.     

地球内核快速旋转的发现及其动力学意义

地球内核快速自转的发现,证实了地球圈层差异旋转理论,其动力学意义在于：（１）旋转系统有不同于非旋转系统的物质运动方式和能量转换方式;（２）圈层有序差异旋转与无序差异放置的交替是地磁反向的原因。     

基于圈层异旋假说的地球暨地磁成因之探讨

地球最终由旋臂式漩涡状云团分层(体)逐步吸聚而成,先后形成各圈层及其过渡层。过渡层富含流体,起着"气垫层"作用,使得不同圈层(体)之间具有差异自转的趋势和可能。地核处于及其特殊的高温高压状态,其表面相对带电,在差异自转作用下形成运流电流,使核外产生地磁场。本研究基于毕奥—萨伐尔定律,建立了地磁场数学模型,系统阐释了地磁场的形成机理。地壳造陆-造山、剥蚀-夷平作用与地磁场阶段性长期变化密切相关。     

地幔对流的实验研究:非立柱状幔柱和地幔涡旋

地幔对流的物理模拟实验结果表明 ,在地幔介质和温度非均匀分布的复杂条件下 ,热卷流 (地幔柱 )往往由立柱状转变为非立柱状 (含斜柱状、涡旋状等 )。在忽略科里奥利力的情况下 ,板块的下插和滞积下沉、岩石圈根的存在以及地幔介质粘度的非均匀分布等都可能构成不同形状的障碍 -导流体 ,导致地幔的涡旋运动。软流圈中的水平涡旋环带属于对数螺线型 ,环带旋转半径及线速度逐渐减小 ,最终在旋转中心处下沉 ,而旋转角速度大致保持恒定     

板块差异漂移机制分析及其动力学模型

应用质点动力学原理,推导地出地幔流体在径向运移中受地球自旋惯性场作用而西移的速率及位移公式。根据地球自旋惯性系统特点设计地幔流体的２维实验模型,推导赤道面附近地幔流体的运动公式,并推广到３维。最后得出地壳块体被动西漂、地幔软流体环流及地球各层圈差速旋转等结论。     

地幔动力学研究进展--地幔对流

分类而且系统地回顾了地幔对流研究的进展情况.发现虽然静态地幔对流模型(没有考虑地球自转或差异旋转效应)在拟合某些地表观测如重力异常、大地水准面异常以及地下应力场时取得了较满意的结果,但是却对于某些全球尺度的地质特征如0°、180°半球的非对称性显得难以适应,因此建议性地提出了今后地幔对流的可能发展方向.     

内核地球的自转运动和地球固定参考系的研究

本文研究了内核地球模型下的地球表面的旋转运动和地球形变场的复数矢量球函数表示,以及外壳固定参考架、地球参考系的理论定义和它们之间等价性的理论证明.同时给出了液体外核（FOC）、固体内核（SIC）和整体地球的转动惯量张量和角动量的具体表达式.在考虑到引潮力位对地球形变场的影响下,研究了地幔相对角动量的具体表述.本文的工作是对前人有关理论的扩展和改进,对进一步研究内核地球自转的动力学理论是非常重要的.     

A Monte Carlo study of rainfall forecasting with a stochastic model

A procedure for short-term rainfall forecasting in real-time is developed and a study of the role of sampling on forecast ability is conducted. Ground level rainfall fields are forecasted using a stochastic space-time rainfall model in state-space form. Updating of the rainfall field in real-time is accomplished using a distributed parameter Kalman filter to optimally combine measurement information and forecast model estimates. The influence of sampling density on forecast accuracy is evaluated using a series of a simulated rainfall events generated with the same stochastic rainfall model. Sampling was conducted at five different network spatial densities. The results quantify the influence of sampling network density on real-time rainfall field forecasting. Statistical analyses of the rainfall field residuals illustrate improvement in one hour lead time forecasts at higher measurement densities.     

Information for authors

正SCIENCE CHINA Earth Sciences,an academic journal cosponsored by the Chinese Academy of Sciences and the National Natural Science Foundation of China,and published by Science China Press and Springer,is committed to publishing high-quality,original results in both basic and applied research.     

INTERNATIONAL RESEARCH AND TRAINING CENTER ON EROSION AND SEDIMENTATION(IRTCES)

正Director:Shangfu Kuang,China Vice-directors:Chunhong Hu,China Duihu Ning,China Guangquan Liu,China The International Research and Training Center on Erosion and Sedimentation(IRTCES)was jointly set up by the Government of China and UNESCO on July 21,1984.It aims at the promotion of international exchange of knowledge and cooperation in the studies of erosion and     

Calendar of events

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Dynamic process-response model of river channel development

Feedback mechanisms, which operate upstream through drawdown and backwater effects and downstream through sediment discharge are responsible for channel evolution. By combining these mechanisms with channel processes it euables a dynamic process-response model to be developed to simulate the initial evolution of straight gravel-bed channels. When erosion commences on a land surface, sediment entrained in the headwater reach by hydraulic action is selectively transported, deposited and reworked. This produces a damped oscillation between degradation and aggradation as the channel and valley respond to spatial and temporal variations in sediment calibre and hydraulic conditions. The initial cut and fill phases are responsible for valley incision and floodplain development while secondary and subsequent activity can produce river terraces. Eventually sediment entrainment in the headwaters declines as slopes are reduced. Subsequent channel evolution is relatively insignificant because it is dependent on local weathering activity producing material that can be transported on declining slopes. Therefore landforms produced during the initial phase of development, when local weathering was non-limiting, dominate the landscape.