是什么導(dǎo)致了地球內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)？專家指出，在外部力矩作用下，地球內(nèi)核會(huì)相對(duì)于地幔轉(zhuǎn)動(dòng)，使得內(nèi)核自轉(zhuǎn)與地球的自轉(zhuǎn)速率不一樣。這個(gè)外力可能來(lái)自地球磁場(chǎng)與內(nèi)核的耦合及地幔與內(nèi)核的重力耦合。

　　近日，美國(guó)南加州大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)重新分析了1969年和1971年2次地下核試驗(yàn)后近6年的地震波數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)地球內(nèi)核自轉(zhuǎn)速率在1969—1971年比地球整體慢了0.1度，而在1971—1974年又比地球快了0.29度。這標(biāo)志著科學(xué)家首次通過(guò)地震學(xué)觀測(cè)，驗(yàn)證了地球內(nèi)核6年周期往復(fù)振蕩的理論。

　　為何地球內(nèi)核與地球的旋轉(zhuǎn)速度會(huì)不一致？宇宙中其他天體也存在這種現(xiàn)象嗎？科學(xué)家又是如何“透視”天體內(nèi)部情況的？

　　地球內(nèi)核被稱為“星球內(nèi)的星球”

　　很多人認(rèn)為，地球應(yīng)是一個(gè)整體，內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)速度和方向應(yīng)該和地球保持一致?？墒鞘聦?shí)卻非如此?！暗厍驈恼Q生伊始發(fā)生了多種動(dòng)力學(xué)過(guò)程，如星子匯集聚合、沉積分異、巖漿海和地殼冷卻等，這使得地球整體由外向內(nèi)出現(xiàn)了地殼、地幔、液體外核、固體內(nèi)核等類似洋蔥或煮熟雞蛋那樣的分層結(jié)構(gòu)?！敝袊?guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員平勁松表示。

　　地球物理學(xué)家、北京大學(xué)講席教授宋曉東對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者表示，地球作為一個(gè)天體，是整體自轉(zhuǎn)的；但是根據(jù)以往的觀測(cè)，地球內(nèi)核自轉(zhuǎn)與地球自轉(zhuǎn)在速率上稍微有點(diǎn)差別，這就是內(nèi)核的“差速旋轉(zhuǎn)”。因此，地球內(nèi)核也被稱為“星球內(nèi)的星球”。最新數(shù)據(jù)顯示，地球與地球內(nèi)核的轉(zhuǎn)動(dòng)速率每年相差大約0.1度，不過(guò)這個(gè)速率很可能隨時(shí)間而變化。

　　是什么導(dǎo)致了地球內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)？宋曉東指出，在外部力矩作用下，地球內(nèi)核會(huì)相對(duì)于地幔轉(zhuǎn)動(dòng)，使得內(nèi)核自轉(zhuǎn)與地球的自轉(zhuǎn)速率不一樣。這個(gè)外力可能來(lái)自地球磁場(chǎng)與內(nèi)核的耦合及地幔與內(nèi)核的重力耦合。理論上，內(nèi)核自轉(zhuǎn)既可以比地球自轉(zhuǎn)快，也可能稍慢。

　　記者了解到，目前地核研究的主流理論模型認(rèn)為，地球內(nèi)核的轉(zhuǎn)速是恒定的，地球自轉(zhuǎn)存在一個(gè)約6年（5.9年）的周期震蕩。在解釋6年周期震蕩機(jī)理方面，科學(xué)家給出了包括地球內(nèi)部地磁異常、核幔耦合振蕩、地球內(nèi)核震蕩等多種推測(cè)。

　　不過(guò)，在本世紀(jì)初，平勁松所在的研究地球自轉(zhuǎn)固體潮汐的團(tuán)隊(duì)使用長(zhǎng)期固體潮汐監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了11.5—12年的地球內(nèi)核振蕩周期，這個(gè)周期與木星的軌道周期一致?！暗厍蜃赞D(zhuǎn)5.9年的周期變化，正是木星公轉(zhuǎn)周期的一半?！逼絼潘烧J(rèn)為，正是木星協(xié)同太陽(yáng)合相作用在地球殼、幔上力矩大小的周期變化，引起了地球內(nèi)核自轉(zhuǎn)速率的變化。

　　“地球內(nèi)核的自轉(zhuǎn)速度或許會(huì)稍快于地幔，但是速率會(huì)一直保持恒定。而地殼和地幔的自轉(zhuǎn)因受到內(nèi)部和外部的力矩、荷載等因素影響，轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)時(shí)快時(shí)慢或相對(duì)方向變化的現(xiàn)象?！逼絼潘烧f(shuō)，多重因素作用下，導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)變化不可簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)。

　　平勁松指出，除了地球之外，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與地球類似的伴星如月球，以及金星、火星和氣體行星的衛(wèi)星、矮行星等，其自轉(zhuǎn)也會(huì)發(fā)生時(shí)快時(shí)慢或方向變化的現(xiàn)象。

　　其中，人類已利用地月激光測(cè)距技術(shù)對(duì)月球自轉(zhuǎn)周期的變化持續(xù)觀測(cè)了約50年；近幾年，火星的自轉(zhuǎn)變化也被“洞察”號(hào)上的星地微波鏈路所證實(shí)。

　　法國(guó)圖盧茲天體物理和行星研究所博士后李剛補(bǔ)充道，恒星內(nèi)部圈層間也存在自轉(zhuǎn)速度的差別，被稱作“較差自轉(zhuǎn)”。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，小到白矮星、中子星等，大到星團(tuán)和星系都存在較差自轉(zhuǎn)。以太陽(yáng)為例，在深度為0.7個(gè)太陽(yáng)半徑處，有一個(gè)厚度為0.04個(gè)太陽(yáng)半徑、被稱作“差旋層”的區(qū)域，以這里為界線，太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)情況發(fā)生了急劇變化：在差旋層以里，太陽(yáng)的較差自轉(zhuǎn)不是很明顯；而在差旋層以外，太陽(yáng)在不同深度和不同緯度都呈現(xiàn)出非常明顯的較差自轉(zhuǎn)。

　　天體“氣質(zhì)”與其內(nèi)核密切相關(guān)

　　所有行星內(nèi)核都存在差速旋轉(zhuǎn)機(jī)制嗎？平勁松介紹，行星的內(nèi)核主要有3種類型，分別為固體核、液體核以及液體外核與固體內(nèi)核的組合體。地球的內(nèi)核歸屬于第三類，既包括一個(gè)巨大的液體外核，又含有一個(gè)富含鐵鎳的固體內(nèi)核。

　　固體核與液體核的行星“氣質(zhì)”各不相同。平勁松指出，固體核的行星，其核心的轉(zhuǎn)動(dòng)與行星整體保持同步。而液體外核，液體或半液體核幔邊界的行星，其固體內(nèi)核或固體核的轉(zhuǎn)動(dòng)可以與幔不同步。

　　一個(gè)擁有液體內(nèi)核的行星，極大可能是處于行星形成的早期階段，其自身的轉(zhuǎn)動(dòng)有點(diǎn)像一個(gè)旋轉(zhuǎn)著的生雞蛋，轉(zhuǎn)速較快且方向和轉(zhuǎn)速都不穩(wěn)定；隨著能量耗散衰減、分層固化，自轉(zhuǎn)速度逐步減慢和穩(wěn)定。

　　那么，恒星的內(nèi)核又是什么樣子的？李剛表示，恒星通常有一個(gè)正在核反應(yīng)燃燒的內(nèi)核。不過(guò)，不同年齡的恒星內(nèi)核差別也很大。他舉例道，太陽(yáng)這類正值壯年的恒星，有著燃燒氫元素的內(nèi)核；而年老的恒星，有的內(nèi)核可能已停止燃燒，但存在一層圍繞內(nèi)核燃燒的包層；有的可能內(nèi)核被再次點(diǎn)燃，繼續(xù)燃燒氦元素或者更重的元素；還有的可能最終走向死亡，只留下一個(gè)燃燒殆盡、慢慢冷卻的內(nèi)核。

　　“恒星內(nèi)核的性質(zhì)直接決定了恒星的外貌。”李剛解釋說(shuō)，相比于太陽(yáng)，年老的恒星大多溫度低但明亮；而已經(jīng)死亡的恒星，如白矮星和中子星則顯得暗淡但溫度高。

　　借助震動(dòng)波透視天體內(nèi)核

　　科學(xué)家是如何透過(guò)天體表面，探測(cè)天體內(nèi)核旋轉(zhuǎn)方向的？

　　宋曉東告訴記者，一直以來(lái)，科學(xué)家通過(guò)地震波來(lái)探測(cè)地球內(nèi)核的多種物理特性。他解釋道，地球發(fā)生地震之后會(huì)產(chǎn)生地震波，地震波會(huì)向地球深部傳播，研究地震波的傳播速度等性質(zhì)，可以了解地球深部的結(jié)構(gòu)分層及運(yùn)動(dòng)狀況。

　　宋曉東及其團(tuán)隊(duì)于1996年首次觀測(cè)到了地震波通過(guò)地球內(nèi)核時(shí)的時(shí)間和速度產(chǎn)生了變化，從而推測(cè)出地球內(nèi)核是相對(duì)于地幔發(fā)生旋轉(zhuǎn)的。不過(guò)，地球內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)速率目前仍有不確定性，因?yàn)樾D(zhuǎn)速率本身也很可能在變化。

　　平勁松指出，利用地震波探測(cè)天體內(nèi)部的方法十分普遍，19世紀(jì)科學(xué)家就用它對(duì)地球分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探測(cè)；20世紀(jì)70年代美國(guó)月球探測(cè)任務(wù)用地震波探測(cè)月球的內(nèi)部分層構(gòu)造；近年來(lái)，歐洲火星探測(cè)任務(wù)將其用于探測(cè)火星的內(nèi)部構(gòu)造。

　　對(duì)于恒星，天文學(xué)家更難以直接觀測(cè)到恒星內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，于是他們借助“星震學(xué)”來(lái)探測(cè)恒星內(nèi)部。

　　李剛表示，星震學(xué)與地震學(xué)很類似，都是通過(guò)研究天體內(nèi)部的震動(dòng)波來(lái)推斷天體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有點(diǎn)像日常生活中我們通過(guò)“拍西瓜”來(lái)判斷瓜熟不熟。但是星震與地震的不同之處在于，星震是持續(xù)不斷的震動(dòng)，而地震只是偶然發(fā)生。恒星的震動(dòng)波會(huì)局部壓縮氣體，從而造成恒星溫度和亮度的變化?；谶@一特性，天文學(xué)家通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)恒星亮度的變化來(lái)觀測(cè)恒星的震動(dòng)，并測(cè)量震動(dòng)的頻率。

　　恒星震動(dòng)的頻率會(huì)因其內(nèi)部不同物理過(guò)程的擾動(dòng)而有所變化。“打個(gè)比方說(shuō)，熟西瓜和生西瓜用手拍一拍，聽(tīng)到的聲音也不相同?！崩顒傉f(shuō)，天文學(xué)家通過(guò)高精度的頻率測(cè)量和細(xì)致的物理模型推演，來(lái)計(jì)算恒星內(nèi)部旋轉(zhuǎn)速率、元素分布等不同物理特性。

　　比如對(duì)恒星年老后形成的紅巨星，天文學(xué)家通過(guò)分析一些紅巨星的震動(dòng)信號(hào)發(fā)現(xiàn)，紅巨星有著非常強(qiáng)烈的較差自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，其內(nèi)核自轉(zhuǎn)速率一般比表面快數(shù)十倍。 （唐芳）