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自然谜踪:震颤地球

古人认为地球是个平面,麦哲伦环球航行推翻了这一点,随后科学家指出地球是会转的——地球每23小时56分4秒绕着它的轴心转一圈,同时也绕着太阳在自己的轨道上转动。然而地球非常需要存在感,除了自转和飞奔以外,地壳之下无数巨石无休无止地相互摩擦,每一块都不停地移动、伸展、晃动,制造了峡谷、山脉、江河、大海,并继续不断震颤摇摆。

摆在桌子上的地球仪是一个理想的球体,所以它能绕着自己固定的轴心顺畅地旋转。但地球并不是一个如地球仪般完美的球体。地球围绕地轴旋转,其理论倾斜角度为23.5˚,但由于地球内部质量分布不均匀,因此地轴的倾斜角度也不会永远固定不变,而是随着质量分布的变化而变化。这导致了地球自转所绕的轴心和南北极也总是摇摆不定。

当然,除了一定级别的地震以外,大部分时间我们不用担心天塌地陷,但是我们对地球的舞蹈知道得越多,就越能了解地球内部的运行机制,越能便捷地进行追踪、定位,降落宇宙飞船,以及预测地震海啸。

来吧!让我们看看以下7项能让地球震动的事。

钱德勒震颤(重要).jpg

钱德勒震颤


关于地球震颤,学术界最有影响力的当属“钱德勒震颤”。美国天文学家塞斯·卡洛·钱德勒在1891年发现地球两极每14个月会移动9米左右,科学家将这种现象称之为“钱德勒震颤”。对此你可以这样想象:一支巨大的圆珠笔刺穿地心,从南极点插入地球,再由北极点出来,而在北极正上方的一个空间站上有一张纸,圆珠笔可以在上面画线,一天之后圆珠笔将画出一个圆圈轨迹而非一个点,这说明地球在自转时自转轴并非固定指着一个方向。而每经过14个月,这支笔会画出一条螺旋线。

20世纪的科学家们认为钱德勒震颤是由一系列原因引起的,比如:大陆水系储存量的变化、大气压力变化、地震、以及地心和地幔间的交互运动。然而对于其产生的确切原因,科学家们还不能完全确定。

美国地球物理学家查德·格罗斯在2000年时解决了这个难题。格罗斯就职于美国国家航空与航天局的喷气推进实验所。他做了一个实验,从1985年起,将新型气候和洋流模型用于观测钱德勒颤动,到1995年结束。他计算得出:2/3的震颤都是由海底压力波动引起的,而只有1/3是由大气压力变化引起的。

冰的融化(比较美也相关).jpg

气候因素和水的作用


对地球震颤影响第二大的就是气候因素。这是因为季节变化会引起地理区位上雨、雪、湿度的不同。不要小看了水和冰的作用,大量水和冰的移动就和地球内部的巨型石块移动一样会影响地球的旋转。例如,受北美、欧洲和亚洲的大量冰原影响,地球北极点以每年大约10厘米的速度沿着西经79度方向向南移动。

在2016年4月发表的一份研究中,格罗斯的两位同事将极点位置的GPS测量值与来自GRACE(GRACE是一项使用卫星来测量地球周围质量变化的研究)的数据进行比较,发现:近期北极点转移的主要原因是格陵兰和南极冰盖的融化,次要原因是欧亚大陆失水。

说是次要,但欧亚大陆失水量实际占了水量变化的三分之一。海区域持续受到含水层枯竭和干旱的影响,失去了大量的水。然而最初涉及的水量似乎太小,没有引起人们的重视。后来格罗斯和他的同事发现极点的运动对于纬度大约±45度的地方的水量变化非常敏感,而这正是欧亚大陆失去水的地方。

另外他们还发现,在2002年和2015年之间,欧亚大陆的干旱年份里地球旋转轴向东波动,而潮湿的年份向西运动。


人造曲折


虽然水和冰的这些运动是由自然过程和人类行为的结合引起的,但影响地球晃动的其他变化是我们人类自己造成的,称为人造曲折。

2016年,格罗斯的同事研究发现,气候变化对地轴倾斜角度的影响远比过去认为的要严重。冰川融化后的大量淡水注入海洋会造成地球倾斜。据他估计,目前格陵兰冰层融化会导致地轴以每年2.6厘米的速度倾移,并且这个速度在未来还会加快。

早在2007年的一项研究中,他们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。发现这种变化会将质量转移到更高纬度,这将使每天缩短0.1毫秒(1 / 10,000秒)以上。到了2009年,他们又有新的发现——这种变化也会造成地球倾斜。

根据联合国政府间气候变化专门委员会所做的预测,2000年至2100年的100年间,地球大气中二氧化碳会增加一倍。那么,根据这个预测,地球会产生什么样的变化呢?对此他们进行了模拟研究。结果发现,随着海水变暖,海洋会不断扩张,越来越多的海水将被推到海洋大陆架浅区。在下世纪,将使地轴北极点每年向阿拉斯加和夏威夷方向移动1.5厘米。

科学家指出,虽然这种影响还相对较小,地球极点还不会因此而疯狂地渐行渐远,但这种变化还是确定无疑的,在研究地轴偏移时必须加以考虑。而跟踪地球两极的运动有助于在未来几十年监测海平面的总体上升水平。


2010年智利地震


北京时间2010年2月27日14:34(当地时间2月27日凌晨3点34分),智利发生里氏8.3级特大地震(美国地质勘探局将地震定为8.5级,后调整至8.8),震中位于智利首都圣地亚哥西南339千米,震源位于地下55千米。

格罗斯研究了这次地震。在尚未发表的研究中,他计算出板块的运动使地球的平衡轴偏移了约8厘米。然而,这只是一个基于模型的估计。目前为止,这个结论未必很准确,因为这项研究的假设删除了所有影响地球旋转的其他棘手因素。格罗斯和其他人在此之后尝试观察地球旋转方式的实际变化,通过跟踪GPS卫星数据中的地震来继续研究。

当构造板块互相碰撞时会影响一天的长度。这有点像一个冰上舞者的定点旋转:她可以通过收拢她的手臂加速,从而将她的质量更集中于她的躯干,或相反通过伸出手臂来减速。例如,格罗斯计算,2011年日本发生的9.1级地震将日长缩短了1.8微秒(1微秒等于一百万分之一秒)。


“天气炸弹”


地震发生时产生的地震波会通过地球内部传递能量,而激烈的暴风可以起到与地震同样的效果。因为科学家在追踪海上波浪的起源时发现,海上的波浪起源于一场剧烈的北大西洋风暴,因此这种暴风称为“天气炸弹”。

“天气炸弹”指的是一种小型且发展迅速的温带暴风,这种暴风会产生极难探测到的地震波。

据目前的研究,2014年格陵兰岛和冰岛之间出现过天气炸弹,产生了一个压力脉冲,传播到海床并转变为微地震波——一种由自然现象造成的地球深层震荡——在地表和地球内部泛起了涟漪。

微地震波可以作为表面波(质点振动所引起的波动传播只在固体介质表面进行)或体波(由震源振动直接产生在地球内部传播的地震波)被检测到。尽管表面波过了海岸之后一般无法再检测到,但体波会穿过地球内部,可以被陆基地震观测站检测到,因此成为解析地球结构的理想工具。

四川省地震局、川滇国家地震监测预报实验场四川分中心的李大虎博士说,当波动以大圆弧路径席卷地球并返回到地表后,地质学家们可以检测并测量到它们。波动在传播过程中,遇到重要的地球化学或物理结构分界面的时候,例如在地核和地幔之间的边界(核幔边界),它们会发生反射、折射,甚至停止传播,这就意味着研究震后波的传播有助于阐明地球的内部结构。

通过“气象炸弹”风暴激发产生的微波记录,可以构建高分辨率的地球内部结构图像,还可以精确地计算出上下地幔之间边界层的深度,重新梳理有关我们地球的结构信息,并可能影响到我们对于地幔对流和构造板块运动的理解。虽然“气象炸弹”类型的强烈风暴不像地震那样常见,但可能发生在海洋中几乎任何地方,这就意味着它们可为地球内部结构成像提供补充震源信息,并对地球的震颤产生影响。


月亮引起的潮汐


地球上的潮汐,是由太阳和月亮的“重力拔河”引起的,这对地质断层施加了额外的压力。研究人员发现全球范围内,潮汐力增强期间,大地震发生的概率也提升了。

在2016年9月发表的一项研究中,东京大学的研究人员分析了过去20年大地震前两周的潮汐压力。他们调查了日本、美国加利福尼亚和全球三个独立的地震记录,发现发生在智利和日本东北的大地震,其发生时间都接近最大潮汐力,或者说是在新月和满月期间,月亮和地球排成一线时,月球对地球的影响可能最大。

研究人员还发现,在最大的12次地震中,9次发生在接近满月或新月,而对于较小的地震没有发现这种关系。

理想的结论是,在这些时候施加的额外的重力可以增加作用在构造板上的力,如果板块处于应力状态,额外的力可能足以将小岩石破坏转变为更大的破裂断裂。

虽然这可能是巧合,对此许多科学家都持怀疑态度,因为这次的研究只考虑了12次地震。


太阳潮


更有趣的是,源自太阳深处的振动可以帮助解释地球上的许多震动现象。冬至和夏至的黄赤交角达到最大值23.5度。在冬至,太阳潮的高潮点在南回归线白天达到最大值,夜间变为最小值,太阳潮的高潮点在北回归线白天达到最小值,夜间变为最大值,形成半日为周期的最大潮汐的南北摆动。在夏至正好相反。如果此时月亮的白赤交角也达到最大值28.6度,且与太阳、地球近似成一线,就会形成最强的潮汐南北摆动。这是强震易发生在冬至和夏至附近的原因。

如2004年12月26日月亮赤纬角为27.9度,为日月大潮,为印尼地震海啸提供了较强的潮汐条件。

一些科学家以较为肯定的表态称,太阳活动产生的射电辐射流等因素可诱发地球内部的能量变化,可能引起局部的微震,当地球内部能量和其他条件都具备时,就会引发大地震。而且高能粒子流、太阳风以及宇宙射线都会直接或间接诱导地球磁场的变化,激发某些地层活动的机制。

虽然现在有关地球震颤的原因还没有精确的结果,但科学家们研究地球震颤的脚步不会停止,正如同地球永不停歇的舞步。


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