地球不仅会旋转还会振动和摇摆:幅度比你想象的还要厉害

据国外媒体报道,我们脚下的地球似乎坚不可摧,并且大部分时间都一成不变。但这仅仅是由于我们的感知能力有限产生的幻觉而已。地球每过23小时56分钟零4秒便会以地轴为中心自转一圈。它还会围绕太阳进行公转。与此同时,太阳系也在围绕银河系中心旋转。而银河系呢?它也在围绕宇宙中一片名叫“巨引源”(Great Attractor)的区域旋转,转速快得令人头晕目眩。

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地球晃动和摇摆的幅度比你想象的还要厉害。

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气候变化会改变地球的质量分布。

就算抛开这些不谈,地球本身也极不稳定。在我们脚下,大块大块的岩石相互挤压、推搡,构成峡谷和山脉;或是被“五马分尸”,形成河流和海洋。地表无时无刻不在变化和颤动。

大部分情况下,我们无需为此担心。但随着我们对这些现象的理解愈发深入,我们也对地球内部的运作方式有了更好的了解。对于宇宙飞船的追踪和着陆而言,这些信息也有很高的利用价值。本文列举了7条使地球不停摇摆的原因。

压力

地球仪是一个完美的球体,因此可以沿固定的轴心平稳地旋转。但地球并不是球形,质量分配也不均匀,所以旋转时容易晃动,地轴、南极和北极也会随之不停移动。此外,由于地球的旋转轴与质量分布的中轴线并不在一条线上,地球在旋转时会不停地抖动。牛顿早就预言过这一现象的存在。而更精确地说,地球还包含几种不同的振动模式。

其中影响最大的是“钱德勒摆动”(Chandler Wobble),最初由美国天文学家赛斯·钱德勒(Seth Chandler)于1891年发现。在它的作用下,地球两极的位移幅度约为9米,每14个月左右构成一个完整的循环。

20世纪,科学家为该现象提出了五花八门的解释,包括大陆储水量的变化、大气压的变化、地震、以及地核与地幔交界处发生的种种反应等。

NASA喷气推进实验室的地球物理学家理查德·格罗斯(Richard Gross)于2000年解开了这一谜团。从1985年到1995年,他利用最新的气象与海洋模型对钱德勒摆动进行了监测。格罗斯的计算结果显示,钱德勒摆动的三分之二是由海床压力的变化引发的,剩下的三分之一则与大气压变化有关。“这两点原因的相对重要性会随着时间的推移不断改变,”格罗斯指出,“但现在大多数人都相信,这一现象是由大气压与海底压强的变化共同引起的。”

季节是地球摆动的第二大影响因素,因为它们会引发降雨量、降雪量和湿度的变化。

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季节也会对地球的摇摆造成影响。

自1899年以来,科学家一直在用恒星的相对位置判断南极和北极的准确地点,上世纪70年代之后,卫星也成为了一种判断工具。但即使去除了钱德勒摆动和季节的影响,相对地壳而言,地球自转轴的南北两极依然会不停摆动。

在今年四月发表的一项研究中,NASA喷气推进实验室的苏伦德拉·阿迪卡里(Surendra Adhikari)和埃里克·艾文斯(Erik Ivins)发现了导致地球摆动的两点关键原因。

2000年之前,地球的旋转轴是偏向加拿大一边的,且每年都会位移几英寸。但在此之后,自转轴开始逐渐回移,并渐渐偏向了另一边的不列颠群岛。一些科学家认为,这可能是由于格陵兰岛与南极冰盖的快速消融导致的。

阿迪卡里和艾文斯对这一观点展开了研究。他们将南北极的GPS位置数据与负责检测地球质量变化的GRACE卫星传回的数据进行了对比,结果发现,格陵兰岛和南极洲的冰盖消融只能解释这一现象的三分之二。他们认为,其余部分是因为大陆的储水量减少,在亚欧大陆尤其如此。

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里海的水量已经大大减少。

这一地区的地下蓄水层正在枯竭,并饱受干旱困扰。但研究人员一开始认为,这些水量太少,不足以造成这么大的影响。不过,他们后来又把该地区的位置纳入了考虑范围。“根据旋转物体的基本物理法则,两极对纬度45度附近地区的变化非常敏感。”阿迪卡里指出。而这正是欧亚大陆损失了大量水源的地方。该研究还发现,大陆的储水量或许还能解释地球旋转中的另一种摆动模式。

地球旋转轴每隔6年至14年便会变化一次,总体向东或向西偏移0.5至1.5米。整个20世纪,研究人员一直为此困惑不已。而阿迪卡里和艾文斯发现,在2002年至2015年间,每逢欧亚大陆遭遇干旱的年份,地轴便会向东倾斜;而当该地区较为湿润时,地轴便会朝西倾斜。“我们发现两者刚好对得上号。”阿迪卡里说道,“这是我们首次发现,全球的干湿水平变化与地轴的偏移方向之间存在一对一的匹配关系。”

人为因素

虽然水和冰层的移动是由自然因素和人为因素共同导致的,但其它影响地球摆动的因素则完全是人类自己所为。

在2009年的一项研究中,同样就职于喷气推进实验室的菲利克斯·兰德尔(Felix Landerer)通过计算发现,如果2000年至2100年间的二氧化碳含量增长一倍,海洋就会迅速升温和膨胀,导致在下个世纪里,北极每年会朝阿拉斯加和夏威夷的方向移动1.5厘米。

2007年,兰德尔还通过模型估算了海洋升温对海底压强和洋流的影响。他发现,这些变化会导致地球质量向高海拔地区转移,还会使每一天的时间缩短0.1毫秒,也就是一万分之一秒。

地震

不仅大量的水和冰在移动时会对地球的旋转造成影响,岩石如果体积够大的话,也会产生同样的效果。当某一地质板块突然与其它板块剐蹭时,就会发生地震。从理论上来说,这会使地球的旋转发生一定的改变。

格罗斯研究了2010年发生在智利海边的8.8级大地震。他通过计算得出,地质板块的移动使地球的质量分布轴线偏移了约8厘米。

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2010年的智利地震影响深远。

不过,这仅仅是以模型为基础进行的估算。在此之后,格罗斯和其他研究人员一直在跟踪每次地震后的GPS卫星数据,试图观察地球的旋转是否真正发生了偏移。他们目前尚未取得成功,因为很难完全去除其它影响地球旋转的因素。“我们的模型并不完美,有其它因素掩盖了小规模地震造成的影响。”格罗斯说道。

当地质板块与其它板块剐蹭时,地球质量分布的变化也会影响每一天的长短。这有点类似滑冰运动员旋转时的情形:如果想加速旋转,运动员可以将手臂收回,让自身质量更加贴近身体;而如果想减慢速度,则可以反其道而行之。格罗斯的计算结果显示,2011年发生在日本的9.1级地震使每一天的时间缩短了1.8微秒。

风暴

地震发生时会产生地震波,在地球内部传播能量。地震波分为两种。“P波”会在传播时拉伸和挤压周边的物质,振动方向与波的传播方向相同。稍慢一些的“S波”则会使岩石来回摇摆,振动方向与波的传播方向成直角。

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最剧烈的一种风暴被称作“天气炸弹”。

剧烈的风暴也会产生类似于地震的微弱地震波,被称作微震波(microseisms)。一直到前不久,科学家才刚刚弄清了微震波中S波的来源。

在今年八月发表的一项研究中,东京大学的Kiwamu Nishida和东北大学的Ryota Takagi报告称,他们利用日本南部的202台探测器对P波和S波展开了追踪。结果发现,这些地震波源自一次剧烈的北大西洋风暴。在这种名叫“天气炸弹”(weather bomb)的风暴中,风暴中心的大气压会异常地迅速降低。通过这种方式追踪微震波,有助于研究人员更好地了解地球的内部构造。

月球

不仅仅是地球上的现象会对自身造成影响。近期研究显示,大规模地震在满月和新月前后发生的可能性更高。这是因为太阳、月球和地球构成了三点一线,导致地球受到的引力增强。

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月球的引力会对地震产生影响吗?

在今年九月发表的一项研究中,东京大学的Satoshi Ide和同事分析了过去20年间、每一起大型地震发生前两周的潮汐应力。8.2级以上的严重地震总共12次,其中有9次都发生在新月或满月前后。但规模较小的地震则没有体现出这一规律。

Ide总结称,这一时期地球受到的引力增强,地质板块受到的力也随之加强。这一变化本身微不足道,但如果这些板块本就受到了巨大的压力,额外一点力就足以造成大规模的岩层破裂。虽然这一说法看似说得通,但许多科学家仍持怀疑态度,因为Ide仅仅分析了12次地震而已。

太阳

还有一种更具争议的理论认为,来自太阳内部的振动也能解释地球上的许多振动现象。当气体在太阳内部运动时,会产生两种不同的波。由压力产生的波名叫p-模式波,由引力产生的波则叫做g-模式波。

p-模式波需要几分钟便能完成一个振动周期,而g-模式波则要花费数十分钟、甚至数小时。上述时长便是这两种波的周期。

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太阳内部处于不断的振荡之中。

1995年,由加拿大皇后大学的戴维·汤姆森(David Thomson)带领的研究团队分析了1992年至1994年间太阳风的表现规律。他们发现,太阳风出现波动的周期与p-模式波和g-模式波相同,说明太阳的振动会通过某种方式影响太阳风。2007年,汤姆森又发表报告称,海底电缆的电压波动、地球上的地震波、甚至手机掉线的频率,都符合这两种太阳波的规律。

然而,其他科学家认为汤姆森的理论依据并不牢固。计算机模拟显示,这两种太阳振动波、尤其是g-模式波,在传播到太阳表面时,已经变得极其微弱,无法对太阳风造成影响。就算能造成影响,在向地球传播的漫漫长路中,这些规律也会被行星之间的各种作用力破坏掉。

“他在不同时期内识别出的频率一直在变化,而若真为g-模式波,这一频率应该相对稳定才对。”加州Predictive Science公司的彼得·莱利(Pete Riley)指出。早在1996年,他就在一项研究中质疑了汤姆森的最初研究结果。“我们采用同样的方法分析了戴维·汤姆森使用的数据,但并未找到任何p-模式波或g-模式波影响了地球振动的证据。”显然,汤姆森的理论也许并不成立。但还有许多原因能够为地球的振动和摇晃提供解释。

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