是什麽(me) 導致了地球內(nei) 核的差速旋轉？專(zhuan) 家指出，在外部力矩作用下，地球內(nei) 核會(hui) 相對於(yu) 地幔轉動，使得內(nei) 核自轉與(yu) 地球的自轉速率不一樣。這個(ge) 外力可能來自地球磁場與(yu) 內(nei) 核的耦合及地幔與(yu) 內(nei) 核的重力耦合。

　　近日，美國南加州大學的研究團隊重新分析了1969年和1971年2次地下核試驗後近6年的地震波數據，發現地球內(nei) 核自轉速率在1969—1971年比地球整體(ti) 慢了0.1度，而在1971—1974年又比地球快了0.29度。這標誌著科學家首次通過地震學觀測，驗證了地球內(nei) 核6年周期往複振蕩的理論。

　　為(wei) 何地球內(nei) 核與(yu) 地球的旋轉速度會(hui) 不一致？宇宙中其他天體(ti) 也存在這種現象嗎？科學家又是如何“透視”天體(ti) 內(nei) 部情況的？

　　地球內(nei) 核被稱為(wei) “星球內(nei) 的星球”

　　很多人認為(wei) ，地球應是一個(ge) 整體(ti) ，內(nei) 核的旋轉速度和方向應該和地球保持一致。可是事實卻非如此。“地球從(cong) 誕生伊始發生了多種動力學過程，如星子匯集聚合、沉積分異、岩漿海和地殼冷卻等，這使得地球整體(ti) 由外向內(nei) 出現了地殼、地幔、液體(ti) 外核、固體(ti) 內(nei) 核等類似洋蔥或煮熟雞蛋那樣的分層結構。”中國科學院國家天文台研究員平勁鬆表示。

　　地球物理學家、北京大學講席教授宋曉東(dong) 對科技日報記者表示，地球作為(wei) 一個(ge) 天體(ti) ，是整體(ti) 自轉的；但是根據以往的觀測，地球內(nei) 核自轉與(yu) 地球自轉在速率上稍微有點差別，這就是內(nei) 核的“差速旋轉”。因此，地球內(nei) 核也被稱為(wei) “星球內(nei) 的星球”。最新數據顯示，地球與(yu) 地球內(nei) 核的轉動速率每年相差大約0.1度，不過這個(ge) 速率很可能隨時間而變化。

　　是什麽(me) 導致了地球內(nei) 核的差速旋轉？宋曉東(dong) 指出，在外部力矩作用下，地球內(nei) 核會(hui) 相對於(yu) 地幔轉動，使得內(nei) 核自轉與(yu) 地球的自轉速率不一樣。這個(ge) 外力可能來自地球磁場與(yu) 內(nei) 核的耦合及地幔與(yu) 內(nei) 核的重力耦合。理論上，內(nei) 核自轉既可以比地球自轉快，也可能稍慢。

　　記者了解到，目前地核研究的主流理論模型認為(wei) ，地球內(nei) 核的轉速是恒定的，地球自轉存在一個(ge) 約6年（5.9年）的周期震蕩。在解釋6年周期震蕩機理方麵，科學家給出了包括地球內(nei) 部地磁異常、核幔耦合振蕩、地球內(nei) 核震蕩等多種推測。

　　不過，在本世紀初，平勁鬆所在的研究地球自轉固體(ti) 潮汐的團隊使用長期固體(ti) 潮汐監測數據發現了11.5—12年的地球內(nei) 核振蕩周期，這個(ge) 周期與(yu) 木星的軌道周期一致。“地球自轉5.9年的周期變化，正是木星公轉周期的一半。”平勁鬆認為(wei) ，正是木星協同太陽合相作用在地球殼、幔上力矩大小的周期變化，引起了地球內(nei) 核自轉速率的變化。

　　“地球內(nei) 核的自轉速度或許會(hui) 稍快於(yu) 地幔，但是速率會(hui) 一直保持恒定。而地殼和地幔的自轉因受到內(nei) 部和外部的力矩、荷載等因素影響，轉速會(hui) 出現時快時慢或相對方向變化的現象。”平勁鬆說，多重因素作用下，導致地球自轉變化不可簡單預測、預報。

　　平勁鬆指出，除了地球之外，內(nei) 部結構與(yu) 地球類似的伴星如月球，以及金星、火星和氣體(ti) 行星的衛星、矮行星等，其自轉也會(hui) 發生時快時慢或方向變化的現象。

　　其中，人類已利用地月激光測距技術對月球自轉周期的變化持續觀測了約50年；近幾年，火星的自轉變化也被“洞察”號上的星地微波鏈路所證實。

　　法國圖盧茲(zi) 天體(ti) 物理和行星研究所博士後李剛補充道，恒星內(nei) 部圈層間也存在自轉速度的差別，被稱作“較差自轉”。天文學家發現，小到白矮星、中子星等，大到星團和星係都存在較差自轉。以太陽為(wei) 例，在深度為(wei) 0.7個(ge) 太陽半徑處，有一個(ge) 厚度為(wei) 0.04個(ge) 太陽半徑、被稱作“差旋層”的區域，以這裏為(wei) 界線，太陽的自轉情況發生了急劇變化：在差旋層以裏，太陽的較差自轉不是很明顯；而在差旋層以外，太陽在不同深度和不同緯度都呈現出非常明顯的較差自轉。

　　天體(ti) “氣質”與(yu) 其內(nei) 核密切相關(guan)

　　所有行星內(nei) 核都存在差速旋轉機製嗎？平勁鬆介紹，行星的內(nei) 核主要有3種類型，分別為(wei) 固體(ti) 核、液體(ti) 核以及液體(ti) 外核與(yu) 固體(ti) 內(nei) 核的組合體(ti) 。地球的內(nei) 核歸屬於(yu) 第三類，既包括一個(ge) 巨大的液體(ti) 外核，又含有一個(ge) 富含鐵鎳的固體(ti) 內(nei) 核。

　　固體(ti) 核與(yu) 液體(ti) 核的行星“氣質”各不相同。平勁鬆指出，固體(ti) 核的行星，其核心的轉動與(yu) 行星整體(ti) 保持同步。而液體(ti) 外核，液體(ti) 或半液體(ti) 核幔邊界的行星，其固體(ti) 內(nei) 核或固體(ti) 核的轉動可以與(yu) 幔不同步。

　　一個(ge) 擁有液體(ti) 內(nei) 核的行星，極大可能是處於(yu) 行星形成的早期階段，其自身的轉動有點像一個(ge) 旋轉著的生雞蛋，轉速較快且方向和轉速都不穩定；隨著能量耗散衰減、分層固化，自轉速度逐步減慢和穩定。

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

　　“恒星內(nei) 核的性質直接決(jue) 定了恒星的外貌。”李剛解釋說，相比於(yu) 太陽，年老的恒星大多溫度低但明亮；而已經死亡的恒星，如白矮星和中子星則顯得暗淡但溫度高。

　　借助震動波透視天體(ti) 內(nei) 核

　　科學家是如何透過天體(ti) 表麵，探測天體(ti) 內(nei) 核旋轉方向的？

　　宋曉東(dong) 告訴記者，一直以來，科學家通過地震波來探測地球內(nei) 核的多種物理特性。他解釋道，地球發生地震之後會(hui) 產(chan) 生地震波，地震波會(hui) 向地球深部傳(chuan) 播，研究地震波的傳(chuan) 播速度等性質，可以了解地球深部的結構分層及運動狀況。

　　宋曉東(dong) 及其團隊於(yu) 1996年首次觀測到了地震波通過地球內(nei) 核時的時間和速度產(chan) 生了變化，從(cong) 而推測出地球內(nei) 核是相對於(yu) 地幔發生旋轉的。不過，地球內(nei) 核的旋轉速率目前仍有不確定性，因為(wei) 旋轉速率本身也很可能在變化。

　　平勁鬆指出，利用地震波探測天體(ti) 內(nei) 部的方法十分普遍，19世紀科學家就用它對地球分層結構進行了探測；20世紀70年代美國月球探測任務用地震波探測月球的內(nei) 部分層構造；近年來，歐洲火星探測任務將其用於(yu) 探測火星的內(nei) 部構造。

　　對於(yu) 恒星，天文學家更難以直接觀測到恒星內(nei) 部的結構，於(yu) 是他們(men) 借助“星震學”來探測恒星內(nei) 部。

　　李剛表示，星震學與(yu) 地震學很類似，都是通過研究天體(ti) 內(nei) 部的震動波來推斷天體(ti) 的內(nei) 部結構，有點像日常生活中我們(men) 通過“拍西瓜”來判斷瓜熟不熟。但是星震與(yu) 地震的不同之處在於(yu) ，星震是持續不斷的震動，而地震隻是偶然發生。恒星的震動波會(hui) 局部壓縮氣體(ti) ，從(cong) 而造成恒星溫度和亮度的變化。基於(yu) 這一特性，天文學家通過長時間監測恒星亮度的變化來觀測恒星的震動，並測量震動的頻率。

　　恒星震動的頻率會(hui) 因其內(nei) 部不同物理過程的擾動而有所變化。“打個(ge) 比方說，熟西瓜和生西瓜用手拍一拍，聽到的聲音也不相同。”李剛說，天文學家通過高精度的頻率測量和細致的物理模型推演，來計算恒星內(nei) 部旋轉速率、元素分布等不同物理特性。

　　比如對恒星年老後形成的紅巨星，天文學家通過分析一些紅巨星的震動信號發現，紅巨星有著非常強烈的較差自轉現象，其內(nei) 核自轉速率一般比表麵快數十倍。 （唐芳）