近期，中国科学院上海天文台地球自改变化研究团组、中国科学院行星科学重点尝试室的科研人员通过对典范的液核磁流体动力学理论的深切研究，初次给出了核幔鸿沟电磁力(Magnetic force)-浮力(Archimedes force)-科里奥利力(Coriolis force)彼此感化下的赤道受限流体波（称为eMAC波）的阐发解模子，并推导出描述该波物理性量的系列解析表达式。该项工做关于深切理解低纬度液核磁流体波的起源、地球自转年际变革的激发机造、液核顶部门层等方面均具有重要意义。相关研究功效于2023年1月颁发于国际出名SCI期刊《地球物理学研究杂志：固体地球》(Journal of Geophysical Research: Solid Earth)，该项研究的科学价值也得到审稿专家的高度评价。
现代地磁卫星和空中台站地磁场不雅测数据均表白地球低纬度（低于15度）区域存在亚年代（即5~10年周期）标准上的地磁加速和液核流体波快速传布现象[1,2,3]，例如，该区域存在显著的非带状方位向液核流（具有~8.6年周期重量）[3]以及地磁加速脉冲信号[2,3]（其可引起地磁场的快速变革，即地磁急变）。上述现象可能与发作在液核顶部的年际磁流体波有关[3,4]，此中，电磁力（洛伦兹力）、浮力和科里奥利力之间的彼此感化是该波产生的一种潜在机造[4]。此外，地球自转速度（日长）变革也存在8.6年周期信号[5]，而且，该信号与地磁急变(jerks)事务存在亲近联络[5]，其提醒日长8.6年信号与地磁急变的起源可能均来自于赤道区域液核磁流体波[5]，而该波的素质很可能恰是上文提到的eMAC波[3,4]。因而，深切讨论eMAC涉及其物理性量不只关于深切认识赤道区域液核波的起源具有重要价值，还关于理解亚年代标准日长变革和地磁急变起源的素质具有重要的理论意义。
但是，前人工做[4]在研究eMAC波理论时次要依赖于数值模仿手艺，未能给出定量描述该波本身性量（包罗赤道受限和纬度散布律、波的阻尼率、本征周期、传布速度以及磁场摄动等）的解析表达式，招致决定那些性量的切确物理因素照旧不清晰，此外，前人也没有阐明eMAC波模子可以可靠描述液核波所需要的特定纬度范畴。因而，eMAC波本身性量与传布特征若何以及该波能否可以激发地球自改变化等相关问题还需要进一步的理论研究。
连系液核磁流体动力学方程和磁感应方程，上海天文台相关科研人员接纳数学解析的体例深切阐发了目前的磁流体波理论及其存在的缺陷，通过理论推导初次得到了定量描述eMAC波的阐发解模子，系统地给出了表征该波物理性量的系列解析表达式，并操纵摄动阐发的办法讨论了eMAC波阐发解模子的精度随纬度的散布特征。“本项研究给出的eMAC波阐发解模子在定量描述纬度低于25度区域液核波的相对误差小于5%，该模子关于理解目前已发现的液核赤道磁流体波的起源具有重要的理论价值。”论文第一做者兼通信做者、上海天文台青年研究员段鹏硕暗示：“我们为那项工做所得的新成果而感应兴奋，因为它清晰地提醒了决定eMAC波性量的详细物理因素。”
科研人员还指出，本次研究成果不只可以在理论上严酷证明磁流体波的赤道受限和纬度散布律在素质上由具有n阶的典范厄密多项式的特定解形式决定，并且理论预言的1阶方位向摄动磁场阐发解（图1）与基于地磁不雅测得到的液核外表方位流成果（图2）很好地吻合，同时eMAC波的阻尼率可由一条简洁的物理公式表达，即波的能量耗散与磁扩散率成反比、而与液核顶部门层厚度参数的平方成反比。
eMAC波做为一种核幔鸿沟液核颠簸现象，其传布过程会引起部分液核流速的变革，进而引起部分磁场的变革（表示为地磁急变现象）。但在磁力、浮力和科里奥利力感化下而产生的eMAC波具有向一个标的目的（即自西向东）传布的特征，其区别于通俗机械波可向多个标的目的传布的特征。科研人员指出，因为现实地球的液核动力学系统十分复杂，eMAC波的激发源（液核内部对流被认为是一种潜在的激发源[4]）也是复杂的，招致现实的eMAC波引起的液核流速在全球范畴内的积分可能不为0，那意味着液核整体角动量在全球范畴内不会抵消，在核幔系统角动量守恒的前提下，eMAC波很可能引起日长的变革。同时，eMAC波引起的液核流速还具有其他轴向重量，也具有引起地球自转轴相关于地球外表挪动（即极移）发作变革的可能。
本项研究成立的eMAC波阐发解模子能够较好解释目前不雅测到的向东传布（具有~8.6年周期）的快速赤道磁流体波现象[3]，那为进一步开展eMAC波激发地球自改变化（例如，日长8.6年信号）的定量研究指了然标的目的。上海天文台黄乘利研究员暗示：“审稿专家对本项研究的科学价值赐与了很好的评价，本项研究的成果是对典范液核磁流体波理论的重要弥补。”他进一步瞻望道：“那项研究仅初步讨论了eMAC波传布过程若何改动液核角动量的问题，我们也将在随后的研究中进一步讨论eMAC波对地球自转（包罗日长和极移）变革的定量激爆发用。”他还指出，深切开展地球自改变化机造的研究不只有助于科研人员愈加明晰地认识地球内部，尤其是地球深内部的运行机造，还能帮忙科学家们更深切理解地球自改变化规律，以及更切确地预报地球自改变化，那对深空探测、卫星细密定轨等方面具有重要意义。
本项研究得到了中国科学院青年立异促进会项目、中国科学院B类战略性先导科技专项、国度天然科学基金面上和重点项目撑持。
图1. 理论成果：由eMAC波阐发解模子得到的方位向摄动磁场
图2. 不雅测成果：基于地磁不雅测给出的核幔鸿沟方位向液核流加速场[2]
论文链接：请详见文后的 阅读原文。
参考文献：
[1] Finlay, C.C. & Jackson, A.,2003. Equatorially dominated magnetic field change at the surface of Earth’s core. Science,300 (5628),2084-2086.
[2] Kloss, C. & Finlay, C. 2019. Time-dePEndent low-latitude core flow and geomagnetic field acceleration pulses. Geophys. J. Int. 217, 140-168.
[3] Chi-Durán, R., Avery, M.S., Knezek, N. & Buffett, B.A. 2020. Decomposition of geomagnetic secular Acceleration into traveling waves using complex empirical orthogonal functions. Geophys. Res. Lett., 47, https://doi.org/10.1029/2020gl087940.
[4] Buffett, B.A. & Matsui, H. 2019. Equatorially trapped waves in Earth’s core. Geophys. J. Int. 218, 1210-1225.
[5] Duan, P. S. & Huang, C. L. 2020. Intradecadal variations in length of day and their correspondence with geomagnetic jerks. Nat. Commun., 11, https://doi.org/10.1038/s41467-020-16109-8.
科学联络人：
段鹏硕，中国科学院上海天文台，duanps@shao.ac.cn
发表评论