地球的核振荡

第三节　地球的核振荡——OP分离

太阳系是一个比较稳定的旋转系统。质量很大的太阳，以其巨大的引力维持着一个天体系统以它为中心做周期性的圆周运动。地球是太阳系中一颗普通又特殊的行星，它带着自己的卫星——月球，沿椭圆轨道绕太阳运行。然而地球围绕的不是太阳的中心，而是太阳和地球共同的质量中心——椭圆轨道的一个焦点上，这个焦点距离太阳的质心仅仅为450km。同时地球还受到太阳系、甚至宇宙空间中的其他行星、恒星对它的引力作用。由此可见，地球并不是孤立地存在于宇宙空间的，它和其他的天体之间有着密切的相互引力作用。

其实，按椭圆轨道绕太阳运动的并非为地球的中心，而是地—月系统的公共质心。月球绕公共质心的运动既有公转，又有自转，周期均为一个月，而地球绕公共质心的运动则是一种平移运动。由于地球质量为月球的81．5倍，故按前节里的质心计算法则可首先计算得地—月的公共质心位于地球内部2/（3r）的地方（r为地球的半径），即距离地球地心4671km。这样，如果仅把理论上地球围绕太阳运行的轨道选为一参考轨道的话，则显而易见，轨道构成实际上是遭到了月球的“介入”，此时地球质心O在参考轨道上已是呈“振荡”性地运转了。而且，除了有“近在咫尺”的月球的引力作用外，还有其他诸行星、卫星引力场的参与。

因此，事实上地球质心O在空间的轨迹，不仅有月球引致的“大振荡”，而且有其他诸星体引致的“小振荡”；不仅有月球引致的为期一月左右的振荡周期，而且还同时叠加有空间里诸多其他按一定规律运行的星体所引致的多种时相的振荡周期。由此可见，地球环绕太阳所循行的轨道，对于理论上为一标准椭圆的轨道来说，实际上已为一种很复杂的带有“振荡性”的轨道了，笔者特称此轨道为“振荡轨道”。

地球作为一个整体在“振荡轨道”上运行着，并整体性地经受着“轨道振荡”的效应力，但轨道振荡对地球内各结构体所效生出的作用力却并非等同。首先是因为各个地胞都有自己独特的环境变量和机能变量，其次是因为各地胞的惯量不等。这样，各结构体在共同受到轨道振荡的作用时，相互之间就可能效生一定量的相对运动。

如果把地核中的固体内核看作一个独立的部分，把除此之外的整个地球看作另一独立的部分，再考虑到两者相连接处的液态外核隔层和两者之间显著的密度差异，那么就可以很好地推想：地球的轨道振荡必然会直接引致地球内核P一定形式的轨道振荡，这被称为“核振荡”。

事实上，科学家们已经发现：内地核并不在地球球体的正中央，而是偏向了西半球的方向。他们通过模拟地核内铁镍颗粒的状态，发现由于地球的自西向东自转，当铁镍颗粒从固态的内地核逐渐运动到液态的外地核时，就形成了对流。但这种对流在各个方向上是不均匀的，内地核东半球的铁镍颗粒被熔化后被对流带走，流向了西半球。而内地核西半球的液态铁镍表面已经凝固，形成了内地核的一部分。这样就使得地球的内核偏向了西半球。科学家还说，这样的过程还在持续进行，地球的心脏——内地核还在不断更新。但内核不可能一直向西偏移的，而是呈现出一种螺旋振荡式的。由此，也再一次说明了，我们的地球内核，确实是很不“安定”的，它一直在振荡的轨道上运动，处于不断运动的平衡状态。

为了接着从地球内部来分析内核P的轨道振荡，在此先定义一个重要的概念：“OP分离”。所谓OP分离，即是用来特指地球中固相内核的质心P和整个地球的质心O处于分离的状态过程。

虽然目前人们对地核各类性状的了解或多或少还建立在“臆定和推断”的程度上，但看来如下这3个“认定”，已基本上能被我们用来作为探讨地球内部其他一些问题时的可信“假设”：

1．根据速度特征可以把地核从1215km处粗略地分为性态明显有别的里、外两层。

2．地核主要由铁、镍组成，其密度很大，电导率、热导率很高。

3．地核具有极高的温度和压力值，由于压力提高使物质熔点的提高，使地球内核呈固相性态，外核呈液相性态。

现在我们若从相态和时空的角度来“遥瞰”一下地核，即有这样一个引人关注的情况：

在一个高压高温高能的半径为2900km的球状有限空间内，一个半径约为1215km的固态星核（指地球内核）沉居在一个体积约为它的30倍的液态外核的中心，接受着来自四面八方高压的胁迫和自身惯性因素的束缚。

试问，这个内核的质心P能做到每时每刻都和地球的质心O“心心相印”吗？

答案应是否定的。

因为即使是一块晶体，它其中的原子在其晶格结点上也有无尽的热振动。任何一个宏观上体现出的物理值也不过是其微观状态上众多值域的平均。假若某时刻，地球内核的外围对于地球内核所发生的众多作用不能完全地平衡——这是一个必然的可能，那OP分离的可能也就是现实了。

再问：两个质心O、P间能无限自由地相离吗？

这个答案也是否定的。

一来，只要OP间一有距离，就会一直受到万有引力的作用，万有引力的作用效果是使O、P两者合二为一。二来，一旦内核闯入外核空间时，就会受到外核的压性抵制和反推。三来，引致OP分离的原因本身又是形成OP分离量的限制原因。所以，P只能在一定的程度内与O分离，O是P的均态“席位”。

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6．超导重力仪测内核的平动振荡参数

近年来，随着空间技术对地球内部动力学的日趋需求，液态地核的动力学效应和固体内核的平动振荡理论的研究和检测越来越重要，而固体内核的平动振荡检测至今还是国际上地球科学研究中的一个前沿性课题。在众多的地球物理方法中，重力测量是除了地震方法之外，唯一可用于探测地球内部构造特征和动力学现象的有效手段。随着美国GWR公司新型高精度超导重力仪器（SG）的研制成功和国际网络资料的积累，地球固态内核的平动振荡研究和检测有了新的前景和希望。地球固体内核在其平衡位置附近的平动振荡是地球内部动力学问题的基本模式。目前全球分布有14个台站GWR超导重力仪，21个高精度潮汐重力观测系列，在欧洲有7个台站，亚洲有3个台站（中国武汉有一个），北美和南半球各有2个台站。科学家们利用超导重力仪在检测地球液态核和固态内核动力学现象方面做了很多有益的尝试，研究结果表明，利用重力手段精密测定地球固态内核的平动振荡参数将有助于人们正确认识地球液态外核和固态内核边界层的精细结构和密度分布特征。