近期，武汉大学测绘学院李建成教授团队在Science Bulletin在线发表题为“Decadal length-of-day and geomagnetic changes imply more complex Earth's core motions”的研究论文。测绘学院丁浩教授为论文第一作者，李建成教授和丁浩为论文通讯作者，武汉大学姜卫平教授和申文斌教授为共同作者。该研究获得了国家自然科学基金“地球时空基准”基础科学中心和创新研究群体项目，以及湖北珞珈实验室专项项目等资助。该研究首次在地表地磁变化中发现多个十年尺度周期性信号，且发现与地球自转日长变化中的相关信号具有很强的一致性，揭示了地核运动可能远比目前假设的更为复杂，为研究地核运动机制提供了新的观测证据。
地球深部的地核由液态的外核及固态的内核组成 (图1)，液核可能存在不同类型的流动和波动等，而内核也可能存在周期性振荡或差速旋转。地核运动产生的响应一般很难在地表直接观测到，通常认为地球自转的日长变化和地表地磁变化较适合于研究地核运动。尽管已有很多关于地核运动机制的研究，但该问题存在很多争议，仍是国际研究难题。
图1. 地球内部分层示意图。 (来自: 丁浩 自绘)
利用团队成员前期所提出的一种分析阵列数据的方法(最优序列估计)，他们发现地表地磁中同时存在~5.9年, ~7.6年, ~8.6年, ~13.6年, ~15.4年, ~18.6年和~22.5年的周期性信号(图2)；除5.9年和18.6年信号外，其他5个地磁信号均为新发现。他们进一步解算了这些信号的激发序列并确定了它们的空间运动模式。对比日长变化，他们发现具有球谐Y2,±2空间运动特征的5个周期性信号(~5.9年, ~7.6年, ~8.6年, ~13.6年和~22.5年)与相应的日长变化具有很好的相位和振幅一致性；这些地磁信号与相应日长变化的振幅标定因子均为相同的~0.042 (nT/ms) (图3)。这种一致性在自然界很难随机产生，唯一可能的解释是它们来自相似的地核运动。团队分析了现有的地核运动机制模型，发现它们均过于简单，而难以同时解释这些新发现；也即他们的结果表明地核运动要远比现有的假设更加复杂。虽然他们难以准确确定这些发现背后所隐含的机制，他们仍给出了一种方向性的假设，但仍需要具体的理论和额外的结果支撑。
综上所述，该研究在国际上率先发现了日长和地磁中具有很好一致性的多个十年尺度信号，并解释了它们可能暗示着更为复杂的地核运动。受限于现有的理论和可用的数据观测，该团队认为更清晰和准确地理解地核运动在短期内仍极具挑战。但他们的新结果为研究地核运动提供了新的观测约束，也展示了地球自转参数长周期变化的更细节的特征，进而有助于高精度地球参考框架的构建及时空信息的解译等。
图2. 利用最优序列估计方法从地表地磁观测中探测到了7个周期性信号及其对应空间运动模式(也即对应的球谐阶次)。 (来自: 丁浩 自绘)
图3. 5个球谐Y2,±2空间运动特征的地磁信号的激发序列及其相应的日长变化信号的对比。为便于对比，地磁信号的振幅已标准化。(来自: 丁浩 自绘)
论文信息：
Ding Hao, Li JianCheng, Jiang WeiPing, Shen WenBin (2024). Decadal length-of-day and geomagnetic changes imply more complex Earth's core motions, Science Bulletin. Doi: 10.1016/j.scib.2024.03.015.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.03.015.
文字：高迎春、丁浩
图片：丁浩
审核：闫利、胡俊英