İç çekirdek süper dönüşü - Inner core super-rotation

Dünyanın kesitini gösteren İç çekirdek (beyaz) ve dış çekirdek (Sarı)

İç çekirdek süper dönüşü bir teorileştirilmiş doğuya doğru dönüşü İç çekirdek nın-nin Dünya ona göre örtü, bir bütün olarak Dünya'dan daha hızlı bir net dönüş hızı için. 1995 model Dünyanın dinamosu yılda 3 dereceye kadar tahmini süper dönüşler; Ertesi yıl, bu tahmin şu dönemde gözlemlenen tutarsızlıklar tarafından desteklendi p dalgaları iç ve dış çekirdek boyunca seyahat edin.

Sismik gözlemler, iç çekirdekteki sismik dalgaların hızının yön bağımlılığından (anizotropi) ve hızdaki uzaysal değişimlerden yararlanmıştır. Diğer tahminler Dünyanın serbest salınımları. Sonuçlar tutarsızdır ve bir süper rotasyonun varlığı hala tartışmalıdır, ancak muhtemelen yılda 0,1 dereceden azdır.

Jeodinamo modelleri, iç çekirdek ve manto arasındaki yerçekimi bağlantısını hesaba kattığında, tahmin edilen süper dönüşü milyon yılda 1 derece kadar düşürür. İç çekirdeğin yerçekimi bağlantısına rağmen dönebilmesi için şekil değiştirebilmesi gerekir ki bu da kendi viskozite.

Arka fon

Dünyanın merkezinde çekirdek, bir top anlamına gelmek Çoğunlukla demirden oluşan 3480 kilometrelik yarıçap. dış çekirdek sıvı iken İç çekirdek yarıçapı 1220 km olan sağlamdır.[1] Çünkü dış çekirdek düşük viskozite, daha farklı bir hızda dönüyor olabilir örtü ve kabuk. Bu olasılık ilk olarak 1975'te bir fenomeni açıklamak için önerildi Dünyanın manyetik alanı batıya doğru sürüklenme adı verilir: Alanın bazı kısımları Dünya yüzeyine göre batıya doğru yılda yaklaşık 0,2 derece döner. 1981'de, David Gubbins nın-nin Leeds Üniversitesi iç ve dış çekirdeğin farklı bir dönüşünün büyük bir toroidal paylaşılan sınırın yakınındaki manyetik alan, iç çekirdeği batıya doğru sürüklenme hızına hızlandırır.[2] Bu, Dünyanın dönüşü, yani doğuya doğrudur, bu nedenle genel dönüş daha yavaş olacaktır.[3]

1995'te Gary Glatzmeier, Los Alamos ve Paul Roberts UCLA ilk "kendinden tutarlı" üç boyutlu modelini yayınladı dinamo çekirdekte.[5] Model, iç çekirdeğin mantodan yılda 3 derece daha hızlı döndüğünü tahmin etti, bu da süper dönme olarak bilinen bir fenomen oldu.[6][7] 1996, Xiaodong Song ve Paul G. Richards, Lamont – Doherty Dünya Gözlemevi, yılda 0,4 ila 1,8 derece süper dönüş için sismik kanıt sundu,[8][9] başka bir çalışma ise süper dönüşün yılda 3 derece olduğunu tahmin ediyor.[10]

Sismik gözlemler

PKP (BC) ve PKP (DF) dalgalarının şeması
Konum Güney Sandwich Adaları Alaska'ya neredeyse zıt olan.

İç çekirdek rotasyonundaki ana gözlemsel kısıtlamalar sismolojiden gelir. Bir deprem meydana geldiğinde, iki tür sismik dalga Dünya'da aşağı doğru yolculuk: dalganın yayıldığı yönde yer hareketi olanlar (p dalgaları ) ve enine hareketli olanlar (s dalgaları ). S dalgaları dış çekirdekten geçmez çünkü kayma gerilmesi, bir sıvıda oluşamayacak bir deformasyon türüdür. Sismik gösterimde bir p dalgası, kabuk ve manto boyunca seyahat ederken P harfi ile ve dış çekirdekten geçerken K harfi ile temsil edilir. Yüzeye ulaşmadan önce manto, çekirdek ve mantodan tekrar geçen bir dalga PKP ile temsil edilir. Geometrik nedenlerden dolayı, iki PKP dalı ayırt edilir: dış çekirdeğin üst kısmından PKP (AB) ve alt kısımdan PKP (BC). İç çekirdekten geçen bir dalgaya PKP (DF) denir. (Bu aşamalar için alternatif isimler PKP1, PKP2 ve PKIKP'dir.)[11] Sismik dalgalar, bir depremden belirli bir sensöre birden fazla yol kat edebilir.[12]

PKP (BC) ve PKP (DF) dalgaları mantoda benzer yollara sahiptir, bu nedenle genel seyahat süresindeki herhangi bir fark, esas olarak dış ve iç çekirdek arasındaki dalga hızlarındaki farktan kaynaklanır. Song ve Richards, bu farkın zaman içinde nasıl değiştiğine baktılar.[9][13] Güneyden kuzeye giden dalgalar (depremler tarafından yayılan) Güney Sandwich Adaları ve alındı Fairbanks, Alaska ) 1967 ile 1995 arasında 0,4 saniye değişen bir diferansiyele sahipti. Buna karşılık, ekvator düzleminin yakınında hareket eden dalgalar (ör. Tonga ve Almanya) hiçbir değişiklik göstermedi.[14]

Süper rotasyonun ilk tahminlerinin eleştirilerinden biri, ikiyüzlüler Depremlerin, özellikle daha önceki kayıtlarda yer alanların, seyahat sürelerinin ölçülmesinde hatalara neden oldu.[15] Bu hata, veri kullanılarak azaltılabilir. ikili depremler. Bunlar, çok benzer dalga formlarına sahip depremlerdir ve depremlerin birbirine çok yakın olduğunu (yaklaşık bir kilometre içinde) gösterir.[16] Güney Sandwich Adaları'ndan alınan ikili verileri kullanarak, 2015 yılında yapılan bir çalışma, yıllık 0,41 ° 'lik yeni bir tahmine ulaştı.[17][18]

İç çekirdek anizotropisi

Song ve Richards, gözlemlerini hakim iç çekirdek modeli açısından açıkladılar. anizotropi zamanında. Dalgaların kuzey ve güney arasında ekvator düzleminden daha hızlı hareket ettiği gözlendi. Düzgün anizotropiye sahip iç çekirdek için bir model, Dünya'nın dönme ekseninden 10 ° 'lik bir açıyla eğilmiş en hızlı hareket yönüne sahipti.[14] O zamandan beri anizotropi modeli daha karmaşık hale geldi. İlk 100 kilometre izotropiktir. Bunun altında, "batı" bir yarımkürede (kabaca Amerika'da merkezlenmiş), "doğu" yarımkürede (dünyanın diğer yarısı) olduğundan daha güçlü anizotropi vardır,[19][7] ve anizotropi derinlikle artabilir. Yaklaşık 550 kilometre yarıçaplı "en iç çekirdekte" (IMIC) farklı bir anizotropi yönü de olabilir.[20]

Bir grup Cambridge Üniversitesi iç çekirdek sınırının altında 90 kilometreye kadar derinliğe sahip yarım küre sınırlarının boylamlarını tahmin etmek için seyahat süresi farklarını kullandı. Bu bilgiyi, iç çekirdek büyüme hızı tahminiyle birleştirerek, milyon yılda 0.1-1 ° 'lik bir oran elde ettiler.[21][7]

Seyahat süresi farklılıklarına dayalı rotasyon oranı tahminleri tutarsızdır. Sandviç Adası depremlerine dayananlar en hızlı oranlara sahipler, ancak daha zayıf bir sinyale sahipler, PKP (DF) neredeyse gürültünün üzerine çıkıyor. Diğer yollara dayalı tahminler daha düşük veya hatta ters yönde olmuştur. Bir analizde, rotasyon hızı yılda 0.1 ° 'den az olacak şekilde sınırlandırılmıştır.[1]

Heterojenlik

1997'de yapılan bir çalışma Sandviç Adaları verilerini yeniden gözden geçirdi ve seyahat sürelerindeki değişikliklerin kaynağı hakkında farklı bir sonuca vardı ve bunları dalga hızlarındaki yerel heterojenliklere bağladı. Süper rotasyon için yeni tahmin, yılda 0.2-0.3 ° 'ye düşürüldü.[22]

İç çekirdek rotasyonu, PKP (DF) dalgaları yerine iç çekirdeğin yüzeyinden saçılan PKiKP dalgaları kullanılarak da tahmin edilmiştir. Bu yöntemi kullanan tahminler, yılda 0,05 ila 0,15 ° arasında değişmiştir.[1]

Normal modlar

İç çekirdek dönüşünü sınırlamanın başka bir yolu kullanmaktır normal modlar (Dünya'da duran dalgalar), küresel bir resim veriyor. Çekirdekteki heterojenlikler modları böler ve zaman içinde "bölme işlevlerindeki" değişiklikler dönüş oranını tahmin etmek için kullanılabilir.[23] Bununla birlikte, doğrulukları 1970'lerde ve 1980'lerde sismik istasyonların yetersizliği nedeniyle sınırlıdır,[7] ve çıkarılan rotasyon moda bağlı olarak pozitif veya negatif olabilir. Genel olarak, normal modlar dönüş oranını sıfırdan ayırt edemez.[1]

Teori

Glatzmeier ve Roberts'ın 1995 modelinde, iç çekirdek, benzer bir mekanizma tarafından döndürülür. endüksiyon motoru. Bir termal rüzgar Dış çekirdekte, iç çekirdek sınırının yakınında doğudan batıya akışla bir sirkülasyon örüntüsü ortaya çıkar. İç ve dış çekirdeklerden geçen manyetik alanlar manyetik bir tork sağlarken, sınırdaki viskoz tork, iç çekirdeğin ve yakınındaki sıvının ortalama olarak aynı hızda dönmesini sağlar.[24]

1995 modeli, mantodaki yoğunluk değişimleri ve topografya arasındaki yerçekimi bağlantısının iç çekirdek sınırı üzerindeki etkisini içermiyordu. 1996'da yapılan bir çalışma, iç çekirdek ve mantonun aynı hızda dönmeye zorlayacağını öngördü, ancak 1997 tarihli bir makale, iç çekirdek şeklini değiştirebiliyorsa göreceli dönüşün gerçekleşebileceğini gösterdi.[25] Bu, viskozite 1,5 x 10'dan küçük olması20 Pascal -saniye (Pa · s). Ayrıca, viskozite çok düşükse (3 x 1016 Pa · s), iç çekirdek sismik anizotropisini koruyamayacaktır.[26] Ancak anizotropinin kaynağı hala tam olarak anlaşılamamıştır. İç çekirdeğin viskozitesinin, Dünya'nınkilere dayalı bir modeli beslenme viskoziteyi 2–7 × 10 ile sınırlar14 Pa · s.[27][7]

Yerçekimsel kilitlemeyi hesaba katan jeodinamo modelleri ve gün uzunluğundaki değişiklikler milyon yılda yalnızca 1 ° 'lik bir süper dönüş hızı tahmin edin. Rotasyon ölçümleri arasındaki bazı tutarsızlıklar, rotasyon hızının salınması halinde telafi edilebilir.[7][26]

Ayrıca bakınız

Notlar ve referanslar

  1. ^ a b c d Souriau, A .; Calvet, M. (2015). "1.23 - Derin Dünya Yapısı: Dünyanın Çekirdekleri". Schubert, Gerald (ed.). Jeofizik Üzerine İnceleme (İkinci baskı). Elsevier. s. 725–757. doi:10.1016 / B978-0-444-53802-4.00020-8. ISBN  978-0-444-53803-1.
  2. ^ Buffett, Bruce A .; Glatzmaier, Gary A. (1 Ekim 2000). "Jeodinamo simülasyonlarında iç çekirdek rotasyonunun yerçekimi frenlemesi". Jeofizik Araştırma Mektupları. 27 (19): 3125–3128. doi:10.1029 / 2000GL011705.
  3. ^ Seeds, Michael; Backman, Dana (2009). Astronomi: güneş sistemi ve ötesi (6. baskı). Cengage Learning. s. 16. ISBN  9780495562030.
  4. ^ Merrill, Ronald T. (2010). Manyetik Dünyamız: Jeomanyetizma bilimi. Chicago Press Üniversitesi. s. 101. ISBN  9780226520506.
  5. ^ "kendi kendine tutarlı", modelin, iletken sıvının hareketi ile oluşturduğu manyetik alan arasındaki geri bildirimi hesaba katması anlamına gelir.[4]
  6. ^ Glatzmaier, Gary A .; Roberts, Paul H. (Eylül 1995). "Dönen ve sonlu iletken iç çekirdek ve manto ile üç boyutlu bir konvektif dinamo çözümü". Dünya Fiziği ve Gezegen İç Mekanları. 91 (1–3): 63–75. doi:10.1016/0031-9201(95)03049-3.
  7. ^ a b c d e f Deuss, Arwen (30 Mayıs 2014). "Dünya'nın İç Çekirdeğinin Heterojenliği ve Anizotropisi". Yeryüzü ve Gezegen Bilimleri Yıllık İncelemesi. 42 (1): 103–126. doi:10.1146 / annurev-earth-060313-054658.
  8. ^ Broad, William J. (18 Temmuz 1996). "Dünyanın İç Çekirdeği Yüzeyden Daha Hızlı Dönüyor". New York Times. Alındı 24 Haziran 2019.
  9. ^ a b Song, Xiaodong; Richards, Paul G. (Temmuz 1996). "Dünya'nın iç çekirdeğinin farklı dönüşü için sismolojik kanıt". Doğa. 382 (6588): 221–224. Bibcode:1996Natur.382..221S. doi:10.1038 / 382221a0. S2CID  4315218.
  10. ^ Su, Wei-jia; Dziewonski, Adam M.; Jeanloz, Raymond (13 Aralık 1996). "Gezegendeki Gezegen: Dünyanın İç Çekirdeğinin Dönüşü". Bilim. 274 (5294): 1883–1887. doi:10.1126 / science.274.5294.1883. PMID  8943196. S2CID  46343987.
  11. ^ Kulhànek, O. (2002). "Sismogramların Yapısı ve Yorumlanması". Lee'de William H.K .; Jennings, Paul; Kisslinger, Carl; Kanamori, Hiroo (editörler). Uluslararası deprem ve mühendislik sismolojisi el kitabı. Bölüm A, Cilt 81A. Akademik Basın. sayfa 341–342. ISBN  9780080489223.
  12. ^ Kosso, Peter (2010). "Dünyanın iç çekirdeğinin süper dönüşü ve bilimsel muhakemenin yapısı". GSA Bugün: 52–53. doi:10.1130 / GSATG90GW.1.
  13. ^ Mohazzabi, Pirooz; Skalbeck, John D. (2015). "Dünyanın İç Çekirdeğinin Süper Dönüşü, Dünya Dışı Etkileri ve Dış Çekirdeğin Etkili Viskozitesi". Uluslararası Jeofizik Dergisi. 2015: 1–8. doi:10.1155/2015/763716.
  14. ^ a b Balina avcısı Kathy; Holme Richard (Temmuz 1996). "Bir dönüşte iç çekirdeği yakalamak". Doğa. 382 (6588): 205–206. doi:10.1038 / 382205a0. S2CID  4308209.
  15. ^ Poupinet, Georges; Souriau, Annie; Coutant, Olivier (Şubat 2000). "Telesismik çiftler tarafından sorgulanan bir iç çekirdek süper dönüşünün varlığı". Dünya Fiziği ve Gezegen İç Mekanları. 118 (1–2): 77–88. Bibcode:2000PEPI..118 ... 77P. doi:10.1016 / S0031-9201 (99) 00129-6.
  16. ^ Kerr, R.A. (26 Ağustos 2005). "Dünyanın İç Çekirdeği, gezegenin geri kalanından biraz daha hızlı çalışıyor". Bilim. 309 (5739): 1313a. doi:10.1126 / science.309.5739.1313a. PMID  16123276. S2CID  43216295.
  17. ^ Xu, Xiaoxia; Song, Xiaodong (Mart 2003). "Pekin Sismik Şebekesinde gözlemlenen zamana bağlı farklı PKP seyahat sürelerinden gelen iç çekirdek süper dönüşüne ilişkin kanıt". Jeofizik Dergisi Uluslararası. 152 (3): 509–514. Bibcode:2003GeoJI.152..509X. doi:10.1046 / j.1365-246X.2003.01852.x.
  18. ^ Zhang, J .; Şarkı, X; Li, Y; Richards, PG; Güneş, X; Waldhauser, F (26 Ağustos 2005). "Deprem Dalga Biçimi Çiftleri Tarafından Doğrulanan İç Çekirdek Diferansiyel Hareketi". Bilim. 309 (5739): 1357–1360. Bibcode:2005Sci ... 309.1357Z. doi:10.1126 / science.1113193. PMID  16123296. S2CID  16249089.
  19. ^ Irving, J.C. E .; Deuss, A. (14 Nisan 2011). "İç çekirdek hız anizotropisinde hemisferik yapı". Jeofizik Araştırmalar Dergisi. 116 (B4): B040306 – B040307. doi:10.1029 / 2010JB007942.
  20. ^ Romanowicz, Barbara; Wenk, Hans-Rudolf (Ağustos 2017). "Dünyanın derinliklerindeki anizotropi". Dünya Fiziği ve Gezegen İç Mekanları. 269: 58–90. doi:10.1016 / j.pepi.2017.05.005.
  21. ^ Waszek, Lauren; Irving, Jessica; Deuss, Arwen (20 Şubat 2011). "Dünyanın iç çekirdeğinin yarım küre yapısını süper dönüşüyle ​​uzlaştırmak". Doğa Jeolojisi. 4 (4): 264–267. doi:10.1038 / NGEO1083.
  22. ^ Creager, K. C. (14 Kasım 1997). "Küçük Ölçekli Heterojenlikten ve Zamanla Değişen Seyahat Sürelerinden İç Çekirdek Dönme Hızı". Bilim. 278 (5341): 1284–1288. Bibcode:1997Sci ... 278.1284C. doi:10.1126 / science.278.5341.1284.
  23. ^ Laske, Gabi; Masters, Guy (1 Ocak 2003). "Dünyanın serbest salınımları ve iç çekirdeğin farklı dönüşü". Dehant, Véronique'de; Yaratıcı, Kenneth C .; Karato, Shun-Ichiro; Zatman, Stephen (editörler). Dünyanın çekirdeği: dinamikler, yapı, rotasyon. Amerikan Jeofizik Birliği. s. 5–21. ISBN  9781118670071.
  24. ^ Roberts, Paul H .; Glatzmaier, Gary A. (1 Ekim 2000). "Jeodinamo teorisi ve simülasyonları". Modern Fizik İncelemeleri. 72 (4): 1112. doi:10.1103 / RevModPhys.72.1081.
  25. ^ Buffett, Bruce A .; Glatzmaier, Gary A. (1 Ekim 2000). "Jeodinamo simülasyonlarında iç çekirdek rotasyonunun yerçekimi frenlemesi". Jeofizik Araştırma Mektupları. 27 (19): 3125. doi:10.1029 / 2000GL011705.
  26. ^ a b Tkalčić, Hrvoje (Mart 2015). "Dünyanın karmaşık iç çekirdeği: Küresel sismolojinin son sınırı". Jeofizik İncelemeleri. 53 (1): 59–94. doi:10.1002 / 2014RG000469.
  27. ^ Koot, Laurence; Dumberry, Mathieu (Ağustos 2011). "Dünyanın iç çekirdeğinin viskozitesi: Düğüm gözlemlerinden kaynaklanan kısıtlamalar". Dünya ve Gezegen Bilimi Mektupları. 308 (3–4): 343–349. Bibcode:2011E ve PSL.308..343K. doi:10.1016 / j.epsl.2011.06.004.

daha fazla okuma

  • Richards, P.G (13 Kasım 1998). "Dünyanın İç Çekirdeğinin Olası Dönüşünü Algılama". Bilim. 282 (5392): 1227a. doi:10.1126 / science.282.5392.1227a.
  • Rochester, Michael G. (2007). "İç çekirdek dönme dinamikleri". Gubbins'de David; Herrero-Bervera, Emilio (editörler). Jeomanyetizma ve paleomanyetizma Ansiklopedisi. Springer Science & Business Media. s. 425–426. ISBN  9781402044236.
  • Rüdiger, Günther; Hollerbach, Rainer (2006). "2.6.4 İç çekirdeğin dönüşü". Manyetik evren: jeofizik ve astrofiziksel dinamo teorisi. Wiley-VCH. s. 37–38. ISBN  9783527605002.
  • Souriau, A. (3 Temmuz 1998). "Rotasyon Gerçek mi?" Bilim. 281 (5373): 55–56. doi:10.1126 / science.281.5373.55. S2CID  127489559.
  • Sumita, I .; Bergman, M.I. (2010). "İç çekirdek dinamikleri". Olson, Peter (ed.). Temel Dinamikler. Jeofizik Üzerine İnceleme. 8. Elsevier. s. 299–318. ISBN  9780444535771.
  • Tkalčić, Hrvoje (2017). "İç çekirdek dönme dinamikleri". Dünyanın iç çekirdeği: Gözlemsel sismoloji ile ortaya çıkar. Cambridge University Press. s. 131–168. ISBN  9781107037304.