现实问题是科学发现的指路明灯：热分异和重力分异

杨冬红^1,2, 杨学祥³

1 吉林大学 古生物学与地层学研究中心, 长春 130026

2 吉林大学 东北亚生物演化与环境教育部重点实验室，长春 130026

3 吉林大学 地球探测科学与技术学院, 长春 130026

摘  要  本文通过资料分析和模型计算，得到地球自转速率长期减慢趋势和周期波动规律的形成原因。潮汐摩擦是地球自转减慢的主要因素，重力分异和圈层角动量交换是地球自转周期变化的主要因素，重力分异造成的地球各圈层差异旋转是地壳自转变化先慢后快的特殊因素。重力分异将一个均匀的自转地球变为分层的差异旋转地球，在质量向地心集中的同时，自转动能也向地核集中，使地壳和地幔自转变慢，使地核自转变快。圈层角动量交换将地球自转动能变为热能，积累在核幔边界，使地壳和地幔自转变快，地核自转变慢。核幔边界积累的热能周期性使外核热膨胀，为热幔柱和火山活动提供了能源和动力，火山活动高峰对应地球自转加快是证据。计算模型表明，地球自转速度变化的规律和历史记录证明重力分异和圈层差异旋转是地壳运动的主要动力，受地球自转速度变化的约束，地球体积不会有较大的胀缩，国内外测量结果证实了这一结论。最典型的结论是，热分异和重力分异使地壳地幔变冷，地核变热，动能和热能向地心集中，是地表超级火山喷发的动力。核幔边界是自转动能和热能集中的特殊界面。

关键词  潮汐，地球自转，重力分异，差异旋转

Study on cause of formation in Earth’s climatic changes

YANG Dong-hong^{1, 2}, YANG Xue-xiang³

1. Research Center of Palaeontology & Stratigrfaphy, Jilin University,Changchun 130026,China;

2. Key-Lab for Evolution of Past Life and Enviroment in Northeast Asia, Ministry of Eduation China, Jilin University, Changchun 130061, China;

3. College of Geo-exploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China

Abstract  Based on the data analysis and model calculation, the authors obtain the forming reason of earth’s rotation rate slowing down in long-term and periodic fluctuation laws. Tidal friction is a major factor of earth’s rotation slowing down, the gravitational differentiation and earth differential rotation are the major factor of earth’s rotation cycle change, earth differential rotation which caused by gravitational differentiation is the special factor of earth’s rotation change from slow to fast. Gravitational differentiation divides a uniform rotational earth into layer differential rotation one, when the earth mass is gradually concentrated to earth core, the kinetic energy of earth’s rotation is also to the core, which makes crust and mantle rotation decrease and core rotation increases. Circle layer angular momentum exchange makes kinetic energy of earth’s rotation into heat energy and accumulates in the core-mantle boundary, which make crust and mantle rotation increase and core rotation decreases. The energy periodic makes thermal expansion of outer core, which provides energy and power for thermal mantle plumes and volcanoes, the longest sustained warm period in ancient centuries occurred in the Gretaceousperiod, following the strongest eruption of volcano and high speed of the earth rotation. The calculation model shows that the laws of earth’s rotation rate change, gravitational differentiation and differential rotation are the major power for crustal movement, earth’s volume constrainted by the rotational rate change can not swell-shrinking greatly, the measurement results at home and abroad confirm the conclusion.

Keywords  tide, earth rotation, gravitative differentiation, differential rotation

0  引言

星球自转速度变化是一个复杂而庞大的过程，由众多简单的过程叠加而成。最近研究发现，当一个均匀的自转地球通过重力分异变为一个分层的差异旋转的地球，质量向地心集中将导致地球转动惯量变小，地球自转应该变快，可是地球表象并非如此。理论推导和实际测量表明，由于科里奥利力的作用，上升轻物质西移，下降重物质东移，地球表层自转变慢，地核自转变快。给人的表面现象是，地球在重力分异后自转变慢，地核的自转变快被掩盖了，总体的转动惯量变小被掩盖了。潮汐摩擦导致的地壳自转减慢又加强了这一假象。这种情况，在太阳和月球的观测研究中也同样有所表现。

关于太阳的较差自转和月球的液态外核，我们可以通过研究地球而补偿观测数据的不足，继而得到合理的解释。

1  重力分异导致地球圈层差异旋转

地球各圈层成分的不同，是重力分异造成的，地球表面的重物质在重力作用下向地心集中的同时，地球动能也向地核集中，加快了内核的自转速度，减慢了地壳和地幔的自转速度，形成了不同圈层旋转速度的差异，其中内核旋转最快，地壳最慢，这就造成了重力分异使地球自转变慢的假象。地震波测量表明，内核每年相对东向旋转约0.4°~1.8°。当核幔角动量交换将动能转变为热能积累在核幔边界时，由于重力分异导致地球转动惯量减少，地球各圈层的平均转速将加快。

模型计算表明，早期均匀地球的初始自转角速度ω₀为4.36×10^-4rad/s，自转动能为9.2×10³⁰J。重力分异使一个均匀自转的地球变为分层差异旋转的地球，由于重力位能降低，位能减少量为2.3×10³¹J，其中1.05×10³¹J转变为地核的动能，1.25×10³¹J转变为热能使地球增温1500℃，分层差异旋转的地球自转动能增加到1.97×10³¹J。通过核幔角动量交换，地球各圈层最终以统一的自转角速度1.2w₀自转，地核输出自转动能1.25×10³¹J，其中，3.85×10³⁰J使地壳和地幔的动能增大，8.66×10³⁰J变为热能积累在核幔边界。这是外核是地球内部唯一的液态圈层的原因。

表1  重力分异8层地球模型

Table 2  Eight-layer earth model of gravitational differentiation

注：* 表示圈层角动量交换后地球各圈层的统一角速度.

根据表1的计算数据，均匀地球通过重力分异演化为8层不同密度地球，顶层角速度减少为原来的0.602倍，底层角速度增大到原来的27.405倍；旋转动能由原来的9.2×10³⁰J，增加到19.67×10³⁰J；转动惯量由原来的9.7078×10⁴⁴g·cm²，减少为8.11693×10⁴⁴g·cm²；通过角动量交换，外层加速，内层减速，内外两层以1.1949 w₀的角速度统一旋转，有8.65733×10³⁰J的自转动能变为热能积累在核幔边界，这是外核成为地球内部唯一的液态圈层的原因。

除了重力分异外，潮汐摩擦使地壳和地幔自转速度减慢，为核幔差异旋转提供新的动力。

2  重力分异导致月球圈层差异旋转

新浪科技讯 北京时间2014年8月12日消息，据国外媒体报道，科学家进行的研究发现月球并非一颗毫无生气的大石球，其月核周围可能存在一个炙热的液态层，至今仍非常活跃。如果情况属实，说明月球的活跃程度超过此前的想法，对了解地球的历史也具有重要意义。

太空中的任何两颗天体彼此间都会产生引力拖拽效应。由于没有一条轨道是完美圆形，引力会随着两颗天体之间的距离变化发生改变。这种效应在一些卫星身上表现的非常明显，例如木卫一“艾奥”。木卫一沿着一条椭圆形轨道环绕木星运行，受到木星引力的推拉，火山活动比较活跃。这种效应在地球身上同样非常明显，主要表现为海洋因月球引力出现的潮汐。

鉴于地球的体积达到月球的81倍，月球在环绕地球旋转时也会经受类似的力量。科学家此前就认为这种力可能导致月核部分呈液态，就像地核一样，但一直以来没有人能够证明这一点。现在，中国地质大学行星科学研究所的原田雄司博士领导的一支国际研究小组发现月球内部深处存在一个超软层，这个层产生的力量由地球引力导致。通过比较日本宇宙航空研究开发机构的月球学与工程探测器以及其他探测器获取的月球扭曲数据与理论计算得出的结果，科学家得出这一发现。

研究显示月球内部并未冷却和硬化并且一直因为地球对月球产生的影响加热。研究人员表示这一发现提供了一个重新思索地球和月球如何演化的机会。这两颗星球仍在演化的道路上前进，它们在诞生之后就相互影响。原田雄司表示：“我认为我们的研究发现带来了一系列疑问。例如，月幔底部如何在长期内保持柔软状态？为了回答这个问题，我们需要对地球内部结构进行进一步研究，从细节上了解月球内部的热量产生机制。另一个问题是，潮汐能在这个软层内转化的热能如何影响月球相对于地球的移动以及如何让月球冷却？我们希望解答这些疑问，进而深入了解月球如何诞生和演化。”

研究小组关注的是月球内部结构。在阿波罗探月计划中，宇航员在月表进行地震观测。科学家对与月球内部结构有关的数据进行分析后发现，这颗卫星主要由两部分构成——月核和月幔。月核是月球的内层，由金属构成，月幔是月球的外层，由岩石构成。研究人员发现观测到的月球潮汐形变可以解释月幔最深处是否存在一个超软层。此前进行的研究发现月幔最深处的部分岩石可能熔化。此项研究得出的发现支持了这一结论。

日本宇宙航空研究开发机构航空航天研究所教授春山淳一指出这项研究具有非常重要的意义。他说：“类似月球这样体积较小的天体冷却速度超过地球等体积较大的天体。我们一度认为月球上的火山活动已经停止，因此得出月球已经冷却和硬化的结论，即使在地球最深处也是如此。但这项研究告诉我们月球并没有冷却和硬化，仍处于温暖状态。研究发现意味着我们必须重新思索一系列疑问，例如地球和月球在诞生之后如何相互影响？这项研究不仅让我们意识到月球内部深处的实际状态，同时也为我们提供了一个线索，了解地月系统的历史。”

地球自转在4亿年中除了有逐渐减少的长期趋势变化外，还有叠加在其上的周期变化。当月球离地球很近时，朔望月天数将会变化得很快^[16]。任振球认为，古地球自转可能存在间隔2亿多年的准周期，其原因可能与小行星或彗星撞击地球等因素有关，图1 给出了朔望月天数变化所表示的地球自转速度变化曲线。从图1中可以看出，1.4亿年中生代，地球自转速度处于高峰；2.3亿年前二叠纪，地球自转速度处于低谷。

Whyte指出，在过去4.5亿年中地球旋转速率、地磁轴视极移、洋脊的活动、海平面和气候变化有伴随出现的现象。地球旋转加速时期主要对应了正极性时期，而旋转减慢时期主要对应了负极性时期，前者如志留纪至早泥盆纪和中生代，这阶段由于地球旋转速度加快，使地磁极具正极性、洋脊活动增强、全球性海侵和古气候变暖。自晚泥盆纪至二叠纪和新生代，是地球旋转速度减慢时期，表现为负极性为主、洋脊活动减弱、全球性海退、气候剧烈变化和出现大冰期。这些资料表明，在几亿年时间尺度上，各种地质旋回有一定程度的相关性存在，与地球自转速度变化相对应。我们讨论了地球自转速度变化、构造运动、地磁极性倒转和灾害性气候相互对应的地球物理机制。

图1  近5亿年来朔望月天数的变化[据任振球, 1990 ]

Fig. 1  The change in number of days in synodic month in recent 5 hundred million years [after Ren, 1990 ]

比较图1和图2，其形状的相似性表明地球自转与火山活动的相关性：自转加速对应火山活动高峰，自转减速对应火山活动低谷。白垩纪后地球自转速度的急剧变化在火山活动曲线上没有表现，其原因可能与地核重力分异、小行星或彗星撞击地球等突发因素有关。

图2  北美火山活动曲线[据 Engel and Engel, 1964]

Fig. 2  The cure of volcanic activity in North America[after Engel and Engel, 1964]

与朔望月天数变化所表示的地球自转速度变化具有周期性的结果不同，对珊瑚、双壳类以及层叠石求出的地球自转速率变化率是线性递减的。根据其变化率往前外推，则在20亿年前将为每年700天，这与Pannella根据叠层石求得的每年446-448天的结果不相符合。由此看来，地球自转速度变化只能在较短时期内认为是线性的，在更长的时间范围内应是有较大起伏的。徐道一指出，以上结论对某些假定条件没有进行充分论证，如地球绕太阳的周期、地球与太阳的距离是否不变？这对进一步开展古生物钟的研究是十分必要的。

地球的重力分异能够产生的圈层差异旋转，使地壳和地幔自转变慢，使地核自转变快；圈层角动量交换使动能变热能积累在核幔边界，使地壳和地幔自转变快，地核自转变慢。通常所说的地球自转速度，实际上就是地壳的自转速度，它在重力分异中是一个减慢的过程；在角动量交换中是一个加快的过程。特别值得指出的是，以前的重力分异模型是一次完成的，事实上，地球的重力分异和角动量交换过程可以通过多次反复来完成，形成地壳自转减速和加速的周期转换。

根据地质和气象等综合数据，表2给出地球自转周期、地质旋回、气候变化、万有引力常数G变化和地磁变化的对应规律，地球自转变化曲线和火山活动变化曲线相对应。特别值得指出的是，地壳相对地核自转减慢对应地磁反向，地壳相对地核自转加快对应地磁正向，这一现象的发现为地球各圈层差异旋转影响地磁反向提供了证据。

表2  地球自转周期、地质旋回和地磁极性倒转

Table 2  Earth’s rotation periods, geological cycles and geomagnetic polarity reverse 

理论模型研究和实际测量表明，地球内核自转较快，地壳和地幔自转较慢，形成地球内外圈层的差异旋转，核幔边界不仅是热交换边界，而且是圈层角动量交换的边界。圈层角动量使地壳和地幔自转变快，内核自转变慢，部分动能转化为热能积累在核幔边界。这是地球自转加速对应大规模热幔柱喷发的原因。

3  天文行星热分异过程

     2017-11-28 22:12haibaraemily 发表于的文章指出，在太阳系最初形成的时候，地球还没有成型，还保留着太阳系最原始的元素构成。但后来，因为种种原因，地球上的岩石成分就发生了巨大的变化。9月28日《自然》（Nature）杂志的封面故事，就用两篇方法迥异的研究，描述了一个也许曾经发生过的过程——或许，是地球早期的熔融和气化作用，“蒸发”掉了一部分原始的成分。

行星最初形成的时候，会在放射性元素衰减和外界密集的撞击之下被不断地加热。在这个过程中，较大的岩质行星接受的热量足以熔融自身，“分离”行星内部的物质。结果是，较重的元素（比如铁和镍）向中心“下沉”形成内核；相对较轻的硅酸盐成分就“浮”上来形成原始幔层，最终形成从内到外密度逐渐变小的“核幔壳”分层结构。这就是行星的热分异。

图2 行星热分异过程。制图：haibaraemily

内太阳系的四个类地行星：水星、金星、地球、火星，都是经历过热分异、外层以硅酸盐成分为主的岩质行星。当然，实际的分层情况更加复杂，远不止简单的核幔壳三层。对地球而言，通常我们把金属地核以外的硅酸盐质地层统称为全硅酸盐地球（bulk silicate earth，BSE）。很显然，经历了热分异的硅酸盐外层的成分比例会和行星形成之初近乎匀质时的成分有变化。

4  重力分异过程及相关问题

全球变化是一个复杂而庞大的过程，由众多简单的过程叠加而成。最近研究发现，当一个均匀的自转地球通过重力分异变为一个分层的差异旋转的地球，质量向地心集中将导致地球转动惯量变小，地球自转应该变快，可是地球表象并非如此。理论推导和实际测量表明，由于科里奥利力的作用，上升轻物质西移，下降重物质东移，地球表层自转变慢，地核自转变快，形成地球各圈层的差异旋转。给人的表面现象是，地球在重力分异后自转变慢，地核的自转变快被掩盖了，总体的转动惯量变小被掩盖了。潮汐摩擦导致的地壳自转减慢又加强了这一假象。

5  热分异和重力分异的差别

重力分异是没有高温下的分异，例如宇宙尘埃团的缓慢沉降。热分异是考虑高温熔融条件下的分异，并且陨石撞击可能影响地球的成分变化。

如图1所示，均匀地球模型中青物质和种物质都均匀地分散在全球。重力分异使重物质向地心集中，转动惯量变小，自转变快，位能变小转变为地和的热能；重力分异使青物质上升到地表，转动惯量变大，自转变慢，位能增大，根据能量守恒，热能将急剧减少，补充动能和位能的增大，从而导致地壳地幔降温。这就是说，重力分异导致地核自转变快温度增高，重力分异也导致地壳地幔自转变慢温度降低，大冰期的形成也有重力分异的贡献。

表3 重力分异导致的地球各圈层位能变化

结论：重力分异不仅使地球各圈层差异旋转，而且使地壳地幔变冷，地核变热，能量集中在地核，对大冰期有重要贡献，与地球地质旋回和天文周期相一致。

6 结论

地球自转速度的变化具有长期减慢的趋势和周期波动的规律，本文讨论了地球自转的规律和机制。

潮汐摩擦是导致地球自转长期减慢的主要原因。潮汐摩擦导致的地壳自转减慢，使日长每世纪增加2.3±0.1ms。潮汐摩擦是导致地球各圈层差异旋转的原因，特别是地壳地幔和内核的差异旋转。

重力分异造成地球各圈层差异旋转，使地壳和地幔自转速度长期减慢，核幔角动量交换将地球动能转变为热能，积累在核幔边界，使地壳和地幔自转变快。这是地球自转加速对应大规模热幔柱喷发的原因，地史提供了有力的证据。重力分异导致的地球转动惯量减少是地球自转速度长期加快的非潮汐因素，它引起的相关效应不能忽视。

重力分异不仅使地球各圈层差异旋转，而且使地壳地幔变冷，地核变热，能量集中在地核，对大冰期有重要贡献，与地球地质旋回相一致。

地球自转速度变化是由多种因素作用的结果，单一因素不能给出其变化的合理解释。对多种因素建模分析和准确计算，才能给出正确的答案。

由此可见，地球自转速度变化的研究，对定量评价和研究地球动力学过程具有重要意义。

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Shen W B, Zhang Z G. Detecting the Earth expansion effect based on space-geodetic data. Science of Surveying and Mapping (in Chinese), 2008, 33(3): 5-6.

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     Xu D Y, Sun W P. Application of the ETA-TYPE Tectonic series suggested by LI SI-GUANG to earthquake prediction. Journal of Geomechanics (in Chinese), 2011, 17(1): 64-73.

科学家研究称月核融化：周围存在炙热液态层.2014年08月12日 09:57  新浪科技.

http://tech.sina.com.cn/d/2014-08-12/09579549363.shtml

地球物理学的重大发现：重力分异使地壳地幔变冷地核变热

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1182440.html

冰期形成和消失的原因：天文周期和地质旋回的对应性

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1181825.html

为什么地球大冰期对应地球自转减慢?

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1182047.html

参考文献2：

Krot, A. N., et al. (2007). 1.05 Classification of Meteorites. In Holland, Heinrich D.; Turekian, Karl K. Treatise on Geochemistry. 1. Elsevier Ltd. pp. 83–128

Norris CA, Wood BJ. Earth’s volatile contents established by melting and vaporization. Nature. 2017;549(7673):507-510. http://dx.doi.org/10.1038/nature23645.

Hin RC, Coath CD, Carter PJ, et al. Magnesium isotope evidence that accretional vapour loss shapes planetary compositions. Nature. 2017;549(7673):511-515. http://dx.doi.org/10.1038/nature23899.

https://www.guokr.com/article/442516/

Nature封面：熔融？气化？大撞击？鬼知道地球经历了什么

haibaraemily 发表于  2017-11-28 22:12

https://www.guokr.com/article/442516/