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冰川对地球和地核自转的影响

已有 4327 次阅读 2007-9-25 11:21 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记

冰川对地球和地核自转的影响

 

廖永岩

广东海洋大学

电子信箱:rock6783@126.com

 

1  冰川及其分类

大气温度降低,当两极或高山地区温度降至0以下时,就会在两极或高山上形成冰川。冰川,一般可分为高山冰川和极地冰川。高山冰川一般分布相对分散,且面积和体积相对较小。

北极冰川集中在格陵兰岛,占全球冰川的9%。南极冰盖,集中了全球90%的冰川,位于南极洲上,面积1.4×107 km2、重约2.64×1019kg、平均厚2450m、最厚处4645m [秦大河和任贾文,2001]

极地冰盖,可以分为三种:两极均是深海洋(海洋的深度大于冰川的入水深度,冰川不能直接和海洋底相接触)时形成的冰川——海洋冰川,两极均位于大陆时形成的冰川——双极冰川和一极是大陆一极是海洋时形成的冰川——单极冰川。

若极地冰川形成于海洋中,由于海水的水平对流和垂直对流,底层的冰较易熔化,这样,就不容易造成冰雪的累加使冰川加厚,很难形成厚大的冰川。若极地冰川形成于陆地,陆地的导热能力差于水,而保温能力则强于水,且没有对流。这样,就容易造成冰雪的累加使冰川加厚,容易形成厚大的冰川。所以,若两极都是陆地,就形成双极冰川(如第四纪南极和北极冰川同时存在的时期)。若一极是陆地,一极是海洋,则形成单极冰川(如现在的南极冰川)。若两极都是海洋,就不形成厚冰川,直到大气温度足够冷,冰川的边缘和陆地接触,阻止了海水的对流作用,使冰川得以逐渐加厚,才形成厚大冰川。这种冰川一旦形成,就是大面积、大规模的巨大冰川(如元古宙末期地球演化史上最大的冰川)。

2  冰川形成和消融对地球自转的作用

下面,我们以双极冰川为例,具体说明冰川的形成和消融对地球自转的影响。

我们假设冰川形成前,地球处于均衡状态(见图1a)。当冰川形成时,海洋里的水逐渐转移至两极,使水圈变薄,而极地冰川则越来越厚大(见图1a-b)。这样,以南、北极为轴(地轴),地球的半径缩短。因为地轴和地球自转轴基本一致,这样,就造成以地球自转轴为轴心的地球自转半径缩短。

1:冰川形成和消融对地球自转的影响(所有图为通过两极的剖面图)。

A,冰川;B,北极;C,水圈;D,固体地球;E,南极。a,未形成冰川时均衡状态的地球;b,冰川在两极形成,但均衡调整尚未开始;c,处于均衡平衡的地球;d,两极冰川消融,均衡调整尚未开始;e,冰川消融后地球恢复a的均衡状态。

因为冰川形成前后地球的质量没有变化,所以,冰川形成前后地球的自转总动量应不变,即:

P=v+ω=C                               1

(∑P,总动量;∑v,总线动量;∑ω,总角动量; C,常数)。

因为,对于地球上绕自转轴自转的某一质点,则有:

ω=Δφ/Δt=2π/T=2πf                           2

v=Δs/Δt=2πr/T=2πrf                           3

v=ωr                                        4

(ω,角速度;r,自转半径;v,线速度)。由(4)式可知,若角速度不变时,绕自转轴旋转的某一质点的线速度与它的自转半径成正比。

所以,当海水从赤道或中纬度地区转移至两极形成冰川时,假设地球自转的角速度不变,随着其自转半径的缩短(主要由水圈变薄造成),线速度将减小。这样,地球自转的总线动量(∑v)也将减小。

因为∑P=v+ω=C,所以,当∑v减小时,∑ω必然增大。∑ω增大,地球自转的角速度也就必然增大,也即地球的自转必然加快。

简单地说就是,当赤道或中纬度地区的海水转移至极地形成冰川时,导致整个地球的线动量减小,将引起地球自转的角动量增加,使地球自转加快。

冰川形成后,由于大量的冰川质量加于极地地壳上,将造成冰川区域重力正异常(也即大地水准面负异常)。由于地球的均衡作用,在冰川重力的作用下,冰川将和冰川下的地壳一道下陷。由于地球具有软流圈,地球具有固体潮,所以,可以说地球具有一定的流体性。软流圈外是固态的岩石圈。所以,可以把地球看成一个由固态岩石圈圈闭的流体球。根据流体力学原理,液体是不可能压缩的。所以,当冰川和其下的岩石圈下沉时,必然造成地球的膨胀(见图1b-c)。若是单极冰川的形成,单极冰川缓慢作用于地球这个塑性球,将造成冰川所在半球中纬度区域膨胀,相对半球的中纬度地区收缩。若是形成双极冰川,在两极冰川的挤压下,则造成赤道地区膨胀(水圈厚度不变,膨胀主要由固体地球膨胀造成)。总之,不管形成的是单极冰川或双极冰川,都将导致地球赤道及中纬度区域总体上膨胀。由于地球赤道及中纬度区域膨胀,地球自转半径增大,造成线动量增大,这样,要维持总动量不变,角动量将减小,即地球的自转减慢。

当冰川期结束,大气温度升高,极地冰川消融。大量的极地冰川融化流入赤道或中纬度的海洋,将使赤道和中纬度海洋上升。由于海洋上升,使水圈厚度增大,而固体地球没有变化,导致地球的半径增大(见图1c-d),线动量增大,相应地,地球自转的角动量将减小,也即地球自转将减慢。

冰川消融后,冰川区域,由于大量的冰川质量移出,将造成冰川区重力负异常(也即大地水准面正异常)。由于地球的均衡作用,冰川消融后的地区,将逐渐反弹性上升(如现在的斯堪的纳维亚及北美大湖地区)[陶世龙等,1999Stacey, 1992]。由于冰川消融后地壳的上升,地球这个由岩石圈圈闭而成的液体球,体积将缩小,直至恢复冰川形成前的均衡状态(见图1d-e)。由于体积的缩小,地球的自转半径将减小(主要由固体地球缩小造成)。这样,地球的线动量减小,将导致地球角动量增加,也即地球的自转加快。

这样,地球经冰期和间冰期形成一个循环,地球的自转变化也经历一个循环。即:自冰川已形成后,冰川及冰川下地壳一道下降,引起均衡下沉开始作为起点,直至冰川消融后,冰川区地壳反弹性回升开始时为止,这一段时间,为地球赤道及中纬度区域不断膨胀(包括固体地球和水圈),半径不断增大的过程。在这段时间内,地球的自转不断减慢,称为地球自转减慢期

自冰川消融后,冰川区地壳反弹性回升开始时为起点,直至冰川已形成,但冰川及冰川下地壳尚未由于均衡作用而下降时为止,这一段时间,为地球赤道及中纬度不断收缩,半径不断缩短的过程。在这段时间内,地球的自转不断加快,称为地球自转加快期。 

3  冰川形成和消融对地核自转的作用

2900公里处,高速传播的地震横波突然消失,高速传播的纵波也突然减慢,这说明,内地幔是固态,而外核是液态。过渡层和内核又有横波出现,这说明过渡层和内核呈固态[Stevenson, 2003]。这样,地球就呈现出地幔是固态,内核是固态,而内核和地幔之间的外核是液态的结构。

自冰川已形成后,冰川及冰川下地壳一道下降,引起均衡下沉开始作为起点,直至冰川消融后,冰川区地壳反弹性回升开始时为止,由于地球赤道中纬度区域的地幔以外的体积不断膨胀(主要包括地幔、地壳和水圈),半径不断增大,地球的自转减慢。但地核和地幔之间为液态的外核,所以,当地幔的自转速度变慢时,由于惯性的作用,地核(特别是固态内核)仍保持原来的速度自转。这样,就造成地核自转速度比地幔快。地球自转变慢的速度越大,地核相对于地幔变快的速度也就越大。

自冰川消融后,冰川区地壳反弹性回升开始时为起点,直至冰川已形成,但冰川及冰川下地壳尚未由于均衡作用而下降时为止,地球赤道及中纬度地区的体积不断收缩(主要包括地幔、地壳和水圈),半径不断缩短,地球的自转不断加快。 根据以上相同的原理,当地球自转变快时,由于惯性的作用,地核仍保持原来的速度自转。这样,就造成地核自转速度比地幔慢。地球自转速度变快得越快,地核相对于地幔变慢的速度也就越快。

地球自转速度减慢或加快所维持的时间越长,地核相对于地幔自转加快或减慢所维持的时间也越长。

地核这种相对于地幔自转速度加快或减慢所能维持的时间,除与地球自转速度减慢或加快所维持的时间有关外,还与外地核液体的粘性有关。当地球自转速度减慢或加快停止后,地核相对于地幔加快或减慢并不会马上停止,还会维持一段时间。这一段时间维持的长短,与外核液体的粘度有关:液体外核的粘度相当强,甚至成为固态,这时所维持的时间最短,时间为零,即地核相对于地幔没有滞后现象,也没有地核和地幔的相对自转运动;液态外核的粘度相当弱,甚至没有粘度,这时所维持的时间将无限长,即地核永远也不会和地幔的速度一致;在这两个极端之间,液态外核粘度越大,所维持的时间越短,粘度越小,所维持的时间越长。

不管外核液体的粘性如何,它总有一定的粘性,在这个粘性作用下,地核相对地幔的这种自转速度变化,总会越来越小,最终自转速度会和地幔一致。

 

各位若想了解这方面有关的详细情况,请各位参见廖永岩著,海洋出版社20075月版的《地球科学原理》(28.00元)一书。也可以在以下网址找到这本书的详细目录:http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=7010

也可以在以下网址找到有关这本书的部分相关内容:http://www.sciencenet.cn/blog/user_index.aspx?userid=3534

注:本文摘于廖永岩著《地球科学原理》一书

 

参考文献

秦大河,任贾文. 南极冰川学. 北京:科学出版社. 2001. 1-220

陶世龙,万天丰,程捷. 地球科学概论. 北京: 地质出版社. 1999. 89-100

Stacey F D. Physics of the Earth. Third Edition. Brisbane: Brookfiel Press. 1992

Stevenson D. J. Planetary magnetic fields. Earth and Planetary Science Letters, 2003, 208: 1-11

 







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