地球內(nèi)核的自轉(zhuǎn)與地表并不同步。北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院宋曉東教授團(tuán)隊(duì)的最新研究發(fā)現(xiàn)，地球內(nèi)核從1970代初起相對(duì)于地表超速旋轉(zhuǎn)，到2009年左右基本與地表同步，進(jìn)而出現(xiàn)了緩慢的反轉(zhuǎn)比地表旋轉(zhuǎn)速度慢。相關(guān)成果于近日發(fā)表于Nature Geoscience（自然·地球科學(xué)）上，并推測(cè)出地球內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)可能存在70年左右的擺動(dòng)周期。這一研究將對(duì)地球深部的動(dòng)力學(xué)過程和地核地幔的耦合機(jī)制提供全新的約束，有助于我們理解地球深部圈層的運(yùn)行機(jī)制。
從地表到內(nèi)核的耦合共振系統(tǒng)示意圖。其中包括內(nèi)核（差速旋轉(zhuǎn)）、外核（磁場(chǎng)變化）、地幔地殼（日長變化）、地表和大氣（全球平均海平面和氣溫變化）等多個(gè)圈層（和對(duì)應(yīng)的地球物理觀測(cè)）?
地球內(nèi)核的反轉(zhuǎn)與周期震蕩
宋曉東教授來自北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，他和特聘副研究員楊翼博士最新的研究結(jié)果揭示了地球內(nèi)核近七十年來的差速旋轉(zhuǎn)模式的變化。該成果于2023年1月23日正式發(fā)表在Nature Geoscience（自然·地球科學(xué)）上，研究論文題為Multidecadal variation of the Earth’s inner-core rotation，同刊發(fā)表的研究簡文題為Differential rotation of the Earth's inner core changes over decades and has come to near-halt. 兩篇文章的第一作者為楊翼博士，通訊作者為宋曉東教授。
宋曉東教授團(tuán)隊(duì)通過對(duì)大量數(shù)據(jù)的收集和精確分析得出：地球內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)約在2009年接近停止并在此之后開始緩慢地反向旋轉(zhuǎn)，類似的轉(zhuǎn)向現(xiàn)象在上世紀(jì)70年代初期曾有出現(xiàn)，意味著內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)很可能存在周期為六七十年左右的震蕩模式。
把地球作為一個(gè)系統(tǒng)來看，地球內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)變化可能會(huì)在長周期上（幾十年周期）對(duì)地球的磁場(chǎng)、自轉(zhuǎn)、氣候等方面產(chǎn)生影響。目前，人類對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的相互聯(lián)系還尚不清楚。宋曉東教授團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究，是全世界首次將地球地表變化與地心變化相聯(lián)系的關(guān)鍵工作。研究結(jié)果將對(duì)地球深部的動(dòng)力學(xué)過程和地核地幔的耦合機(jī)制提供全新的約束，有助于我們理解地球深部圈層的運(yùn)行機(jī)制。
用地震波給地球“把脈”
為了弄清楚地球內(nèi)部構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，宋曉東教授團(tuán)隊(duì)采用了“重復(fù)地震”的研究方法，即通過觀察對(duì)比同一臺(tái)站記錄到的發(fā)生在同一地點(diǎn)的不同時(shí)間的多次地震的地震波，對(duì)地球內(nèi)部進(jìn)行分析。宋曉東教授團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到，有些通過地球內(nèi)核的地震波的波形和傳播時(shí)間發(fā)生系統(tǒng)性的變化，由此推測(cè)出地球內(nèi)核的變化。這與人們更熟悉的大氣擾動(dòng)造成星星閃爍的現(xiàn)象是類似的。
重復(fù)地震的內(nèi)核信號(hào)隨時(shí)間變化示例圖。在1998年到2004年間，地震波的波形存在明顯的變化，而在2009到2017年間，并未觀測(cè)到波形的變化。不經(jīng)過內(nèi)核的波形一直保持不變（圖b中的BC震相）?
地震為何能幫助我們了解地球內(nèi)部呢？因?yàn)榈卣鸩梢酝ㄟ^地球內(nèi)部傳播，而地球內(nèi)部的不同結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)地震波的傳播造成不同的影響，因此，地震就像一盞燈，讓地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和過程可以被觀測(cè)到。
宋曉東教授在攻讀博士學(xué)位時(shí)，就開始應(yīng)用對(duì)地震波的分析來研究地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。1996年，正在從事博士后研究工作的宋曉東對(duì)同一區(qū)域的地震傳遞到地表同一臺(tái)站的地震波進(jìn)行了觀測(cè)分析。這些地震波，有一些是從震源經(jīng)過了內(nèi)核后傳播到臺(tái)站，另一些則沒有通過內(nèi)核。宋曉東發(fā)現(xiàn)，那些穿透內(nèi)核的地震波的走時(shí)隨發(fā)震時(shí)間發(fā)生系統(tǒng)變化。這一現(xiàn)象可以被解釋為地球外核產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)內(nèi)核施加的電磁力矩驅(qū)動(dòng)內(nèi)核超速旋轉(zhuǎn)所致。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)在頂尖科學(xué)雜志Nature上作為封面文章發(fā)表，被Science雜志評(píng)為當(dāng)年十大科學(xué)突破之一，并被美國Discover雜志評(píng)為二十世紀(jì)最重要的發(fā)現(xiàn)之一。
1996年《自然》雜志的封面文章，宋曉東和Paul Richards首次觀測(cè)到地球內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)的證據(jù)?
不過，彼時(shí)的方法仍有較大局限。由于是觀察單次地震，地震波隨時(shí)間變化的真實(shí)性、地震波變化的原因、數(shù)據(jù)和證據(jù)的可靠性等等都有待進(jìn)一步驗(yàn)證。一直有相關(guān)的科研工作者認(rèn)為這一成果中觀測(cè)到的地震波變化并非是由地球內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致，而是地震震源隨時(shí)間的系統(tǒng)變化等外在原因所致。2005年，宋曉東教授和合作者采用“重復(fù)地震”的方法，證實(shí)了穿過內(nèi)核的地震波的時(shí)變性，有力地支持了內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)這一發(fā)現(xiàn)。相關(guān)成果發(fā)表于Science雜志，結(jié)束了一場(chǎng)為期9年的爭(zhēng)論，被美國Discover雜志評(píng)為當(dāng)年最重要的100個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。
如今，研究團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上盡可能地尋找更多更大范圍的數(shù)據(jù)。宋曉東教授介紹，這次發(fā)表的成果中用到的數(shù)據(jù)所覆蓋的時(shí)間也是目前世界所有研究中最長的：“咱們喜歡說厚積薄發(fā)，這次的成果確實(shí)是這樣的。相比之下，1996年的發(fā)現(xiàn)更像是靈感與偶然?！?/p>
科學(xué)追求、深耕不輟
談及這項(xiàng)成果對(duì)我們當(dāng)下的生活有何意義，宋曉東教授坦率地表示它距離我們的日常生活還很遠(yuǎn)。地球科學(xué)博大精深，地球內(nèi)核隱秘而遙不可及，其影響更無從談起，這也是人們希望理解深地科學(xué)的重要原因。不過對(duì)科學(xué)的好奇和執(zhí)著一直驅(qū)使著宋曉東教授在地球科學(xué)的領(lǐng)域深耕不輟。宋曉東教授認(rèn)為，基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)的研究各有各的地位而又相互關(guān)聯(lián)。比如對(duì)地球深部的研究，雖然沒有立竿見影的應(yīng)用價(jià)值，但卻可以滿足人類探索未知世界的好奇心，是人類最基本知識(shí)的積累和培養(yǎng)新一代科學(xué)家和科學(xué)公民的重要部分。另一方面，從長時(shí)間的地質(zhì)演化到瞬間的地質(zhì)事件（如地震和火山爆發(fā)），地球深部動(dòng)力學(xué)都與地表環(huán)境和資源緊密相連，因而對(duì)地球深部的研究也將為相應(yīng)的應(yīng)用科學(xué)提供支持。
“對(duì)于知識(shí)的追求是具有高等智慧的人類的基本需求。對(duì)這顆我們生于斯、長于斯的星球進(jìn)行了解和探究，是我們需要做的一件基本的事，也是探索類地星球的基礎(chǔ)?！?/p>
宋曉東教授從事地球內(nèi)核研究已經(jīng)有30多年，1994年在美國加州理工學(xué)院獲得博士學(xué)位，1999年成為美國伊利諾伊大學(xué)教授，并從90年代末開始，就與我國多個(gè)科研院所和高校開展合作。宋曉東教授探索地球內(nèi)部奧秘的腳步一直沒有停歇。除卻前文提到的成果之外，宋曉東教授及合作者多年來陸續(xù)在頂尖學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表一系列關(guān)于地球內(nèi)核的原創(chuàng)科研成果，孜孜以求于不斷為人類探索地球深部的真實(shí)奧秘。
1998年，宋曉東教授在Science上發(fā)表論文，提出了地球內(nèi)核呈層狀分布的理論，說明內(nèi)核的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜。2015年宋曉東教授南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用大地震尾波自相關(guān)技術(shù)發(fā)現(xiàn)地球內(nèi)核中存在內(nèi)內(nèi)核，其各向異性對(duì)稱軸和形態(tài)與外內(nèi)核不同，該研究成果在Nature Geoscience上發(fā)表。此工作被中科院科學(xué)發(fā)展報(bào)告選為“2015年中國科學(xué)代表性成果”之一；被大英百科全書選為代表性工作Year in Review 2015。這一成果是人類認(rèn)識(shí)地球內(nèi)核之心獨(dú)特性質(zhì)的開創(chuàng)性成果。2022年國際著名期刊Science發(fā)表“科學(xué)家們正在探索內(nèi)核的秘密——并了解它如何拯救地球上的生命”為題的特寫新聞報(bào)道，專訪了宋曉東教授，以較大篇幅重點(diǎn)闡述了宋教授多年以來、以及與楊翼博士后最新的相關(guān)研究工作。
作為全球著名的地球物理學(xué)家，宋曉東教授不僅推動(dòng)了地核研究的發(fā)展，更是地球內(nèi)核諸多突破的開拓者。當(dāng)祖國需要尖端人才時(shí)，宋曉東教授毅然放棄了美國終身教授職位，于2020年全職回到祖國，出任北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院講席教授，積極參與祖國地球物理學(xué)科的建設(shè)和發(fā)展。宋曉東教授希望能夠在北大做出有世界影響性的研究成果，希望能夠培養(yǎng)出高水平的科研人才：????
“我的成長，一路上受到了很多前輩和老師的指導(dǎo)和提攜；我也希望能夠?qū)δ贻p人有所幫助，讓他們成才，不是說找一個(gè)好的工作（那是一個(gè)水到渠成的過程），而是說要成為領(lǐng)導(dǎo)世界潮流的頂尖人才。”
宋曉東教授北大團(tuán)隊(duì)合照（2022年）
來到北大后，宋曉東教授很快地建立了自己的團(tuán)隊(duì)，吸引了不少非常優(yōu)秀的學(xué)生和博士后。團(tuán)隊(duì)成員之間積極交流，形成了活躍的學(xué)術(shù)討論氛圍。同時(shí)，看重學(xué)科融合的北大也給予了宋曉東教授團(tuán)隊(duì)廣闊自由的交叉空間，比如來自地球物理、地質(zhì)、人工智能等專業(yè)的老師以及中國地質(zhì)科學(xué)院、中國科學(xué)院、中國地震局等相關(guān)院所和高校的同事，和他們的交流思考，也促進(jìn)了這項(xiàng)工作的推進(jìn)和完成。
本次地球內(nèi)核旋轉(zhuǎn)變化的研究成果發(fā)表之后，受到了國內(nèi)外媒體的廣泛關(guān)注，包括自然資源部動(dòng)態(tài)新聞、中國科技網(wǎng)、今日頭條、網(wǎng)易新聞、《科技日?qǐng)?bào)》《參考消息》《南華早報(bào)》；新加坡的《聯(lián)合早報(bào)》；英國的BBC、《自然》《每日電訊報(bào)》；美國的CNN、《紐約時(shí)報(bào)》《華盛頓郵報(bào)》《華爾街日?qǐng)?bào)》《科學(xué)美國人》；日本的《日本時(shí)報(bào)》；俄羅斯全國廣播電視；澳大利亞的《澳大利亞人報(bào)》；印度的《印度快報(bào)》；以及德國、西班牙等國際主流媒體。
宋曉東教授團(tuán)隊(duì)，堅(jiān)守著基礎(chǔ)學(xué)科的陣地，埋首書海與實(shí)驗(yàn)卻思接千里，或仰望億萬光年的太空，或深入不為人知的地心。探求世界的未知和奧秘正是這樣一份好奇和堅(jiān)持，匯聚成智慧之光，向未知不斷前進(jìn)。
人物介紹
宋曉東
著名地球物理學(xué)家，北京大學(xué)講席教授。主要從事地震學(xué)、地球深內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)、東亞地區(qū)深部結(jié)構(gòu)和區(qū)域構(gòu)造、及地震災(zāi)害的研究。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球物理學(xué)士學(xué)位，中國石油勘探開發(fā)院研究生，美國加州理工學(xué)院地球物理學(xué)博士學(xué)位（計(jì)算機(jī)副科）。曾經(jīng)為美國哥倫比亞大學(xué)博士后、副研究員和講師，美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校助理教授、終身副教授、終身正教授；南京大學(xué)、武漢大學(xué)、北京大學(xué)國家級(jí)訪問教授，中國地震局、預(yù)測(cè)所、地球物理所兼職研究員。 他與合作者的重要研究成果包括地球內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)與變化、分層結(jié)構(gòu)、內(nèi)內(nèi)核赤道向各向異性的發(fā)現(xiàn)、中國巖石圈成像、及青藏高原南部印度板塊巖石結(jié)構(gòu)與地殼變形的聯(lián)系。已發(fā)表論文110余篇，包括以第一或通訊作者在Nature/Science/Nature Geoscience/PNAS發(fā)表論文8篇。曾獲美國PopularScience雜志的科技獎(jiǎng)，國際地球物理和測(cè)地學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUGG)地球深部委員會(huì)(SEDI)青年科學(xué)家Doornbos獎(jiǎng)，首屆中國海外杰出青年基金(B類)資助，亞太地球物理學(xué)會(huì)(AOGS SE)杰出講座。他曾任美國國際地震研究協(xié)會(huì)(IRIS)全球地震臺(tái)網(wǎng)(GSN)常委員會(huì)主席，國際中國地球科學(xué)促進(jìn)會(huì)(IPACES)主席，曾任或現(xiàn)任Earthquake Science主編和Earth and Planetary Physics、世界地震譯叢、地質(zhì)學(xué)報(bào)（Geologic Sinica）等副主編?，F(xiàn)任中國地震學(xué)會(huì)地震學(xué)專業(yè)委員會(huì)主任，“特大地震和災(zāi)害鏈預(yù)測(cè)”重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，中國地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)人工智能首席科學(xué)家，及多個(gè)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)學(xué)術(shù)委員會(huì)成員。
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