Der „zweiseitige“ innere Kern der Erde rotiert schneller als die Oberfläche

Was verursacht die unterschiedliche Rotation des Erdkerns? Experten weisen darauf hin, dass sich der innere Erdkern unter der Einwirkung eines äußeren Drehmoments relativ zum Erdmantel dreht, was dazu führt, dass sich der innere Kern mit einer anderen Geschwindigkeit als die Erde dreht. Diese äußere Kraft könnte durch die Kopplung des Erdmagnetfelds an den inneren Kern und die Gravitationskopplung zwischen Erdmantel und innerem Kern entstehen.

Kürzlich analysierte ein Forscherteam der University of Southern California seismische Wellendaten aus der Zeit fast sechs Jahre nach zwei unterirdischen Atomtests in den Jahren 1969 und 1971 erneut und fand heraus, dass die Rotationsgeschwindigkeit des inneren Erdkerns zwischen 1969 und 1971 um 0,1 Grad langsamer war als die der Erde als Ganzes und zwischen 1971 und 1974 um 0,29 Grad schneller als die der Erde. Damit haben Wissenschaftler erstmals durch seismische Beobachtungen die Theorie bestätigt, dass der innere Erdkern in einem Sechsjahreszyklus schwingt.

Warum sind der innere Erdkern und die Rotationsgeschwindigkeit der Erde inkonsistent? Gibt es dieses Phänomen auch bei anderen Himmelskörpern im Universum? Wie können Wissenschaftler die inneren Bedingungen von Himmelskörpern „durchschauen“?

Der innere Kern der Erde wird als „Planet im Planeten“ bezeichnet.

Viele Menschen glauben, dass die Erde ein Ganzes sein sollte und dass die Rotationsgeschwindigkeit und -richtung des inneren Kerns mit der Erde übereinstimmen sollten. Aber das ist nicht der Fall. „Seit ihrer Entstehung hat die Erde eine Vielzahl dynamischer Prozesse durchlaufen, wie etwa die Ansammlung von Planetesimalen, Sedimentationsdifferenzierung, Abkühlung des Magmaozeans und der Erdkruste, die zur Bildung einer geschichteten Struktur von außen nach innen geführt haben, einschließlich Kruste, Mantel, flüssigem äußeren Kern, festem inneren Kern usw., ähnlich einer Zwiebel oder einem gekochten Ei“, sagte Ping Jinsong, Forscher am Nationalen Astronomischen Observatorium der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Song Xiaodong, Geophysiker und Professor an der Peking-Universität, erklärte gegenüber Science and Technology Daily, dass sich die Erde als Himmelskörper als Ganzes dreht. aber auf der Grundlage früherer Beobachtungen weisen die Rotationsgeschwindigkeiten des inneren Erdkerns und der Erde selbst geringfügig unterschiedliche Werte auf, und dies ist die „differenzielle Rotation“ des inneren Kerns. Daher wird der innere Kern der Erde auch als „Planet im Planeten“ bezeichnet. Aktuelle Daten zeigen, dass die Rotationsgeschwindigkeit der Erde und ihres inneren Kerns um etwa 0,1 Grad pro Jahr abweicht, diese Geschwindigkeit dürfte sich jedoch im Laufe der Zeit ändern.

Was verursacht die unterschiedliche Rotation des Erdkerns? Song Xiaodong wies darauf hin, dass sich der innere Erdkern unter der Einwirkung eines äußeren Drehmoments relativ zum Erdmantel dreht, was dazu führt, dass sich der innere Kern mit einer anderen Geschwindigkeit als die Erde dreht. Diese äußere Kraft könnte durch die Kopplung des Erdmagnetfelds an den inneren Kern und die Gravitationskopplung zwischen Erdmantel und innerem Kern entstehen. Theoretisch könnte sich der innere Kern schneller oder etwas langsamer als die Erde drehen.

Der Reporter erfuhr, dass das derzeit gängige theoretische Modell der Kernforschung davon ausgeht, dass die Rotationsgeschwindigkeit des inneren Erdkerns konstant ist und dass die Erdrotation mit einer Periode von etwa 6 Jahren (5,9 Jahren) oszilliert. Zur Erklärung des Mechanismus der Sechsjahresperioden-Schwingung haben Wissenschaftler eine Reihe von Spekulationen angestellt, darunter geomagnetische Anomalien im Inneren der Erde, Kern-Mantel-Kopplungsschwingungen und Schwingungen im inneren Erdkern.

Doch zu Beginn dieses Jahrhunderts entdeckte das Team um Ping Jinsong, das die festen Gezeiten der Erdrotation untersuchte, anhand von Langzeitdaten der festen Gezeiten eine Schwingungsperiode des inneren Erdkerns von 11,5 bis 12 Jahren, was mit der Umlaufzeit des Jupiters übereinstimmt. „Die 5,9-jährige Umlaufzeit der Erde entspricht genau der Hälfte der Umlaufzeit des Jupiters.“ Ping Jinsong glaubt, dass es die periodischen Änderungen des Drehmoments auf die Erdkruste und den Erdmantel sind, die durch die Konjunktion von Jupiter und Sonne verursacht werden und die zu Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit des inneren Erdkerns führen.

Die Rotationsgeschwindigkeit des inneren Erdkerns kann etwas höher sein als die des Erdmantels, bleibt aber stets konstant. Die Rotation von Erdkruste und Erdmantel wird durch innere und äußere Drehmomente, Belastungen und andere Faktoren beeinflusst. Die Rotationsgeschwindigkeit kann schnell oder langsam erscheinen, oder die relative Richtung kann sich ändern. Ping Jinsong sagte, dass die Veränderungen der Erdrotation aufgrund der Einflüsse zahlreicher Faktoren nicht einfach vorhergesagt oder prognostiziert werden könnten.

Ping Jinsong wies darauf hin, dass neben der Erde auch Begleitplaneten mit einem der Erde ähnlichen inneren Aufbau, wie etwa der Mond, aber auch Venus, Mars und Satelliten von Gasplaneten, Zwergplaneten usw., schneller oder langsamer rotieren oder ihre Richtung ändern können.

Unter anderem haben Menschen die Erde-Mond-Laserentfernungsmessungstechnologie verwendet, um die Veränderungen der Mondrotationsperiode seit etwa 50 Jahren kontinuierlich zu beobachten. In den letzten Jahren wurden die Rotationsänderungen des Mars auch durch die Mikrowellenverbindung zwischen Satellit und Boden der Raumsonde „Insight“ bestätigt.

Li Gang, Postdoktorand am Institut für Astrophysik und Planetologie im französischen Toulouse, fügte hinzu, dass es auch Unterschiede in der Rotationsgeschwindigkeit zwischen den Schichten im Inneren eines Sterns gebe, was als „differenzielle Rotation“ bezeichnet werde. Astronomen haben entdeckt, dass eine differenzielle Rotation bei Objekten von Weißen Zwergen und Neutronensternen bis hin zu Sternhaufen und Galaxien existiert. Nehmen wir die Sonne als Beispiel: In einer Tiefe von 0,7 Sonnenradien gibt es einen Bereich mit einer Dicke von 0,04 Sonnenradien, der als „Schicht der differentiellen Rotation“ bezeichnet wird. Mit dieser Region als Grenze ändert sich die Rotation der Sonne dramatisch: Innerhalb der Schicht der differentiellen Rotation ist die differentielle Rotation der Sonne nicht sehr deutlich; Außerhalb der Schicht der differentiellen Rotation weist die Sonne in unterschiedlichen Tiefen und Breitengraden eine sehr deutliche differentielle Rotation auf.

Das "Temperament" eines Himmelskörpers hängt eng mit seinem Kern zusammen

Verfügen alle Planetenkerne über einen Differentialrotationsmechanismus? Ping Jinsong stellte vor, dass es drei Haupttypen von Planetenkernen gibt, nämlich feste Kerne, flüssige Kerne und eine Kombination aus flüssigem äußeren Kern und festem inneren Kern. Der innere Erdkern gehört zur dritten Kategorie, die einen riesigen flüssigen äußeren Kern und einen festen inneren Kern umfasst, der reich an Eisen und Nickel ist.

Planeten mit festem Kern und solche mit flüssigem Kern haben unterschiedliche „Temperamente“. Ping Jinsong wies darauf hin, dass bei Planeten mit festem Kern die Rotation des Kerns mit der des gesamten Planeten synchronisiert ist. Bei Planeten mit einem flüssigen äußeren Kern oder einer flüssigen oder halbflüssigen Kern-Mantel-Grenze kann die Rotation ihres festen inneren Kerns oder festen Kerns asynchron zur Mantelrotation erfolgen.

Ein Planet mit flüssigem Kern befindet sich höchstwahrscheinlich in einem frühen Stadium der Planetenentstehung. Seine Rotation ähnelt ein wenig der eines sich drehenden rohen Eis, mit hoher Rotationsgeschwindigkeit und instabiler Richtung und Geschwindigkeit. Während die Energie abnimmt und abklingt und die Schichten erstarren, verlangsamt sich die Rotationsgeschwindigkeit allmählich und stabilisiert sich.

Wie sieht also der Kern eines Sterns aus? Li Gang sagte, dass Sterne normalerweise einen Kern haben, in dem Kernreaktionen stattfinden. Allerdings unterscheiden sich die Kerne von Sternen unterschiedlichen Alters erheblich. Er nannte als Beispiel, dass Sterne wie die Sonne, die sich in ihrer Blütezeit befinden, Kerne haben, die Wasserstoff verbrennen; Bei alten Sternen hingegen haben manche Kerne möglicherweise aufgehört zu brennen, aber der Kern ist von einer brennenden Hülle umgeben. bei manchen könnte der Kern erneut gezündet werden und Helium oder schwerere Elemente weiter verbrennen; andere sterben möglicherweise irgendwann ab, sodass nur ein Kern übrig bleibt, der ausbrennt und langsam abkühlt.

„Die Eigenschaften des Sternkerns bestimmen direkt das Aussehen des Sterns.“ Li Gang erklärte, dass die meisten alten Sterne im Vergleich zur Sonne kühler, aber heller seien. Während tote Sterne wie Weiße Zwerge und Neutronensterne zwar schwach erscheinen, aber höhere Temperaturen aufweisen.

Mit Stoßwellen in den Kern von Himmelskörpern blicken

Wie ermitteln Wissenschaftler die Rotationsrichtung des Kerns eines Himmelskörpers durch die Oberfläche des Himmelskörpers?

Song Xiaodong erklärte Reportern, dass Wissenschaftler seismische Wellen nutzen, um die verschiedenen physikalischen Eigenschaften des inneren Erdkerns zu ermitteln. Er erklärte, dass nach einem Erdbeben auf der Erde seismische Wellen entstehen und sich tief in die Erde hinein ausbreiten. Durch die Untersuchung der Ausbreitungsgeschwindigkeit und anderer Eigenschaften seismischer Wellen können wir die strukturelle Schichtung und die Bewegungsbedingungen tief im Inneren der Erde verstehen.

Im Jahr 1996 beobachteten Song Xiaodong und sein Team erstmals Veränderungen in der Zeit und Geschwindigkeit seismischer Wellen, die den inneren Erdkern durchquerten, und schlussfolgerten daraus, dass sich der innere Erdkern relativ zum Erdmantel dreht. Allerdings besteht weiterhin Unsicherheit hinsichtlich der Rotationsgeschwindigkeit des inneren Erdkerns, da sich die Rotationsgeschwindigkeit selbst wahrscheinlich ändert.

Ping Jinsong wies darauf hin, dass die Methode, seismische Wellen zur Erkundung des Inneren von Himmelskörpern zu verwenden, sehr verbreitet sei. Wissenschaftler nutzten es im 19. Jahrhundert, um den Schichtaufbau der Erde zu erkennen. In den 1970er Jahren nutzte die US-Monderkundungsmission seismische Wellen, um die innere Schichtstruktur des Mondes zu erforschen. In den letzten Jahren wurde es von der europäischen Marserkundungsmission genutzt, um die innere Struktur des Mars zu erforschen.

Bei Sternen ist es für Astronomen schwieriger, deren innere Struktur direkt zu beobachten. Daher verwenden sie die „Asteroseismologie“, um das Innere von Sternen zu erforschen.

Li Gang sagte, dass die Asteroseismologie der Seismologie sehr ähnlich sei. Beide Disziplinen könnten Rückschlüsse auf die innere Struktur von Himmelskörpern ziehen, indem sie die Schwingungswellen im Inneren der Himmelskörper untersuchen. Das sei ein bisschen so, als würden wir im Alltag durch „Anklopfen“ einer Wassermelone feststellen, ob sie reif ist. Der Unterschied zwischen Sternbeben und Erdbeben besteht jedoch darin, dass es sich bei Sternbeben um kontinuierliche Schwingungen handelt, während Erdbeben nur gelegentlich auftreten. Die Stoßwellen des Sterns komprimieren das Gas lokal und führen zu Veränderungen der Temperatur und Helligkeit des Sterns. Aufgrund dieser Eigenschaft beobachten Astronomen die Schwingungen von Sternen, indem sie über einen langen Zeitraum hinweg Änderungen ihrer Helligkeit überwachen und die Frequenz der Schwingungen messen.

Die Schwingungsfrequenz eines Sterns variiert aufgrund von Störungen verschiedener physikalischer Prozesse in seinem Inneren. „Wenn Sie beispielsweise mit den Händen auf eine reife und eine unreife Wassermelone klopfen, hören Sie unterschiedliche Geräusche.“ Li Gang sagte, dass Astronomen verschiedene physikalische Eigenschaften von Sternen, wie etwa die Rotationsgeschwindigkeit und die Elementverteilung im Inneren des Sterns, durch hochpräzise Frequenzmessungen und detaillierte Schlussfolgerungen aus physikalischen Modellen berechnen.

Bei Roten Riesen beispielsweise, die beim Altern von Sternen entstehen, entdeckten Astronomen durch die Analyse der Vibrationssignale einiger Roter Riesen, dass diese ein sehr starkes differentielles Rotationsphänomen aufweisen und dass die Rotationsgeschwindigkeit ihres inneren Kerns im Allgemeinen Dutzende Male schneller ist als die der Oberfläche.