Nature：地幔与内核间的引力耦合驱动地球自转速率十年尺度变化

地球自转的变化主要分为自转轴瞬时位置(通常称为极移)和速率的变化，其中自转速率的变化使用日长（Length of day, LOD）来表示。由于地球自转变化的不规则性，没有一天是标准的24小时（图1）。基于物理学中角动量守恒原理，日长变化主要受控于地球系统各圈层之间的角动量交换 (地核角动量、固体地球角动量、地表流体圈层角动量)。其中，十年尺度的LOD变化可达到毫秒量级，已有研究认为这一时间尺度的LOD变化主要与地核和地幔之间的角动量交换有关（Lambeck, 1980; Jault et al., 1988）。这种角动量交换涉及多种耦合机制。例如，外核表面流体运动可产生黏滞耦合，但由于外核的黏滞系数很小，其作用通常可以忽略；导电的外核流体运动切割核幔边界（core-mantle boundary, CMB）附近的磁场线，可产生电磁耦合；外核流体挤压CMB不规则地形起伏可引起地形耦合；此外，内核与地幔间的质量分布异常还可产生引力耦合(Buffett & Creager 1999; Kuang & Chao 2003)。然而，前人的研究大多针对单一耦合机制进行预测，且多数预测结果无法完全解释观测到的LOD变化。目前，仍缺乏对多种耦合机制相对贡献的系统性定量分析。

图1 日长观测时间序列。黑色曲线表示观测值，红色曲线表示长趋势。数据来源于IERS网站(国际地球自转服务)和Xu and Li (2022)

最近，加拿大阿尔伯塔大学博士生张惠凤与Mathieu Dumberry教授通过结合LOD观测、地震学推演的内核差速旋转模型以及地磁场观测反演的外核表面速度场模型，对不同核幔耦合机制产生的力矩进行了定量比较。研究结果表明，1964～2019年约60～70年尺度的多年代际LOD变化主要跟内核和地幔间的引力力矩有关，而CMB处的电磁力矩和地形力矩主要起阻碍作用，但二者的相对贡献未能唯一确定。

作者首先利用国际地球自转服务(International Earth Rotation and Reference Systems Service, IERS)提供的LOD观测数据，扣除大气和海洋角动量、日月潮汐、冰后回弹和地表水变化等影响，提取地核-地幔角动量交换导致的自转变化信号，并通过低通滤波获得多年代际信号。在此基础上，将LOD变化转换为作用于地幔的等效力矩，并分别根据内核差速旋转模型和外核表面速度场模型计算作用在地幔上的引力力矩和电磁、地形力矩。结果表明，虽然电磁和地形力矩可以解释LOD变化所需的量级，但与观测LOD之间存在显著的相位差，仅改变耦合强度无法消除这一差异。相比之下，引力力矩在量级和相位上均与观测LOD具有较好的一致性（图2）。作者采用贝叶斯推理，对引力耦合强度、内核黏性弛豫时间以及CMB耦合参数（来自电磁耦合或者地形耦合）进行联合反演。反演结果表明，无论采用“电磁耦合+引力耦合”模型还是“地形耦合+引力耦合”模型，均可找到高概率分布的参数范围，较好地拟合观测LOD，且引力力矩相位变化与观测一致，电磁和地形力矩与观测反相，因此地幔和地核之间的引力耦合在1964～2019年的多年代际LOD变化中占主导作用（图3）。

图2 日长的十年际变化与作用在地幔上的力矩

图3 基于多链蒙特卡洛方法收敛后的高概率样本预测得到的1964～2019年LOD变化及作用在地幔的力矩。左列表示为引力耦合和电磁耦合共同作用的结果，右列表示引力耦合和地形耦合共同作用的结果

引力耦合来源于内核与地幔之间的质量分布异常。内核边界具有明显的二阶形变，其长轴倾向于与地幔大尺度质量异常产生的引力势保持平衡 (e.g., Lecomte et al., 2023)。当内核相对于地幔发生差速旋转时，内核的长轴偏离平衡方向，从而产生引力力矩。作者结合基于地震学观测推演得到的内核差速旋转模型，并考虑内核的黏性变形，计算内核长轴相对于地幔引力势的夹角及其对应的时变引力力矩。进一步分析表明，过去约70年来，CMB处的液核纬向流动存在明显的多年代际变化。在分别以1967年和2002年为中心，长度约35年的两个时间窗口内，切圆柱内外的时变纬向流方向相反。这种地核流动变化可能通过ICB处的电磁耦合影响内核旋转，进而调节地幔和内核之间的引力力矩（图4）。不过，作者指出目前尚不能确定这种约70年的地核流动变化是否具有稳定周期性。

图4 多年代际时变纬向地核流动与地幔力矩示意图

此外，LOD变化可以用于间接约束地球深部结构和深部物质的流变性质。反演得到的引力耦合强度与CMB处的二阶非轴对称形变有关，其结果对应几十米量级的CMB形变和十几米量级的ICB形变 (e.g., Vidale et al., 2025)。结合地幔对流模拟，作者认为这种深部结构特征与地幔底部大型低波速区（LLVPs）所对应的热化学堆以及低黏度后钙钛矿层相一致 (e.g., Deschamps et al., 2026)。此外，内核黏性弛豫时间可以推导其黏度系数，其结果与实验、理论计算和地震学研究得到的估计较一致。如果CMB力矩主要由电磁耦合产生，结果支持CMB附近存在富铁高导电层；若主要由地形耦合产生，则可进一步约束外核顶部的稳定分层。需要注意的是，该研究主要解释多年代际LOD变化，并未对更短时间尺度的自转变化的机制进行解释。总体而言，该研究将长期LOD观测与地震学和地磁学观测相结合，为利用地球自转变化探测下地幔结构、内核流变性质以及地球深部动力学过程提供了一种新的研究途径。

主要参考文献

Buffett B A, Creager K C. A comparison of geodetic and seismic estimates of inner‐core rotation[J]. Geophysical Research Letters, 1999, 26(10): 1509-1512.

Deschamps F, Guerrero J M, Amit H, et al. Negative core–mantle boundary heat flux beneath low-shear-wave-velocity provinces[J]. Nature Geoscience, 2026, 19: 980-985.

Jault D, Gire C, Le Mouël J L. Westward drift, core motions and exchanges of angular momentum between core and mantle[J]. Nature, 1988, 333(6171): 353-356.

Kuang W, Chao B F. Geodynamo modeling and core‐mantle interactions//Earth's Core: Dynamics, Structure, Rotation, 2003, 31: 193-212.

Lambeck K. The Earth’s Variable Rotation[B]. Cambridge University Press, 1980.

Lecomte H, Rosat S, Mandea M, et al. Gravitational constraints on the Earth's inner core differential rotation[J]. Geophysical Research Letters, 2023, 50(23): e2023GL104790.

Xu C, Li J. Seismic contributions to secular changes in global geodynamic parameters[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2022, 127(8): e2022JB024590.

Vidale J E, Wang W, Wang R, et al. Annual-scale variability in both the rotation rate and near surface of Earth’s inner core[J]. Nature Geoscience, 2025, 18(3): 267-272.

Zhang H, Dumberry M. Gravitational torque drives multidecadal variations in length of day[J]. Nature, 2026: 1-6.

（撰稿：徐长仪、王巍/地球与行星物理学科中心）