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내부 코어 초회전

Inner core super-rotation
내측핵(흰색)과 외측핵(노란색)을 보여주는 지구의 절단면

내심 초회전(inner core super-rotation)은 지구 전체보다 빠른 순회전 속도를 위해 그 맨틀에 상대적인 지구 내심(inner core)의 진정한 동회전이다.1995년 지구 발전기 모델은 연간 최대 3도의 초회전을 예측했고, 이듬해에는 p파가 내측과 외측 코어를 통과하는 데 걸리는 시간의 불일치가 관찰되어 이 예측을 뒷받침했다.

지진 관측은 속도의 공간적 변화뿐만 아니라 내심 내진파 속도의 방향 의존성(비등변성)을 이용했다.다른 추정치는 지구의 자유 진동에서 나온다.결과는 일관성이 없고 초회전제의 존재는 여전히 논란거리지만, 아마도 1년에 0.1도 미만일 것이다.

지오디나모 모델들이 내부 중심부와 맨틀 사이의 중력 결합을 고려할 때, 그것은 예측된 초회전율을 백만 년당 1도 정도로 낮춘다.중력 결합에도 불구하고 내부 코어가 회전하기 위해서는 형상을 바꿀 수 있어야 하며, 이는 점도에 제약을 가한다.

배경

지구의 중심에는 주로 철로 구성된 평균 반지름이 3480km인 공이 핵심이다.외부 핵은 액체인 반면, 반경 1220km의 내부 은 고체다.[1]외부 핵은 점도가 낮기 때문에 맨틀이나 지각과는 다른 속도로 회전할 수 있다.이 가능성은 1975년에 웨스트워드 드리프트라고 불리는 지구의 자기장의 현상을 설명하기 위해 처음 제안되었다: 그장의 어떤 부분은 지구 표면에 대해 매년 서쪽으로 0.2도 회전한다.1981년 리즈 대학데이비드 구빈스는 내측과 외측 핵의 차등 회전은 공유 경계 부근에 큰 토로이드 자기장을 생성하여 내측 핵이 서쪽으로 표류하는 속도로 가속될 수 있다고 예측하였다.[2]이것은 동쪽에 있는 지구의 자전에 반대하기 때문에 전체적인 자전은 더 느릴 것이다.[3]

1995년 로스 알라모스의 게리 글래츠마이어와 UCLA의 폴 로버츠가 코어 안에 있는 다이너모의 최초의 "자존적인" 3차원 모델을 발표했다.[5]이 모델은 내부 중심부가 초회전(super-rotation)으로 알려지게 된 현상인 맨틀보다 1년에 3도 더 빨리 회전한다고 예측했다.[6][7] 1996년, 샤오동 송, 폴 G.라몬트-도허티 지구 관측소의 과학자인 리차드는 연간 0.4~1.8도의 초회전율에 대한 지진 증거를 제시했고,[8][9] 또 다른 연구에서는 초회전을 연간 3도로 추정했다.[10]

지진 관측

PKP(BC) 및 PKP(DF) 파형의 개략도
알래스카와 거의 대척점에 가까운 사우스 샌드위치 제도의 위치.

내부 중심 회전에 대한 주요 관찰 제약조건은 지진학에서 온다.지진이 발생할 때, 두 종류의 지진파가 지구를 따라 이동하는데, 그것은 파동이 전파하는 방향으로 지상이동을 하는 것과 횡단운동을 하는 것이다.S파는 액체에서 일어날 수 없는 변형의 일종인 전단 응력을 수반하기 때문에 외부 코어를 통해 이동하지 않는다.지진 표기법에서 p-파는 지각과 맨틀을 통과할 때 문자 P로, 외부 중심부를 통과할 때 문자 K로 표현된다.표면에 도달하기 전에 맨틀, 코어, 맨틀을 다시 통과하는 파동은 PKP로 표현된다.기하학적 이유로 PKP의 두 가지 분기는 외부 코어 상부를 통한 PKP(AB)와 하부를 통한 PKP(BC)로 구분된다.내핵을 통과하는 파동을 PKP(DF)라고 한다.(이러한 단계의 대체 명칭은 PKP1, PKP2, PKIKP이다.)[11] 지진파는 지진에서 특정 센서로 여러 경로를 이동할 수 있다.[12]

PKP(BC)와 PKP(DF) 파형은 맨틀에 경로가 비슷하기 때문에 전체 이동 시간에 차이가 나는 것은 주로 외부와 내부 코어 간의 파동 속도 차이 때문이다.송과 리차드는 시간이 지나면서 이 차이가 어떻게 변하는지 살펴보았다.[9][13]남쪽에서 북으로 이동하는 파도(남샌드위치 제도에서 지진이 발생하여 알래스카 페어뱅크스에서 수신함)는 1967년과 1995년 사이에 0.4초씩 차이가 났다.이와는 대조적으로 적도기 근처(: 통가와 독일 사이)로 이동하는 파도는 아무런 변화도 보이지 않았다.[14]

초회전율의 초기 추정에 대한 비판 중 하나는 지진의 저점선, 특히 이전 기록의 저점선들에 대한 불확실성이 이동 시간 측정에 오류를 야기했다는 것이다.[15]이 오류는 더블트 지진에 데이터를 사용함으로써 줄일 수 있다.이들은 파형이 매우 비슷한 지진으로, 지진은 서로 매우 가까이(약 1km 이내) 있었음을 알 수 있다.[16]남샌드위치 제도의 더블트 데이터를 이용해 2015년 한 연구에서는 연간 0.41°의 새로운 추정치가 나왔다.[17][18]

내부 코어 음이소트로피

송과 리차드는 당시 내심 음이소트로피의 지배적인 모델 측면에서 관찰 내용을 설명했다.파도는 적도기류를 따라가는 것보다 남북을 오가는 속도가 더 빠른 것으로 관측됐다.균일한 음이소트로피를 가진 내부 중심부의 모델은 지구의 스핀 축으로부터 10° 각도로 기울어진 가장 빠른 이동 방향을 가지고 있었다.[14]그 이후, 음이소트로피 모델은 더욱 복잡해졌다.상위 100km는 등방성이다.그 아래, "서쪽" 반구(대략 아메리카 대륙을 중심으로 함)에는 "동쪽" 반구(지구 반대쪽)보다 더 강한 음이소트로피가 있으며,[19][7] 음이소트로피는 깊이와 함께 증가할 수 있다.또한 반경 약 550km의 "가장 안쪽 내측 코어"(IMIC)에서 음이소트로피의 다른 방향이 있을 수 있다.[20]

케임브리지 대학의 한 단체는 내부 핵심 경계선 아래 90km까지 깊이로 반구 경계의 경도를 추정하기 위해 이동 시간 차이를 사용했다.이 정보를 내부핵심 성장률 추정치와 결합하여 백만 년당 0.1~1°의 비율을 얻었다.[21][7]

이동 시간 차이를 바탕으로 한 회전율의 추정치는 일관성이 없었다.샌드위치 아일랜드 지진을 기반으로 한 지진들이 가장 빠른 속도로 발생하는데, PKP(DF)가 간신히 소음 위로 부상하는 등 신호도 약하다.다른 경로에 기반한 추정치는 더 낮거나 심지어 반대 방향이었다.한 가지 분석에 의해 회전율은 연간 0.1° 미만으로 제한된다.[1]

이질성

1997년 한 연구는 샌드위치 아일랜드 데이터를 재검토하여 이동 시간 변화의 기원에 대해 다른 결론을 내렸으며, 이를 파동 속도의 국소 이질성에 귀속시켰다.초회전율의 새로운 추정치는 매년 0.2–0.3°로 감소되었다.[22]

내부 코어 회전도 PKP(DF)파가 아닌 내부 코어 표면에서 산란되는 PKiKP파를 사용해 추정했다.이 방법을 사용한 추정치는 연간 0.05 - 0.15° 범위였다.[1]

정상 모드

내심 회전을 구속하는 또 다른 방법은 정상 모드(지구 내 서 있는 파동)를 사용하는 것으로, 전지구적 그림을 준다.노심의 이질성은 모드를 분할하며, 시간의 경과에 따른 "분할 함수"의 변화를 회전율을 추정하는 데 사용할 수 있다.[23]그러나 1970~80년대 지진 관측소 부족에 의해 정확도가 제한되며 유추된 회전은 모드에 따라 양수 또는 음수일 수 있다.[7]전체적으로 정상 모드는 회전율과 0을 구별할 수 없다.[1]

이론

1995년 Glatzmeier와 Roberts 모델에서 내부 코어는 유도 모터와 유사한 메커니즘에 의해 회전한다.외부 중심부의 열풍은 내부 중심 경계 부근의 동쪽에서 서쪽으로 흐르는 순환 패턴을 발생시킨다.내측과 외측 코어를 통과하는 자기장은 자기 토크를 제공하는 반면, 경계의 점성 토크는 내측 코어와 그 근처의 유체는 평균적으로 같은 속도로 회전한다.[24]

1995년 모델은 내부 코어 경계에서 맨틀의 밀도 변화와 지형 사이의 중력 결합 효과를 포함하지 않았다.1996년 연구에서는 내측핵과 맨틀이 같은 속도로 회전하도록 강제할 것이라고 예측했지만 1997년 논문에서는 내측핵이 형상을 바꿀 수 있다면 상대적 회전이 일어날 수 있다는 결과가 나왔다.[25]이렇게 하려면 점도가 1.5 x 1020 파스칼-초(Pa/s) 미만이어야 한다.또한 점도가 너무 낮을 경우(3 x16 10 Pa·s 미만) 내부 중심부가 내진 음이소트로피를 유지할 수 없을 것으로 예측했다.[26]그러나 음이소트로피의 근원은 여전히 잘 파악되지 않고 있다.지구 너트에 기초한 내부 코어 점도의 모델은 점도를 2-7 × 1014 Pa/s로 구속한다.[27][7]

중력 잠김과 낮 시간의 변화를 고려한 지오디나모 모델은 백만 년당 1°의 초회전율을 예측한다.회전 속도가 진동할 경우 회전 측정값 사이의 불일치 중 일부를 수용할 수 있다.[7][26]

참고 항목

참고 및 참조

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추가 읽기

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