钱德勒摆动(Chandler wobble)是地球自转极位置的一个固有自由振荡,周期大约为433天,自19世纪被发现以来一直是地球动力学与大地测量领域的重要研究对象。长期观测显示,钱德勒摆动的振幅并非恒定,而是随时间起伏,受到大气、海洋、冰雪和地壳质量重新分布的持续激发与阻尼影响。令人关注的是,自2015年起,钱德勒摆动的幅度出现了显著的减弱,这一变化不仅对科学研究具有重要意义,也可能影响精密导航和地基参考框架。近年来学术界提出了多种解释,其中一条有影响力的假设指向了2011年发生的全球质量异常,包括大震、海洋与水文重分布,以及由此引发的地幔粘弹性响应。将这些要素串联起来,有助于理解观测到的2015年后钱德勒摆动减弱为何可能与2011年的事件相关联。观测基础首先来自天文测地和卫星重力测量系统。
国际地球自转与参考系服务(IERS)通过长期极移观测明确了钱德勒摆动的振幅变化;与此同时,重力卫星任务如GRACE提供了自2002年以来的全球质量变化数据,揭示了陆地水储量、冰盖质量以及海洋质量的时空演化。2011年不仅发生了东日本大地震这样极其强烈的地震事件,而且全球范围内也出现了显著的水文和气候异常。例如,某些地区在该时期经历了强降雨、洪涝或反向的干旱,导致大陆水储量短期或中期内发生明显变化。强震与水文异常都会改变地球的质量分布,进而改变地球的惯性矩和角动量守恒条件。地球的自转轴响应这些质量重排,表现为极移的变化或对钱德勒模态的激励与阻尼。2011年发生的质量异常之所以被怀疑与2015年后钱德勒摆动减弱相关,部分原因在于时滞效应与耦合机制的复杂性。
地震瞬时改变地壳结构和质量分布,带来瞬时的地转速变化和极移跳变,但随后地幔的粘弹性响应会以较长时间尺度(年到十年)调整地球内部应力与质量分布,进而影响自由振荡的幅度和相位。类似地,海气系统与陆地水储量的季节性与多年际变化会通过海洋和大气角动量的时间积分累积影响极移。若2011年发生的质量异常在随后的几年内通过这些机制与原有的摆动模态产生了相消或阻尼作用,那么在2015年左右观察到幅度减弱便有合理的物理路径。需要强调的是,将观测到的幅度变化直接归因于单一事件并不简单。钱德勒摆动的激发来源多样,大气角动量(AAM)和海洋角动量(OAM)的瞬时变化往往在短期内主导极移的动荡,而长期的幅度调制可能更依赖于陆地水储量和地壳深部的质量重分布。2011年的质量异常包括瞬时的地震效应、季节性的水文异常以及多年际的气候偏差,它们在时间和空间上叠加,导致复杂的相互作用。
现有研究通常采用模式-观测结合的方法,通过地球角动量守恒方程、数值地球物理模型和重力场反演来量化不同过程的贡献。利用GRACE数据反演得到的质量变化场可以用于估计对地球惯性矩的影响,进而推算对极移模态的潜在贡献。同时,地幔粘弹性模型被用来模拟地震后地球内部的慢性调整,评估长期响应对自由摆动的影响。若这些模型结果显示2011年质量异常在幅度和相位上与随后几年钱德勒模态的演变存在一致性,就能为两者之间的因果联系提供支持。然而,目前学术界对因果链条仍持审慎态度。部分研究指出,2015年前后钱德勒摆动的减弱也可能是自然的内部波动或与大气和海洋的多年代际振荡相关,而非直接由2011年的单一事件所致。
此外,数据不确定性、模型参数(例如地幔黏度分布)的非唯一性都给定量结论带来挑战。因此,提出以下若干关键物理机制,有助于厘清2011年质量异常如何可能影响后续的钱德勒摆动。首先,瞬时质量重分布改变地球惯性矩,从而直接修改自由摆动的初始条件。一次巨震如东日本大地震不仅造成地壳断层位移,还伴随海啸和海水质量迁移,瞬时改变地球表层质量分布,这会以瞬时和短周期的极移响应体现。其次,地幔粘弹性流变产生的慢性调整会在年到十年尺度上重塑地球的质量分布。地震或重载导致的静态应力改变,可能触发地幔内的黏性流动,这种流动随时间释放,累积改变惯性矩并影响自由振动的幅度与频率。
第三,水文过程和冰盖/雪盖的长期质量变化通过改变陆地质量负载影响极移。例如大规模抽取地下水、长期融冰或多年持续降水异常,都能在数年尺度上对钱德勒摆动产生显著的强迫。第四,海洋与大气的角动量耦合会对摆动施加持续或周期性的驱动或阻尼效果。气候变率(如ENSO、多年代际振荡)通过调整全球尺度的风场与海流,改变大气与海洋角动量,从而影响极移和钱德勒摆动的能量输入。在实际观测与数值模拟中,研究者通过对比GRACE的质量场变化、IERS的极移时间序列和气候再分析资料,尝试分离各类激励源的贡献。有些研究发现,2011年后数年内的陆地水储量异常与钱德勒摆动幅度变化呈一定的时间对应关系。
另一些研究则侧重于地震的即时冲击与随后几年地幔的粘弹性调整,认为这些过程可能通过修改自由振动的阻尼率和能量流向,导致幅度的逐步衰减。无论哪种路径,更准确地量化时间延迟和空间分布对于证明因果关系至关重要。对地球系统辩识这些效应还需要更精确的观测与更完善的模型。未来研究可以从几个方面推进。首先,延长和整合不同种类的观测记录非常关键。持续运行的重力卫星(如GRACE-FO)、更高分辨率的地震观测网、以及改进的卫星测高和大气再分析产物,能在时间和空间上提供更细腻的质量变化信息。
其次,改进地幔粘弹性模型,约束黏度结构的空间异质性,有助于更准确模拟地震后长期响应对惯性矩的影响。不同黏度剖面会导致显著不同的时间尺度响应,因此这些参数的不确定性是当前结论受限的重要原因。第三,发展耦合地球系统模型,把大气、海洋、冰冻圈、陆地水文与固体地球的质量和角动量耦合在同一框架中模拟,能够更完整地再现多源激励如何共同影响钱德勒摆动。第四,采用先进的统计方法和数据同化技术,将观测与模型紧密结合,以提高因果推断的可信度。对于政策与应用层面,理解钱德勒摆动的长期变化具有现实意义。极移的微小变化会影响地球参考坐标系的稳定性,进而影响高精度定位、卫星导航和时间参考系统。
尤其是在未来对亚米级、甚至毫米级定位要求愈加严格的应用场景中,对极移变动的准确预测变得更为重要。此外,钱德勒摆动的演化也为监测地球内部过程和大规模质量输运提供了独特视角,是检验地球系统模型与质量观测一致性的有效手段。然而,需要强调的是,当前关于2011年质量异常是否以及如何导致2015年后钱德勒摆动减弱尚无定论。科学过程要求在谨慎假设、精确观测与严密建模之间不断循环。已经取得的成果表明,地震、陆地水文和气候相关的质量变化都可能通过不同机制影响钱德勒摆动,但要把这些证据组合成有说服力的因果链,还需要更细致的时间解析、多源数据验证和对模型不确定性的严格评估。总之,2015年后钱德勒摆动幅度减弱是地球系统动力学中的一个重要观测事实,提示地球自由振荡与表层质量变化之间存在复杂而精细的耦合。
2011年的质量异常,无论来自强震还是大范围水文和气候事件,都提供了一个合理的触发或背景条件,通过改变地球惯性矩、调整角动量交换路径并在多年尺度上通过地幔粘弹性响应发挥作用。未来通过扩展观测网络、提升模型精度与加强跨学科耦合研究,有望更清晰地揭示这些过程的相对贡献,并为高精度地球参考系的维护和地球系统变化的科学理解提供坚实支撑。 。
