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全球动力学扁率(H)是研究地球旋转的一个重要物理量。日月岁差、主章动(18.6年项)和倾斜模(tilt-over mode)等都与其密切相关。由高精度天文岁差观测,H的值约为1/305.5,但在一阶扁率精度下,由PREM地球模型计算得到的H值约为1/308.8。围绕两者间这1%的差别,自上世纪八十年代初以来,众多学者展开了大量的研究,但都没有直接而令人信服的结论。
本文首先重复了由地球内部密度分布求取旋转对称地球内部几何扁率剖面的工作。在这个工作中,本文采用了更高的计算精度并选取了更密集的计算点,取得了更为精细的PREM模型内部扁率剖面。利用这更为精细的PREM模型内部扁率剖面,本文得到的全球动力学扁率较其他人的同类工作结果略有接近观测值。但这个改善是非常有限的,即便采用再高的精度和再密集的计算点也远远不能解释那1%的差别。
为了研究真实地球表层质量分布对全球动力学扁率的影响,本文选取了数个真实地球表层数据,并按其各自的覆盖深度与PREM模型构建了如下三个组合模型:
●模型1:PREM去除5.615 km深表层(PREM_NS_5)+真实海洋数据(ECCO)+真实地形数据(GTOP030);
●模型2:PREM去除10.376 km深表层(PREM_NS_10)+真实海洋及地形数据(ETOP05);
●模型3:PREM去除70.137 km深表层(PREM_NS_70)+真实地壳数据(CRUST2.0)。
首先本文计算了真实地球表层质量分布对全球动力学扁率的直接贡献即其自身的转动惯量不同于PREM模型相应地层而造成的影响。由所构建三个模型的计算结果可以看到,真实地球表层的质量虽不足全球质量的0.2%,但其对全球动力学扁率的直接影响达3%。另外,三个模型的结果互比较还为地壳均衡学说提供了间接证据。
为了研究真实地球表层质量的不均匀分布对全球动力学扁率的间接影响(由这些表层质量引起的地球内部其它部分等重力势面形状的变化),本文首次推导完成了一般形状地球的内部形状计算公式,并独立完成了数值实现工作。这组计算公式将可计算的地球内部形状由先前的旋转对称扩展至一般形状。经检验,其用于PREM模型的结果与前面工作结果一致。对所构建的三个模型的计算表明,真实地球表层对全球动力学扁率的间接影响同样很大,可达3%。在所构建的模型1及模型2中,全球动力学扁率计算值均进一步偏离观测值,而模型3的全球动力学扁率计算值有明显的回归。考虑直接及间接影响后,模型3的日计算值为1/306.68。即深至70千米处的地球表层质量不均匀分布可以解释上述1%差别中的约2/3。其中的间接影响虽在以前从未被讨论过,但本文的计算结果表明该影响非常显著。对以上结果做了比较与分析后,认为三个模型的结果再次为地壳均衡学说提供了间接证据。