地球和金星自转变化的流体激发

Researches on fluid excitations of the Earth and Venus’ rotational variations (polar motion, change of rotational rate or length-of-day change) are key research subjects of the astro-geodynamics and planetary rotation. On the basis of the observational data of the Earth and Venus’ rotation and the output data of the Earth’s surficial fluid (atmosphere, ocean, land water) circulation models and the Venus’s atmospheric circulation models, we’ll first compute the fluid excitation functions and torques (pressure torque, gravitational torque and friction torque) exerted on the Earth and Venus. Then, we’ll investigate comprehensively the global fluid contributions to the Earth’s rotational change on several days to sub-daily time scales, and to the Venus’ diurnal rotational variation. Finally, we’ll explore the superrotation signal in the Venus’ rotational change. These researches will be helpful to further our understandings of the overall motion laws of the Earth and Venus, and reveal the interactive processes between the solid envelope and the surficial fluid envelope. The present investigation will play an important part in the astro-geodynamics and planetary rotation studies.

地球和金星自转变化（极移、自转速率变化或日长变化）的流体激发，是天文地球动力学和行星自转领域的一个核心研究课题。本项目主要研究内容：基于天文观测的地球和金星自转数据、地球表层流体（大气、海洋和陆地水）环流模式和金星大气环流模式的输出资料，计算作用于地球和金星上的流体激发函数和力矩（压力力矩、万有引力力矩和摩擦力矩），综合研究地球自转变化几天到亚周日尺度、金星自转变化周日尺度上流体激发的贡献，探索金星自转变化中的大气超速旋转信号。这方面的研究不仅有助于深入认识地球和金星的整体运动规律，而且将揭示其固体圈层和表层流体间的耦合作用过程，这对于天文地球动力学和行星自转动力学演化具有重要的科学意义。

通过开展地球和金星自转变化的流体激发研究，可以更深入地揭示地球和金星的整体运动规律，以及它们的固体圈层和地表流体圈层间的耦合作用过程。本课题主要取得以下研究进展：1.基于经典极移理论，创新性地提出了一种估计地球Chandler摆动周期和Q值的数学模型和快速算法，该方法对模型误差的假设较弱，估计结果的统计性质更优。新方法对Chandler摆动周期和Q值的点估计分别为430.8±0.50天和62.64±9.63，与之对应的90%置信区间分别为(430.0，431.6)天和(43.5，75.7)。2.通过互相关和小波变换等统计方法分析了地球日长年际变化、大气角动量和厄尔尼诺-南方涛动事件间的关联性。并且在日长变化的年际分量上，检测到了2020年夏季至2021年春季期间中等强度拉尼娜事件信号，在此期间年际地球日长产生约-0.18毫秒的变化。3.利用频率域逐步回归法，首次提取出地球日长准七年变化信号。我们先扣除日长变化中的潮汐、地表大气和海洋的贡献，然后将频率域逐步回归法应用于日长亚十年尺度变化的检测，该方法能很好地分辨频率相近的信号，并识别和提取较弱信号。我们首次给出准七年信号的振幅和位相定量估计结果（0.04毫秒，-77.6度）。这种准七年变化信号可能与流体外核运动过程密切关联。4.应用欧空局新一代金星大气环流模式，研究金星自转变化周日尺度上大气激发的贡献。在计算激发函数时，考虑金星高低起伏地形的影响。结果表明，金星全球大气角动量变化幅度达到1.7x10^25千克*米^2*秒^-1，约为固体金星自转角动量的百万分之一。全球大气对日长周日变化的贡献为11秒，对周日极移的贡献为0.4角秒。此外，金星地表上空的超速旋转大气层的角动量变化幅度达到2.5x10^24千克*米^2*秒^-1，约为全球大气角动量的14%。5.随着我国火星探测工程的预研和实施，我们拓展了火星日长变化与大气沙尘循环的研究。沙尘循环是影响火星大气的最关键因素，同时，由于大气活动的影响，火星日长呈现微弱的变化。根据我们计算的沙尘循环指数和大气活动引起的火星日长变化，首次发现半日日长振幅变化与沙尘循环间的强相关性，并揭示其源于大气热潮的影响。这反映了固体圈层与表层流体系统间的强耦合作用。