非旋转对称地球自转理论:本征模、受迫章动和周日极移

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卫星重力场技术的发展使得三轴地球的转动惯量确定变得越来越准确。空间大地测量技术的发展使得人们对于地球自转的观测精度越来越高。地震波层析成像技术的发展使得地幔的3D模型成为可能。本文基于相关模型和公式,构建了适用于弹性三轴非旋转对称地球的欧拉-刘伟尔动力学方程,并研究了三轴性对于地球自转本征模和周日受迫极移的影响、以及地幔横向非均匀性对于地球的受迫章动的影响。本文利用静态和时变重力场模型中的二阶球谐系数以及动力学椭率计算了三轴地球的转动惯量的大小及其随时间的变化和三轴地球惯性主轴的指向及其随着时间的变化。依据地表密度模型CRUST2.0,本文估算了地壳各圈层对于地球整体赤道转动惯量差异的贡献。考虑到地球整体赤道扁率大小,本文给出了适用于考虑地球整体三轴性的欧拉-刘伟尔动力学方程,并对其中的相关参量进行了讨论,给出了三轴两层地球自由核章动的解析公式。基于线性常微分方程组的解的理论,给出了适用于含复数糅变参量的欧拉-刘伟尔方程的本征模的求解公式。利用Molodenskiy提出的微扰方法,结合地幔模型GyPSuM,研究了地幔的横向不均匀性对于地球的糅变参量的影响,并进一步研究了地幔横向不均匀性对于受迫章动的影响。利用对应于三轴两层地球模型的欧拉-刘伟尔动力学方程,将地球周日受迫极移对于激发函数的响应表述为其对同频激发函数和反频激发函数的响应之和。主要结论如下:(1)基于不同的静态地球重力场模型确定的地球的主转动惯量的值也不同。因为不同的静态重力场模型具有不同的参考时刻。对于存在冰后回弹的地球来说,不同的时刻意味着二阶带谐系数C20也不一样。(2)三轴地球的惯性主轴的指向参数的变化与特定的地球重力场的二阶球谐系数的变化有联系。赤道惯性主轴的经度变化主要与地球重力场中的二阶球谐系数C22和S22的变化相关。(3)赤道惯性主轴的经度变化存在占据主导地位的周年变化。这一占据主导地位的变化可以通过陆地水模型加以证实。(4)地壳密度的横向不均匀对于地球整体的赤道转动惯量差的贡献比地球整体的赤道转动惯量差要高一个量级的,但符号是相反的,说明地球整体的赤道转动惯量差有一部分来自于地壳下面的地幔或者地球的外核和内核。地壳的密度异常实际上起到了一个补偿地壳下圈层密度异常的一种机制。(5)给出了对应于三轴两层弹性地球自由核章动FCN的解析公式。对该公式截断可以发现,地核赤道扁率对于地球的自由核章动(FCN)的贡献是处于二阶扁率量级的。(6)基于线性常微分方程组的解的理论,给出了含复数糅变参数的三轴欧拉-刘伟尔东力学方程的本征模的解,指出本征模方程的四个特征值分别对应于两个主要本征模运动CW和FCN。如果这两个本征模运动是椭圆运动,那么每一个椭圆运动都可以分解为一组频率相反的圆周运动之和。(7)对应于地幔物质横向不均匀的糅变参量增量相对于零阶糅变参量而言要小1个扁率级。虽然横向不均匀性会使得糅变参数变为复数,但由于地幔的横向不均匀效应较小,糅变参数的虚部一般都可以忽略。(8)地幔横向不均匀性对于受迫章动的影响在1μas。(9)三轴性使得地球的极移对于激发函数的响应不只限制于同频响应,还存在反频响应。(10)地球三轴性对于海洋潮汐激发的顺向/逆向周日极移的影响可以达到1μas量级。
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