基于地磁发电机的地球核顶稳定层厚度上限

在核幔边界（CMB）之下存在稳定分层层的观点，近来因来自地震研究、矿物物理和热演化模型的一致证据而重新受到关注。此类层其物理起源可能在于成分分层（由轻元素在核顶积累所致）或热分层（由热通量局部低于绝热值所致）。然而，该稳定分层层的具体性质，即其尺寸 $\mathcal{H}_S$ 以及以其 Brunt-V\"ais\"al\"a 频率 $N$ 表征的分层程度，尚不确定且存在高度争议。CMB 之下的稳定层可能对地球发电机产生关键动力学影响。由于对流运动的抑制，稳定层预期主要作为磁场的低通滤波器，通过趋肤效应平滑掉快速变化和小尺度特征。为更系统地研究该效应，我们计算了 70 个全球地球发电机模型，将稳定分层层尺寸从 0 变至 300 km，其振幅从 $N/\Omega = 0$ 变至 $N/\Omega \simeq 50$，其中 $\Omega$ 为自转速率。我们表明，对流流动在稳定分层层中的穿透受对流涡的典型尺寸以及比值 $N/\Omega$ 的局部变化控制。利用数值模型所得磁场与 CMB 处地磁场之间形态相似程度的定量度量，我们确立了稳定层厚度的上限 $\mathcal{H}_s < (N/\Omega)^{-1} d_c$，其中 $d_c$ 为稳定层底部的对流流水平尺寸。这定义了 CMB 之下稳定分层层性质的一个强地磁约束。