知识窗▏一幅颠覆想象的重力场地图

组稿/溪流

图1 目前在规的重力卫星

地球重力场研究的意义

　　在地球重力场中，每一点所受的重力的大小和方向只同该点的位置有关。和其他力场（如磁场、电场）一样，地球重力场也有重力、重力线、重力位和等位面等要素。研究地球重力场，就是研究这些要素的物理特征和数学表达式，并以重力位理论为基础，将地球重力场分解成正常重力场和异常重力场两部分进行研究。研究地球重力场，在大地测量学中可用以推求平均地球椭球的形状，建立国家大地网和国家水准网；在空间科学中用以确定空间飞行器受地球引力场作用的轨道改正；在固体地球物理学中用以研究地球内部结构及资源分布。　　根据全球重力测量和卫星大地测量的结果，可以确定地球的总质量和地球的平均密度；配合天文测量结果，可以求出地球绕其自转轴的转动惯量；根据地面上大范围甚至全球范围的重力测量结果，可以研究地核-地幔边界的起伏，地幔-地壳边界的起伏，地幔中的热对流，地壳的均衡状态，以及地壳和地幔的横向不均匀性等。

图2 2011年利用GOCE卫星资料

绘制的世界重力场地图

图3 GOCE卫星图片

欧洲人绘制的地球重力场地图

　　图2是2011年来自GOCE卫星的一幅新大地水准面图，黄色和红色区域引力较大，蓝色区域引力较小。乍一看，地图展现的天体很像一颗土豆形的小行星，在太空中自由穿梭。实际上，这幅彩色地图呈现的是我们的家园地球，揭示出引力如何随地区不同发生变化。　　对于这张照片，天文学专家说，地球确实不是一个正宗的球体，它的长相有点奇怪。地球之所以长成这样，是由于它不仅要绕着太阳公转，同时还要自转，地球的表面既有陆地，又有水，为了保持内部的引力平衡，各方“争斗”下，就长成了这个怪模样。其实，关于地球的长相，科学家们也曾经存有争议。英国物理学家牛顿提出，地球由于绕轴自转，因而不可能是正球体，而只能是一个两极压缩，赤道隆起，像橘子一样的扁球体。但牛顿的理论遭到了反对，当时巴黎天文台第一任台长卡西尼父子，就提出了反对意见，他们认为，地球长得更像一个西瓜。法国国王路易十四派出两个远征队，去实测子午线的弧度。结果证明，牛顿的扁球理论正确。现在，科学手段发达，为地球测量开辟了多种途径。通过实测和分析，终于得到确切的数据：地球的平均赤道半径为6378.38公里，极半径为6356.89公里，测量还发现，北极地区约高出18.9米，南极地区则低下24～30米。从这张图看起来，地球形状倒像一只梨子：它的赤道部分鼓起，是它的“梨身”；北极有点放尖，像个“梨蒂”；南极有点凹进去，像个“梨脐”……被叫做“梨形地球”。确切地说，地球是个三轴椭球体。　　在北美洲，陆地和海洋之间的引力差异并不明显，非洲大陆的引力相比较小。这种地图用于测量海洋洋流、海平面变化和冰动力学特征，所有这些均受气候变化影响。慕尼黑工业大学天文学与物理地测学研究所前负责人雷纳•鲁默尔教授表示：“我们看到了一个完美的GOCE(地球重力场和海洋环流探测卫星的英文缩写)数据连续流。我们的GOCE引力场模型每两个月进入一个新周期，变得越来越棒。现在已到了我们利用GOCE数据进行科学研究和应用于其他领域的时候了。首次海洋学研究的发现尤为让我感到兴奋。这些研究发现显示，GOCE能够为我们提供品质和解析度空前的海洋动力地形学特征和环流型图像。我相信这些发现能够进一步提高我们对海洋动力学特征的了解。”　　参与GOCE项目的科学家表示，研究发现有助于加深对自然灾害的了解，为类似日本遭受的灾难制定应对计划。虽然构造板块移动无法从太空直接观测，但引力数据能够帮助我们了解与自然灾害有关的过程，并最终进行预测。　　GOCE卫星于2009年3月发射，极地轨道距地面只有254公里，在太空中的所有研究用卫星中最低。这颗卫星装有重力梯度仪，能够感知最小10万亿分之一的引力变化，进而对从山脉到海底的引力拖拽差异进行测绘。

图4 澳大利亚科学家新近绘制的世界重力场地图

澳洲人绘制的新版地球重力场地图

　　根据澳大利亚科学家计算，一个人的体重在地球不同地区存在差异，不过这种差异并不大。如果一个人从北极前往秘鲁山区，体重将下降1%左右。造成这种现象的原因在于，地球是一个近乎完美的球体，各地区的重力存在差异，其中赤道地区的重力较小，高纬度地区重力较大。
　　图4是澳大利亚人新绘制的一幅高分辨率世界重力地图，这幅地图是对2011年利用GOCE(地球重力场与海洋环流探测卫星的英文首字母缩写)卫星（图2）所做研究进行的改进。地球各地的重力差异幅度远远超过最初预计。世界重力地图展示的重力场涵盖近30亿个地点，覆盖地球80%的大陆块。　　GOCE获取的图像（图2）揭示了重力如何随地区不同发生变化，但精确度只有2到10公里。为了改善数据，澳大利亚科廷大学的克里斯蒂安-赫特利用现有的高分辨率地球重力模型，借助来自超高分辨率卫星的重力信号和地形数据对模型进行增强。这项研究是一项大规模国际合作计划的一部分。类似这样对整个地球的重力场进行超高分辨率测绘的研究还是第一次。　　根据新的世界重力地图（图4），一些意想不到的地方存在更大的重力差异。例如，秘鲁纳瓦多-胡斯卡兰山(Mount Nevado Huascarán)的重力加速度最小，只有9.7639 米/秒^2，而北冰洋的重力加速度最大，可达到9.8337米/秒^2。　　发表在《地球物理研究快报》上的研究论文指出：“这意味着地球上的重力加速度差异幅度在0.07米/秒^2左右或者说0.7%，比标准模型预计的幅度高出大约40%，后者为0.5%。”　　科庭大学的研究小组利用一台超级计算机对数据进行计算，空间尺度不到200米。空间学系副教授迈克尔-库赫指出：“我们在4周内进行了数量惊人的计算，涵盖地球上超过2.3亿个地点。我们将整个任务分成672个独立的计算工作。如果使用标准台式机进行此项工作，需要近6个月时间才能完成。”　　世界重力地图帮助科学家了解地球结构的更多细节，远远超过过去。形象地说，科学家就如同从地球观察地球。库赫表示：“从地球物理学的角度上说，我们能够更准确地锁定大型矿藏的位置，因为重力较高的地区可能存在高密度的矿藏。此外，这幅地图也能让空间学研究受益。空间学研究需要非常精确的地球重力数据。这幅地图涵盖整个地球并且拥有超高分辨率，能够帮助科学家了解全球、地区以及特定位置的重力数据。”

图4 新近绘制的世界重力场局部放大图

　　为了绘制世界重力地图，澳大利亚科庭大学的克里斯蒂安-赫特利用现有的高分辨率地球重力模型，借助来自超高分辨率卫星的重力信号和地形数据对模型进行增强。世界重力地图项目由国际重力测量局领导，世界各地的很多科研机构参与其中，其中包括联合国教科文组织。

相关链接：网友评论

“@NASA中文”图：地球究竟长啥模样？地球仪上，地球是一个正宗的球体。但专家说，这要改改啦，因为地球并不是一个标准的球体，长相有些“怪”。从太空看我们的地球是一个美丽的球体，但是由于地心引力的作用，它并不是一个完美的圆球。事实上，赤道周围也因此向外隆起，形成一个“备用轮胎”结构。事实上，地球的两极长度比赤道要短，因此也没办法形成球体。地球的极半径是3949.99英里(6356.89公里)，而赤道半径是3963.34英里(6378.38公里)。它凹凹凸凸的，这里凹进去一块，那边又鼓出来一块。整体样子，有网友说像地瓜，有网友说像备用轮胎，还有的说，就像一个大石榴。@失忆的左手：这个形状也太不起眼儿了吧，像地瓜。@whitelip：很好吃的样子。@不睡觉的女超人：第一次这么直观地看到自己居住星球的形状，以前教科书上只是几行文字说地球不是球体。

@升华G：好吧，三观又被颠覆了！

（资料均来自网络）