丟失的地球引力

偉振天

今天，為了降低體重秤上的數(shù)字，許多人瘋狂地節(jié)食、運(yùn)動(dòng)、吃減肥藥，過程艱難，收效也甚微，也許更簡(jiǎn)單的方法是跑到加拿大哈德遜灣地區(qū)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)自己的體重竟然立刻下降了。

這個(gè)地方引力小

哈德遜灣位于加拿大東北部，是僅次于孟加拉灣的世界第二大開闊形海灣，水域面積達(dá)到123萬平方千米。20世紀(jì)60年代，科學(xué)家們準(zhǔn)備繪制首張地球引力圖時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)哈德遜灣以及周邊地區(qū)的引力比預(yù)估值要低很多，是世界上引力最小的幾個(gè)區(qū)域之一。在哈德遜灣附近居住的居民，會(huì)比在加拿大其他地區(qū)居住時(shí)，體重輕約2.8克，從相同的高度跳下，這里的下降速度永遠(yuǎn)會(huì)更慢一點(diǎn)。

由于距離地心較遠(yuǎn)，在赤道上，引力是最小的，而隨著維度的增加，引力會(huì)逐漸增加，到了南北極，引力又達(dá)到了最大值。但為什么位于高緯度的哈德遜灣，引力反而變小呢？

引力哪兒去了？

實(shí)際上，地球引力的大小除了受到物體與地心距離遠(yuǎn)近的影響，最主要的決定因素是地球的質(zhì)量。

我們知道，引力是兩個(gè)原子之間相互吸引產(chǎn)生的作用力。假如你將兩個(gè)高爾夫球放在桌子上，這兩個(gè)高爾夫球的原子之間會(huì)產(chǎn)生一種非常微弱的吸引力。如果你將兩個(gè)質(zhì)量更大的物體，比如兩個(gè)鉛球放在一起，它們之間產(chǎn)生的吸引力會(huì)更大一點(diǎn)。而只有那些由大量的原子構(gòu)成的物體，比如像地球這樣的大質(zhì)量星球，這時(shí)其產(chǎn)生的引力才會(huì)是非常巨大的。

所以，物體的質(zhì)量直接決定著物體的引力。地球是個(gè)赤道略凸、兩極略扁的橢圓，各處質(zhì)量并不是均勻分布的，引力也往往并不相同?？茖W(xué)家們推測(cè)，哈德遜灣區(qū)域引力更小，可能是因?yàn)檫@片區(qū)域的地少了一些。

然而，為什么哈德遜灣區(qū)域的地會(huì)少了一些呢？

冰蓋把地塊擠走了

現(xiàn)在科學(xué)家們普遍用冰蓋理論來解釋這一現(xiàn)象。

今天的加拿大和美國(guó)北部大部分地區(qū)，曾被巨大的勞倫冰蓋覆蓋。勞倫冰蓋為第四紀(jì)大冰蓋，冰蓋面積達(dá)1380萬平方千米，覆蓋的區(qū)域最南端能到達(dá)北緯36°。其厚達(dá)3.2千米，最厚處在哈德遜灣一帶，厚達(dá)3.7千米。它也很重，沉甸甸地壓在地殼上。但隨后，由于氣候變暖，大約在1萬年前，勞倫冰蓋融化了。科學(xué)家們認(rèn)為正是這塊冰蓋的融化，導(dǎo)致哈德遜灣地區(qū)引力變小了。

然而，為什么冰川融化，會(huì)導(dǎo)致引力變小呢？

為了方便理解，我們不妨打個(gè)比喻。想象一下，你的面前有一塊蛋糕，當(dāng)你將手指輕輕放置于上面，會(huì)發(fā)生什么？你手指壓的地方會(huì)發(fā)生凹陷，凹陷處的“蛋糕”會(huì)向兩邊挪動(dòng)。當(dāng)你把手指移開，蛋糕又會(huì)反彈回正常狀態(tài)。

你的手指就像冰川，那塊蛋糕就像地表。當(dāng)厚重的冰川壓著地表時(shí)，地面會(huì)發(fā)生凹陷，凹陷處的“土地”會(huì)向兩邊擠。但與蛋糕不同的是，地表凹陷處被擠走的“土地”并沒有重新反彈回來，因?yàn)樗姆磸椝俣确浅＞徛?，每年不?.54厘米。所以，當(dāng)勞倫冰蓋壓融化后，由于其土地已被擠壓到兩邊，哈德遜彎周邊區(qū)域質(zhì)量會(huì)變小，而質(zhì)量小也就意味著引力小。

其他的原因

為了證明勞倫蒂斯冰蓋確實(shí)能對(duì)地球引力產(chǎn)生影響，美國(guó)哈佛-史密松天體物理中心的科學(xué)家們進(jìn)行了一項(xiàng)龐大的研究。他們使用了GRACE衛(wèi)星收集到的2002年4月～2006年4月期間的數(shù)據(jù)，進(jìn)行了一番復(fù)雜的計(jì)算。GRACE衛(wèi)星由兩顆衛(wèi)星構(gòu)成，兩顆衛(wèi)星相距220千米，在距離地面500千米的軌道上運(yùn)行。

當(dāng)?shù)谝活w衛(wèi)星飛過哈德遜灣地區(qū)時(shí)，引力的減少會(huì)使這顆衛(wèi)星稍微偏離地球和它身后的姊妹衛(wèi)星。由于GRACE衛(wèi)星的位置能以微米級(jí)的精確度測(cè)量，所以能探測(cè)到這種距離的微小變化，隨后據(jù)此計(jì)算出引力的變化。

通過這些數(shù)據(jù)，科學(xué)家們繪制出了上一次冰河世紀(jì)時(shí)期哈德遜灣的地形圖，當(dāng)時(shí)它仍被勞倫冰蓋覆蓋著。這張地形圖顯示哈德遜灣地區(qū)在1萬年前，其東部和西部?jī)蓚€(gè)區(qū)域冰層更厚，凸起的程度更高。而計(jì)算結(jié)果也表明，今天這兩片區(qū)域的引力也確實(shí)比哈德遜灣其他地區(qū)更小。這就說明研究者的推測(cè)是正確的。

不過，這次的研究也表明，冰蓋理論只能解釋哈德遜灣地區(qū)25%～45%的引力異常，另外的影響因素是該地區(qū)的地質(zhì)活動(dòng)。

我們知道，固體地球由地殼、地幔、地核構(gòu)成。在地表以下100～200千米處，為地幔的軟流層。這一層溫度非常高，固態(tài)物質(zhì)部分熔化，具有類似流體的性質(zhì)。滾燙的巖漿做著緩慢的上升或者下降運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)環(huán)形的對(duì)流體。

當(dāng)對(duì)流體上升時(shí)，會(huì)造成陸地板塊的隆起，形成山脊，而下降時(shí)，會(huì)將覆蓋在其上的大陸板塊拖曳下來，減少該區(qū)域的質(zhì)量?？茖W(xué)家們認(rèn)為，哈德遜灣地區(qū)正處于軟流層下降地段，這就是該地區(qū)引力異常的另外一個(gè)重要原因。

至此，困惑科學(xué)家40多年的哈德遜灣引力丟失之謎終于破解了?？茖W(xué)家們預(yù)計(jì)哈德遜灣地區(qū)的地表要反彈回最初的位置，還需要花費(fèi)5000年的時(shí)間，屆時(shí)哈德遜灣地區(qū)丟失的引力會(huì)重新被“找回來”一部分。endprint