給地球“體檢”

晨風(fēng)

我們想要了解自己的身體狀況，需要到醫(yī)院用各種儀器進(jìn)行體檢。如果我們想了解地球的“身體”狀況，有什么好辦法呢？靠人力進(jìn)行局部測(cè)繪是可以的，但是這種方法無(wú)法覆蓋全球，而且地球上還有很多地方是人類難以涉足的。這可怎么辦？別急，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)通過(guò)測(cè)量地球的重力場(chǎng)就能夠獲得地球的“身體”信息。

地球重力是由地球?qū)ξ矬w的吸引力和地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力合成的。由于地球內(nèi)部、表面及其周圍的空間都具有一定的質(zhì)量，所以產(chǎn)生的引力（重力）交織在一起就形成了重力場(chǎng)。地球重力場(chǎng)可以反映地球內(nèi)部質(zhì)量、密度，以及地球物質(zhì)的空間分布、運(yùn)動(dòng)和變化。

既然地球重力場(chǎng)能夠揭示這么多信息，那我們?nèi)绾翁綔y(cè)它呢？這就要?jiǎng)跓┥硖幪盏男l(wèi)星來(lái)幫忙了。衛(wèi)星圍繞地球飛行，當(dāng)飛行到較大質(zhì)量區(qū)上空時(shí)，衛(wèi)星會(huì)出現(xiàn)額外的重力加速;離開(kāi)該區(qū)域時(shí)，則會(huì)相應(yīng)出現(xiàn)輕微的減速。通過(guò)衛(wèi)星運(yùn)行速度的變化，我們就能測(cè)量地球重力場(chǎng)了。

2002年3月17日，NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）與德國(guó)空間局合作研制的“重力恢復(fù)與氣候?qū)嶒?yàn)”探測(cè)衛(wèi)星GRACE成功發(fā)射。

編隊(duì)飛行的GRACE衛(wèi)星

GRACE項(xiàng)目包括兩顆一模一樣的小衛(wèi)星，兩者一前一后相隔220千米進(jìn)行編隊(duì)飛行。如果下方的地球某個(gè)地點(diǎn)出現(xiàn)質(zhì)量中心，它就會(huì)對(duì)這兩顆小衛(wèi)星之間的距離產(chǎn)生細(xì)微影響。當(dāng)然，兩顆衛(wèi)星間距變化的幅度非常小，一般僅有幾微米，還不及頭發(fā)絲的直徑。

為了不間斷測(cè)量?jī)深w衛(wèi)星之間的精確距離，兩顆衛(wèi)星相互之間不斷發(fā)射脈沖信號(hào)，并測(cè)定信號(hào)往返的時(shí)間。與此同時(shí)，GRACE衛(wèi)星還會(huì)利用高精度GPS定位系統(tǒng)對(duì)應(yīng)地面的精確位置。另外，衛(wèi)星上搭載的專用加速計(jì)會(huì)不斷測(cè)量其他施加于衛(wèi)星的力，比如稀薄的地球外層大氣對(duì)衛(wèi)星的摩擦力，以及來(lái)自太陽(yáng)光線照射在衛(wèi)星上產(chǎn)生的輕微壓力。

GRACE項(xiàng)目給出的地球宏觀重力異常圖，紅色為正異常，藍(lán)色為負(fù)異常（圖片來(lái)源：NASA）

通過(guò)匯總所有數(shù)據(jù)并利用算法剔除各種干擾誤差后，研究人員每個(gè)月都能制作出一份高精度全球重力分布圖。

通過(guò)GRACE項(xiàng)目，研究人員還開(kāi)創(chuàng)了一種空間遙感的嶄新應(yīng)用模式：通過(guò)地球重力場(chǎng)測(cè)量來(lái)追蹤水體運(yùn)動(dòng)。

地球重力場(chǎng)主要源自地球內(nèi)部的質(zhì)量。但是地球表面還存在水體，如海洋、河流、冰川、地下水，它們的流動(dòng)和位置的改變比地球內(nèi)部物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)要迅速得多，風(fēng)暴、干旱或其他氣候變化都會(huì)引起水體分布變化，而這些極細(xì)微的變化，可以揭示整個(gè)地球水圈運(yùn)動(dòng)的奧秘。

通過(guò)GRACE衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了很多地下水瀕危地區(qū)。在這些地方，人類抽取地下水的速度大大超過(guò)了地下水的再生補(bǔ)給速度。通過(guò)GRACE衛(wèi)星，我們還獲知格陵蘭島和南極大陸的冰川消融速度及程度遠(yuǎn)超預(yù)計(jì)。自從2002年升空以來(lái)，GRACE衛(wèi)星的數(shù)據(jù)顯示格陵蘭島平均每年有大約2 800億噸冰川消融，南極大陸的冰川消融速度則約每年1 200億噸，而且速度還在加快。GRACE衛(wèi)星的數(shù)據(jù)極大地幫助世界各地的政府機(jī)構(gòu)和研究人員對(duì)一些風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估、預(yù)警。

2017年10月，在工作15年、超過(guò)設(shè)計(jì)壽命3倍的服役年限之后，GRACE項(xiàng)目正式告終。2011年，GRACE項(xiàng)目的技術(shù)還被應(yīng)用到針對(duì)月球的重力場(chǎng)測(cè)量中，NASA成功發(fā)射了“重力恢復(fù)與內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室”探測(cè)衛(wèi)星GRAIL。同樣采用雙衛(wèi)星編隊(duì)測(cè)量，獲得了迄今為止最高精度的全月球重力場(chǎng)地圖。

說(shuō)起GRACE衛(wèi)星，除了探測(cè)水體運(yùn)動(dòng)，它還有很多革命性的成就。在諸多成就中，最引人注目的就是它為地球拍攝的一張“素顏”照片了。因?yàn)檫@張丑丑的照片，地球母親的完美形象差點(diǎn)兒毀于一旦。究竟是怎么回事？2021年，我們繼續(xù)講述！

測(cè)量月球重力場(chǎng)的GRAIL衛(wèi)星（圖片來(lái)源：NASA）