給地球“體檢”

晨 風(fēng)

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)行局部測繪是可以的，但是這種方法無法覆蓋全球，而且地球上還有很多地方是人類難以涉足的。這可怎么辦呢？別急，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)通過測量地球的重力場就能夠獲得地球的“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。地球重力場可以反映地球內(nèi)部的質(zhì)量、密度，以及地球物質(zhì)的空間分布、運動和變化。

我們?nèi)绾翁綔y它呢？這就要勞煩身處太空的衛(wèi)星來幫忙了。衛(wèi)星圍繞地球飛行，當(dāng)飛行到較大質(zhì)量區(qū)上空時，衛(wèi)星會出現(xiàn)額外的重力加速；離開該區(qū)域時，則會相應(yīng)出現(xiàn)輕微的減速。通過衛(wèi)星運行速度的變化，我們就能測量地球重力場了。

2002 年3 月17 日，NASA（美國國家航空航天局）與德國空間局合作研制的“重力恢復(fù)與氣候?qū)嶒灐碧綔y衛(wèi)星GRACE 成功發(fā)射。GRACE 項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)行編隊飛行。如果下方的地球某個地點出現(xiàn)質(zhì)量中心，它就會對這兩顆小衛(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，還不及一根頭發(fā)絲的直徑。

為了不間斷測量兩顆衛(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，并測定信號往返的時間。與此同時，GRACE 衛(wèi)星還會利用高精度GPS 定位系統(tǒng)對應(yīng)地面的精確位置。另外，衛(wèi)星上搭載的專用加速計會不斷測量其他施加于衛(wèi)星的力，比如稀薄的地球外層大氣對衛(wèi)星的摩擦力，以及來自太陽光線照射在衛(wèi)星上產(chǎn)生的輕微壓力。

通過匯總所有數(shù)據(jù)并利用算法剔除各種干擾誤差后，研究人員每個月都能制作出一份高精度全球重力分布圖。通過GRACE 項目，研究人員還開創(chuàng)了一種空間遙感的嶄新應(yīng)用模式：通過地球重力場測量來追蹤水體運動。

地球重力場主要源自地球內(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，它們的流動和位置的改變比地球內(nèi)部物質(zhì)的運動要迅速得多，風(fēng)暴、干旱或其他氣候變化都會引起水體分布變化，而這些極細(xì)微的變化，可以揭示整個地球水圈運動的奧秘。

通過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了地下水的再生補給速度。通過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。自從2002 年升空以來，GRACE 衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)顯示，格陵蘭島平均每年有大約2800 億噸冰川消融，南極大陸的冰川消融速度則約每年1200 億噸，而且速度還在加快。GRACE 衛(wèi)星的數(shù)據(jù)為世界各地的政府機構(gòu)和研究人員對一些風(fēng)險進(jìn)行評估、預(yù)警提供了極大的幫助。