地球重力場的奧秘

籍利平

在人們的印象中，測繪學的工作似乎主要只是繪制各種比例尺地圖而已。其實，測繪學研究的內容并非如此單一。

作為地球科學的一個分支，測繪學要研究、測定和推算地面及其外層空間點的集合位置、確定地球形狀和地球重力場，獲取地球表面自然形態和人工設施的幾何分布以及與其屬性有關的信息，編制全球或者局部地區各種比例尺的普通地圖和專題地圖，建立各種地理信息系統，為經濟發展和國防建設以及地學研究服務。

大地測量學是測繪學的組成部分之一，主要是研究地球的形狀、大小和重力場，測定地面點幾何位置和地球整體與局部運動的理論和技術。

在大地測量學中，測定地球的大小指的是測定地球這個橢圓形球體的大小；研究地球形狀是指研究大地水準面的形狀。

在固體地球物理學中，地球重力場也是其組成部分之一；在天體力學和航天科學中，地球重力場也占據重要位置。所以，地球重力場具有交叉學科的性質。

什么是地球重力場

在中學我們已經學過，地球重力是由于地球的吸引而產生的力。嚴格地說，地球重力不僅是由于地球對物體吸引這種單一力所造成的，而是由地球對物體的吸引力和地球自轉產生的慣性離心力兩個力合成的。其中，引力是決定重力大小的根本因素。在地球作用的空間內，其大小與方向和物體所在位置相關。地球重力場可以反映地球內部質量、密度的分布和變化，反映地球物質空間分布、運動和變化。地球重力場是一種物理場，分布于引起它的場源體——地球內部、表面及其周圍的空間。

由于單位質量在重力場中受到的重力和重力加速度在數值上是一樣的，所以在重力測量學科中，一般以重力代替重力加速度，但其單位仍然為加速度的單位。重力加速度的單位在MKS(米·千克·秒)單位制中為m/s²(米/秒2)，在CGS(厘米·克·秒)單位制中為cm/s²(厘米/秒2)；在國際單位制中，重力加速度的單位為：國際重力單位gravity unit，簡寫為g.u.。兩者的換算關系為：1cm/s2=10⁶g.u.。

為了紀念第一位進行重力測量的意大利物理學家和天文學家伽利略，人們把“cm/s²(厘米/秒2)”稱為伽。于是有：1伽等于O.01米/秒2;1伽等于1000毫伽：1毫伽等于1000微伽：1毫伽等于10g.u.。

下文中，不做特別說明的話，重力就指重力加速度；同時，也將重力場的測量，簡稱為重力測量；地球重力場主要指地球外部的重力場。

地球重力場與我們的生活

從科學的角度講，地球重力場及其隨時間的變化信息對于地球動力學和地球內部物理的研究具有重要意義，特別是對巖石圈動力機制、地幔對流與巖石圈漂移、巖石圈異常質量分布、冰后反彈質量調整、冰后反彈引起的海平面變化以及對固體地球的影響、冰蓋與冰河的質量平衡、大陸冰雪的變化、板塊相互作用機制、板塊內部構造、海底巖石圈與海山動力學、海平面變化的物理機制、地球自轉、陸地地殼運動和海平面變化的分離等方面提供重要的依據。在大地測量學中，地球重力場信息可以用于研究地球的大小和形狀，并且為測量數據的歸算提供支持。

航天器，包括各種人造地球衛星和飛船，凡是在地球重力場中運行的，地球重力場都是決定各航天器以及衛星運行軌跡的主要因素；與其他引起航天器軌道攝動的日月引力攝動、潮汐攝動、大氣攝動等因素相比，地球重力攝動因素所占比例更高。

以衛星為例，衛星是通過火箭發射上天、進入軌道且圍繞地球運動的?；鸺诎l射場上有一段近地低速飛行，此時火箭的制導系統對地球重力場的高頻信息非常敏感，由重力場測量誤差引起的加速度誤差，很快會累積成速度誤差，進而直接影響衛星的飛行軌跡。因此，發射運載衛星的火箭升空前，有關人員需要了解地球重力場的細微結構，這就必須在發射場測定足夠精度和密度的重力點，建立場區局部重力場模犁。其次是計算發射點的垂線偏差和高程異常，也需要精細的重力資料。其三是火箭發射中使用的慣性儀表在發射場進行測試時，測試結果與儀表位置的重力加速度亦密切相關。這些都需要在衛星發射場區測定許多重力點。

在珠穆朗瑪峰高程的測定和歸算中，也需要地球重力場數據的支持。地面點的重力值不僅隨緯度而變，也與地面高程的變化緊密相聯，所以在推求珠峰高程中少不了地球重力場數據。也正是因為如此，在1966-1968年、1975年和2005年的珠穆朗瑪峰的3次高程測量中都使用了地球重力場數據。

在軍事領域，運載火箭、遠程武器的飛行彈道也主要決定于地球重力場。彈道專家對地球重力的研究格外重視，遠程武器的發射首區，對地球重力的測定要求精度高、測量面積大，需要花費大量的人力和物力。

即便是我們的日常生活也離不開地球重力場。在失重或者超重的情況下，人們的生活會很不方便。在地球上生存的人類，每時每刻都受到地球重力場的作用。雨、雪、霜、自然成熟的植物果實等，都會由于重力的作用而降落到地面上。在微重力環境下，植物的培育、生長和在正常的重力條件下不同，科學家們正在就這個課題進行深入研究。

地球重力場數據還可以推算地震引起的震中和相關區域的水平和垂直位移，為抗震減災工作提供支持。

如何測定地球重力場

既然重力場對我們的生活如此重要，該怎樣測定地球的重力場呢?

測量地球重力，可以通過直接或者間接方法進行，分別被稱為絕對重力測量和相對重力測量。

早期的絕對重力測量儀為數學擺和物理擺。數學擺是一種理想的擺，它是以一質點系在無質量而且長度不變的線的一端，線的另一端固定在一個絕對不動的點上，施加外力使其離開平衡位置后，它會純粹因重力的作用而不斷地擺動。物理擺是繞水平軸自由擺動的剛體。其中的可倒擺測定重力的精度能夠達到毫伽級。

以美國FG-5絕對重力儀和國產NIM-2為代表的現代絕對重力儀多利用自由落體和邁克爾遜激光干涉原理測定重力值。目前，中、美、俄、意研制的絕對重力儀都達到了微伽級的水平。

1997年度諾貝爾物理學獎金得主朱棣文教授等設計制作的原子干涉儀，也可以進行絕對重力測量，該干涉儀1999年測定重力的精度和FG-5相當。

不過，絕對重力儀盡管測量精度高，但價格昂貴，移動不便，多數只能在科學研究中應用。相對重力儀器雖然精度較低，但移動和運輸方便、成本低，在生產實踐中應用更廣泛。

相對重力測量采用的主要有石英和金屬彈簧重力儀器。相對重力測量儀器的核心部件為彈性優良的金屬或者石英彈簧，以彈簧的伸縮變化測定重力的變化。

相對重力儀中的彈簧存在彈性疲勞現象，因而重力儀會產生“零點漂移”，即在重力不變的情況下，重力儀的讀數隨時間而變化?！傲泓c漂移”對重力儀的測量精度會有影響，通常只能在觀測中加以修正，而不能完全消除。

目前，還有利用超導材料制造的相對重力儀器。

超導重力儀根據超導現象制成，是在低溫情況下用超導鈮絲繞成兩組線圈，分別安裝在超導球周圍和下方，超導球是用鋁制成的空心小球，外表涂鉛。線圈接通電流后，立即切斷電源，線圈之間形成一個永久磁場。超導球由于抗磁性而懸浮在磁場中。當懸浮力同作用在小球上的重力平衡時，超導球靜止在一個位置上。當重力發生變化時，超導球也隨之上下移動，且呈線性關系。超導球位移量可采用電容傳感器檢測，進而求出重力變化。超導重力儀多用于固定臺站的重力測量，其測量精度為微伽級。

需要說明的是，重力測量種類劃分有多種方式。比如，按照測量作業區域，可以把重力測量劃分為：陸地重力測量、地下重力測量、海洋重力測量、航空重力測量、衛星(空間)重力測量。在不同的測量作業區域，使用的測量儀也不盡相同。

在海洋和航空區域，一般采用相對重力測量儀進行重力測量。

在利用人造地球衛星進行地球重力測量時，一般采用間接的方法，即通過地面跟蹤衛星、衛星對地觀測，或者衛星跟蹤衛星的技術，間接求得地球重力數值。這些衛星也被稱為重力衛星。

(責任編輯趙菲)