給地球“體檢”

晨風

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，科學家們發現通過測量地球的重力場就能夠獲得地球的“身體”信息。

地球重力是由地球對物體的吸引力和地球自轉產生的慣性離心力合成的。由于地球內部、表面及其周圍的空間都具有一定的質量，所以產生的引力（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部的質量、密度，以及地球物質的空間分布、運動和變化。

我們如何探測它呢？這就要勞煩身處太空的衛星來幫忙了。衛星圍繞地球飛行，當飛行到較大質量區上空時，衛星會出現額外的重力加速；離開該區域時，則會相應出現輕微的減速。通過衛星運行速度的變化，我們就能測量地球重力場了。

2 0 0 2年3月1 7日，N A S A（美國國家航空航天局）與德國空間局合作研制的“重力恢復與氣候實驗”探測衛星GRACE成功發射。GRACE項目包括兩顆一模一樣的小衛星，兩者一前一后相隔2 2 0千米進行編隊飛行。如果下方的地球某個地點出現質量中心，它就會對這兩顆小衛星之間的距離產生細微影響。當然，兩顆衛星間距變化的幅度非常小，一般僅有幾微米，還不及一根頭發絲的直徑。

為了不間斷測量兩顆衛星之間的精確距離，兩顆衛星相互之間不斷發射脈沖信號，并測定信號往返的時間。與此同時，GRACE衛星還會利用高精度G P S定位系統對應地面的精確位置。另外，衛星上搭載的專用加速計會不斷測量其他施加于衛星的力，比如稀薄的地球外層大氣對衛星的摩擦力，以及來自太陽光線照射在衛星上產生的輕微壓力。

通過匯總所有數據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，研究人員還開創了一種空間遙感的嶄新應用模式：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部的質量。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部物質的運動要迅速得多，風暴、干旱或其他氣候變化都會引起水體分布變化，而這些極細微的變化，可以揭示整個地球水圈運動的奧秘。

通過GRACE衛星提供的數據，科學家們發現了很多地下水瀕危地區。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超預計。自從2 0 0 2年升空以來，GRACE衛星提供的數據顯示，格陵蘭島平均每年有大約2 8 0 0億噸冰川消融，南極大陸的冰川消融速度則約每年1 2 0 0億噸，而且速度還在加快。GRACE衛星的數據為世界各地的政府機構和研究人員對一些風險進行評估、預警提供了極大的幫助。

（摘自《百科探秘 ·航空航天》2 0 2 0年第1 2期，有刪改）