地球重力场的奥秘

在人们的印象中，测绘工作似乎主要是绘制各种比例尺的地图。事实上，测绘研究的内容并不那么单一。作为地球科学的一个分支，测绘研究确定和计算地面及其外层空间点的集体位置，确定地球的形状和重力场，获得地球表面的自然形态和人造设施的几何分布以及与其属性有关的信息，编制全球或局部地区各种比例的总地图和专题地图，并建立各种地理信息系统，为经济发展、国防建设和地质研究服务。大地测量是测绘的组成部分之一。它主要研究地球的形状、大小和重力场，确定地面点的几何位置和地球的整体和局部运动的理论和技术。在大地测量学中，测量地球的大小是指测量椭圆形球体的大小。研究地球的形状意味着研究大地水准面的形状。在固体地球物理学中，地球的重力场也是其组成部分之一。在天体力学和空间科学中，地球的重力场也占有重要地位。因此，地球重力场具有跨学科的性质。什么是地球引力场我们在高中就已经知道了，地球引力是地球引力产生的力。严格地说，地球的引力不仅仅是由地球对物体的单一吸引力引起的，而是由地球对物体的吸引力和地球自转产生的惯性离心力这两种力组合而成的。其中，重力是决定重力大小的基本因素。在地球活动的空间中，它的大小与物体的方向和位置有关。地球重力场可以反映地球内部质量和密度的分布和变化，以及地球物质的空间分布、运动和变化。地球重力场是一个物理场，分布在地球内部、表面和周围的空间中，是场的来源。由于重力场中单位质量的重力和加速度在值上是相同的，所以在重力测量的学科中，重力通常被用来代替重力加速度，但是它的单位仍然是加速度的单位。重力加速度的单位是米/秒(米/秒2)，单位是MKS(米千克/秒)，厘米/秒(厘米/秒2)，单位是CGS(厘米克/秒)；在国际单位制中，重力加速度的单位是国际重力单位，缩写为g.u。两者之间的换算关系是:1厘米/S2 = 106 g.u。为了纪念第一个进行重力测量的意大利物理学家和天文学家伽利略，人们把“cm/s2 (cm/s2)”称为伽利略。所以有:1加仑等于0.01/秒2；1纳克等于1000纳克:1纳克等于1000纳克:1纳克等于10克铀。在下文中，没有特别的解释，重力指的是重力加速度。同时，重力场测量也简称重力测量。地球重力场主要指地球外部的重力场。从科学的角度来看，地球重力场及其随时间的变化信息对地球动力学和地球内部物理的研究具有重要意义。特别是，它为岩石圈动力学机制、地幔对流和岩石圈漂移、岩石圈异常质量分布、冰后反弹质量的调整、冰后反弹引起的海平面变化及其对固体地球的影响、冰盖和冰川之间的质量平衡、大陆冰雪的变化、板块相互作用机制、板块内部结构、海底岩石圈和海山的动力学、海平面变化的物理机制、地球自转、地壳运动与海平面变化的分离等提供了重要依据。在大地测量中，地球重力场信息可用于研究地球的大小和形状，并为减少测量数据提供支持。航天器，包括各种人造地球卫星和航天器，总是在地球重力场中运行，这是决定每个航天器和卫星轨道的主要因素。与引起航天器轨道摄动的其他因素(如太阳和月球引力摄动、潮汐摄动和大气摄动)相比，地球引力摄动因素所占的比例更高。以卫星为例。卫星由火箭发射到天空，进入轨道并围绕地球运行。火箭在发射场附近进行低速飞行。此时，火箭的制导系统对地球重力场的高频信息非常敏感。重力场测量误差引起的加速度误差将很快累积成速度误差，这将直接影响卫星的飞行轨迹。因此，在发射运载卫星的火箭发射前，相关人员需要了解地球重力场的精细结构，这就需要在发射场以足够的精度和密度测量重力场点，并在场区建立局部重力场模型犁。二是计算发射点的垂直偏差和高程异常，这也需要精细的重力数据。第三，火箭发射中使用的惯性仪表在发射场测试时，测试结果也与仪表位置的重力加速度密切相关。所有这些都需要确定卫星发射场区域的许多重力点。

在确定和降低珠穆朗玛峰的海拔时，还需要地球重力场数据的支持。地面点的重力值不仅随纬度变化，而且与地面高程的变化密切相关，因此地球重力场数据在珠峰高程的计算中是不可缺少的。也正因为如此，地球重力场数据被用于1966年至1968年、1975年和2005年珠穆朗玛峰的三次海拔测量。在军事领域，运载火箭和远程武器的飞行轨迹也主要由地球重力场决定。弹道专家特别关注对地球引力的研究。在远程武器的发射头区域，地球引力的测量需要高精度和大的测量面积，这需要大量的人力和物力。甚至我们的日常生活也离不开地球的引力场。在失重或超重的情况下，人们的生活会很不方便。生活在地球上的人类总是受到地球重力场的影响。雨、雪、霜、自然成熟的植物果实等。在重力的作用下，所有的东西都掉到了地上。在微重力环境下，植物的培养和生长不同于正常重力条件下的培养和生长。科学家们正在对这一课题进行深入研究。地球重力场数据还可以计算地震引起的震中及相关区域的水平和垂直位移，为抗震减灾提供支持。既然重力场对我们的生活如此重要，如何确定地球的重力场呢？地球重力的测量可以通过直接或间接的方法进行，分别称为绝对重力测量和相对重力测量。早期的绝对重力测量仪器是数学摆和物理摆。数学钟摆是一种理想钟摆。它是基于一个粒子绑在一条线的一端，没有质量，长度不变。线的另一端固定在一个绝对固定的点上。施加外力使其离开平衡位置后，它将纯粹由于重力作用而持续摆动。物理摆是一个刚体，可以围绕水平轴*摆动。倒立摆重力测量的精度可以达到毫伽级。以美国的FG-5绝对重力仪和中国的NIM-2为代表的现代绝对重力仪，大多采用*落体和迈克尔逊激光干涉原理来测量重力值。目前，中国、美国、俄罗斯和意大利研制的绝对重力仪都达到了微伽马水平。由1997年诺贝尔物理学奖获得者朱棣文教授设计和制造的原子干涉仪也可以用来测量绝对重力。1999年干涉仪测量重力的精度相当于FG-5。然而，虽然绝对重力仪具有很高的测量精度，但它们价格昂贵，移动不便，而且大多数只能用于科学研究。相对重力仪虽然精度低，但移动运输方便，成本低。它被广泛应用于生产实践。相对重力测量主要使用应时和金属弹簧重力仪器。相对重力测量仪的核心部件是具有良好弹性的金属或应时弹簧，重力变化通过弹簧的伸缩变化来测量。相对重力仪中的弹簧具有弹性疲劳，所以重力仪会产生“零漂移”，即在重力不变的情况下，重力仪读数随时间变化。“零点漂移”会影响重力仪的测量精度，只能在观测过程中进行校正，但不能完全消除。目前，也有超导材料制成的相对重力仪器。超导重力仪是根据超导现象制造的。它是由超导铌丝在低温下缠绕成两组线圈，分别安装在超导球的周围和下方。超导球是由铝制成并涂有铅的小空心球。线圈通电后，电源立即切断，线圈之间形成永久磁场。由于抗磁性，超导球悬浮在磁场中。当悬浮力与作用在小球上的重力平衡时，超导球在一个位置上是静止的。当重力改变时，超导球也以线性关系上下移动。电容传感器可以检测超导球的位移，进而获得重力变化。超导重力仪主要用于固定台站的重力测量，其测量精度达到微电网水平。应该注意的是，有许多方法来划分重力测量的类型。例如，根据测量作业区域，重力测量可分为陆地重力测量、地下重力测量、海洋重力测量、空中重力测量和卫星(空间)重力测量。在不同的测量操作区域，使用的测量仪器也不同。在海洋和航空领域，相对重力计通常用于重力测量。使用人造地球卫星测量地球重力时，一般采用间接法，即通过地面跟踪卫星、卫星地球观测或卫星跟踪卫星技术间接获得地球重力值。这些卫星也被称为重力卫星。