《三思科学》电子杂志
2002年第4期  总第10期
2002年4月1日

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测量重力：
惊人的GRACE




 David Adam



柯南译自Nature 416, 10 - 11 (2002) 




　　在一个不确定的世界里，至少重力看起来似乎是可靠的。苹果跌落，羽毛下落，无论什么东西上升之后必然下降。但是事物不总是像它们看起来的那样清楚。我们笨拙的地球不是完美的球体，这意味着重力在某地比另外的地方更强——你在洛基山脉要比在印度洋中部的一艘船上更重一点。重力本身也不恒定。洋流、地壳下的岩浆流和冰川的运动全都会使这颗行星的质量重新分布，这足以使重力图不断发生变化。


　　地球科学家和海洋学家粗略的知道地球重力图的样子。但是迄今为止他们还只能在梦想中拥有一张足够精确和动态、能监视诸如洋流和极地冰川融化现象的重力图。这一梦想就要成为现实了。一个国际科学组计划于3月16日在俄罗斯的普列谢茨克火箭发射场（位于圣彼得堡东北600千米）发射“重力恢复与气候试验”卫星（GRACE）（译注：Grace有优美、优雅之意，因此本文标题中的amazing grace为双关语）。在为期5年的使命中，它要绘制迄今最精确的地球重力图，并且揭示重力如何随时间变化。





　　高度夸张的地球重力图



　　GRACE的两颗斜方形状的卫星将沿同一轨道运行，一颗领先另一颗200千米。重力的微小变化将首先影响到前面的一颗卫星，例如把它略微拉向地球，因此它就稍微远离身后的伙伴。星上的微波测距仪将以极高的精确度监测两颗卫星之间的距离，每天至多向地面站报告5次。每30天卫星就能扫过地球足够多的面积，从而绘制出一幅完整的行星重力图。


　　英国纽卡斯尔大学从事卫星重力测量的Philip Moore说：“科学家讨论和筹划这一任务已有十年或更久。我们完全相信，结果将是令人吃惊的。它将使许多学科发生重大变化。”




重量问题



　　NASA和德国宇航研究机构（DLR）的这个联合计划耗资1亿5千万美元，它将会揭示出地球地质和水文的新信息。NASA帕萨迪纳喷气推进实验室的该计划首席科学家Michael Watkins 说：“我们将能看到很多物质流动的现象，并得知到底有多少物质真正移动了。这是用其他任何手段都无法轻易观察到的。”


　　地球某些地点的重力已经通过重力计精确测得。重力计是一种非常灵敏的仪器，能够感知当它被重力吸引的时候，地面给它多大的推力。通过综合地面观测的数据和在地面跟踪卫星轨道运动的数据，研究者已经绘制出了大尺度的重力图。1999年，德国发射了一颗叫做CHAMP的卫星，它携带有全球定位系统（GPS），从而使人们能够能精确的追踪它的位置。


　　但是Watkins说，同样携带有GPS的两颗GRACE卫星将能绘制比现在的精确度高出100倍的重力图。德国GRACE小组的负责人、德国国家地球科学研究中心（GFZ）的Christoph Reigber说，数据在6到9个月以后将在NASA和德国的网站上免费向公众开放。





　　牛顿的继承者：Watkins打算测量把苹果拉向地球的力



　　一种描述GRACE所测量的重力变化的方法称为大地水准面。这是一种假想的表面，在表面上每一点的重力都相同。海水在重力高的地区会堆积起来，而大地水准面就是海洋在没有风、潮汐和洋流的自然状态下形成的面。例如，在印度南端的海中游泳的人低于——或者说更接近地心——另外一个在婆罗洲附近游泳的人200米（位于马来群岛，太平洋西部的一座岛屿——译注）


　　气候建模者将会乐于从卫星对海平面的测量结果中去掉大地水准面效应，这样就能发现洋流和温度变化造成的效果。Watkins说，与大地水准面相比，洋流和温度与气候变化的关系更密切，将重力对海平面测量的影响予以更好的量化，能够帮助研究人员消除这一影响。“为了研究这些海洋学问题，你必须把大地水准面去掉”


　　像利物浦Proudman海洋实验室的Philip Woodworth这样的海洋学家认为，GRACE可以用来观测深海洋流。这些洋流是在全球范围内输送水的输运带的一部分，但是海洋深度对于通常的测量仪器来说太深了。Woodworth说，由于重力能够测量海床特定地点水的总质量，“它能够用来代替海底压力，而海底压力对于确定底部洋流非常重要。”借助于经过改良的压力测量手段，Woodworth希望能够建立更好的洋流循环模型。




移动的图像



　　GRACE能够帮助改进关于墨西哥暖流（湾流）命运的理论。墨西哥暖流把暖水穿过大西洋带到西北欧。一些建模者认为北极冰川的融化将会逆转墨西哥暖流，从而使北欧陷入新的冰期。在GRACE卫星5年的观测周期中，墨西哥暖流任何的削弱现象都将在北大西洋重力图中显现出来。


　　事实上GRACE的一个主要优点是重力图每30天更新一次。GRACE的首席调研员、德克萨斯大学Austin空间研究中心的地球科学家Byron Tapley 说：“以前，重力总是被视作静止的，我们测量一次就算完成了。但静态测量是远远不够的。”


　　Tapley说，卫星能够精确测量几百千米宽区域的重力场。他期望测量能够精确到长时间的暴雨也能够被探测出来。Tapley补充说：“如果我们飞过密西西比、刚果或者恒河盆地，我们就能看到大洪水引起的效应。”




水世界：GRACE的高分辨率图像可以用来监视诸如密西西比盆地的洪水和冰川的融化




　　这种高灵敏度能够让研究者跟踪各式各样的水运动，从蓄水层的变化到极地冰川的融化和冻结。重力测量相对于通常的海平面或者极地冰川体积测量具有优点，即它能够区分升温引起的体积膨胀和水增加的区别。Watkins说：“如果你只是用高度计测量海平面的高度，那就很难区分体积膨胀和质量的增加。”




湿度地图


　　GRACE也能帮助科学家追踪全球土壤湿度变化，这是全球水文循环的一个重要因素。全球水文循环影响到气候变化、侵蚀、水库管理、水质和生态学。现在，研究这使用遥感技术测量某些地区的土壤湿度，但是专家认为对于全球范围的测量仍存在着巨大的需求，而GRACE能满足这种需求。另外一些研究者希望GRACE能够揭示出地壳内部密度的变化，被地壳遮蔽的厚厚的熔岩仍然非常神秘。


　　但是GRACE的能力也有局限，不能研究时间踌度小于一个月的变化或循环，一个月正是卫星完成单次扫描的时间。小于28亿吨的变化也不能被探测到。GRACE检测的是整体的重力，它由水、冰和岩石的重力组成。从信号中区分出两种不同的物质将成为一个挑战。


　　为了实现这个目的，这个计划的科学家研发了一种算法，这种算法能够分析数据、帮助他们区分重力的变化到底是由于蓄水层的水位暴涨还是深层熔岩的运动。时间尺度也要被考虑进来。河流的变化比洋流快；洋流的变化比深层熔岩流。其他的信息，例如降雨量，将会帮助科学家区分不同的事件。


　　Tapley说，军事科学家也可能为GRACE获得的数据找到用途。例如，精确测量重力对于远程导弹的精确制导很重要。石油勘探业也对此怀有极大的兴趣，认为精确的重力测量能够帮助他们发现尚未开采的石油储量。


　　但是所有这些好事总有个尽头。卫星在500千米的低轨道上运行以获得最佳灵敏度，在那里它们偶尔会遇到大气。卫星上的加速度计能够感知任何速度的变化从而避免错误的数据，但是卫星的轨道会逐渐降低。大约5年后，正是GRACE要测量的力会结束这个计划，那时候地球的重力会把卫星拉入大气层烧毁。


David Adam 是《自然》杂志新闻特写作者







　http://www.csr.utexas.edu/grace

　http://op.gfz-potsdam.de/grace/index_GRACE.html