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地球重力场的奥秘

2012-10-22 16:39:05 来源:

在人们的印象中,测绘学的工作似乎主要只是绘制各种比例尺地图而已。其实,测绘学研究的内容并非如此单一。

作为地球科学的一个分支,测绘学要研究、测定和推算地面及其外层空间点的集合位置、确定地球形状和地球重力场,获取地球表面自然形态和人工设施的几何分布以及与其属性有关的信息,编制全球或者局部地区各种比例尺的普通地图和专题地图,建立各种地理信息系统,为经济发展和国防建设以及地学研究服务。

大地测量学是测绘学的组成部分之一,主要是研究地球的形状、大小和重力场,测定地面点几何位置和地球整体与局部运动的理论和技术。

在大地测量学中,测定地球的大小指的是测定地球这个椭圆形球体的大小;研究地球形状是指研究大地水准面的形状。

在固体地球物理学中,地球重力场也是其组成部分之一;在天体力学和航天科学中,地球重力场也占据重要位置。所以,地球重力场具有交叉学科的性质。

什么是地球重力场

在中学我们已经学过,地球重力是由于地球的吸引而产生的力。严格地说,地球重力不仅是由于地球对物体吸引这种单一力所造成的,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两个力合成的。其中,引力是决定重力大小的根本因素。在地球作用的空间内,其大小与方向和物体所在位置相关。地球重力场可以反映地球内部 质量、密度的分布和变化,反映地球物质空间分布、运动和变化。地球重力场是一种物理场,分布于引起它的场源体——地球内部、表面及其周围的空间。

由于单位质量在重力场中受到的重力和重力加速度在数值上是一样的,所以在重力测量学科中,一般以重力代替重力加速度,但其单位仍然为加速度的单位。重力加速度的单位在MKS(米·千克·秒)单位制中为m/s2(米/秒2),在CGS(厘米·克·秒)单位制中为cm/s2(厘米/秒2);在国际单位制中,重力加速度的单位为:国际重力单位gravity unit,简写为g.u.。两者的换算关系为:1cm/s2=106g.u.。

为了纪念第一位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(厘米/秒2)”称为伽。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,不做特别说明的话,重力就指重力加速度;同时,也将重力场的测量,简称为重力测量;地球重力场主要指地球外部的重力场。

地球重力场与我们的生活

从科学的角度讲,地球重力场及其随时间的变化信息对于地球动力学和地球内部物理的研究具有重要意义,特别是对岩石圈动力机制、地幔对流与岩石圈漂移、岩石圈异常质量分布、冰后反弹质量调整、冰后反弹引起的海平面变化以及对固体地球的影响、冰盖与冰河的质量平衡、大陆冰雪的变化、板块相互作用机制、板块内部构造、海底岩石圈与海山动力学、海平面变化的物理机制、地球自转、陆地地壳运动和海平面变化的分离等方面提供重要的依据。在大地测量学中,地球重力场信息可以用于研究地球的大小和形状,并且为测量数据的归算提供支持。

航天器,包括各种人造地球卫星和飞船,凡是在地球重力场中运行的,地球重力场都是决定各航天器以及卫星运行轨迹的主要因素;与其他引起航天器轨道摄动的日月引力摄动、潮汐摄动、大气摄动等因素相比,地球重力摄动因素所占比例更高。

以卫星为例,卫星是通过火箭发射上天、进入轨道且围绕地球运动的。火箭在发射场上有一段近地低速飞行,此时火箭的制导系统对地球重力场的高频信息非常敏感,由重力场测量误差引起的加速度误差,很快会累积成速度误差,进而直接影响卫星的飞行轨迹。因此,发射运载卫星的火箭升空前,有关人员需要了解地球重力场的细微结构,这就必须在发射场测定足够精度和密度的重力点,建立场区局部重力场模犁。其次是计算发射点的垂线偏差和高程异常,也需要精细的重力资料。其三是火箭发射中使用的惯性仪表在发射场进行测试时,测试结果与仪表位置的重力加速度亦密切相关。这些都需要在卫星发射场区测定许多重力点。

在珠穆朗玛峰高程的测定和归算中,也需要地球重力场数据的支持。地面点的重力值不仅随纬度而变,也与地面高程的变化紧密相联,所以在推求珠峰高程中少不了地球重力场数据。也正是因为如此,在1966-1968年、1975年和2005年的珠穆朗玛峰的3次高程测量中都使用了地球重力场数据。

在军事领域,运载火箭、远程武器的飞行弹道也主要决定于地球重力场。弹道专家对地球重力的研究格外重视,远程武器的发射首区,对地球重力的测定要求精度高、测量面积大,需要花费大量的人力和物力。

即便是我们的日常生活也离不开地球重力场。在失重或者超重的情况下,人们的生活会很不方便。在地球上生存的人类,每时每刻都受到地球重力场的作用。雨、雪、霜、自然成熟的植物果实等,都会由于重力的作用而降落到地面上。在微重力环境下,植物的培育、生长和在正常的重力条件下不同,科学家们正在就这个课题进行深入研究。

地球重力场数据还可以推算地震引起的震中和相关区域的水平和垂直位移,为抗震减灾工作提供支持。

如何测定地球重力场

既然重力场对我们的生活如此重要,该怎样测定地球的重力场呢?

测量地球重力,可以通过直接或者间接方法进行,分别被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为数学摆和物理摆。数学摆是一种理想的摆,它是以一质点系在无质量而且长度不变的线的一端,线的另一端固定在一个绝对不动的点上,施加外力使其离开平衡位置后,它会纯粹因重力的作用而不断地摆动。物理摆是绕水平轴自由摆动的刚体。其中的可倒摆测定重力的精度能够达到毫伽级。

以美国FG-5绝对重力仪和国产NIM-2为代表的现代绝对重力仪多利用自由落体和迈克尔逊激光干涉原理测定重力值。目前,中、美、俄、意研制的绝对重力仪都达到了微伽级的水平。

1997年度诺贝尔物理学奖金得主朱棣文教授等设计制作的原子干涉仪,也可以进行绝对重力测量,该干涉仪1999年测定重力的精度和FG-5相当。

不过,绝对重力仪尽管测量精度高,但价格昂贵,移动不便,多数只能在科学研究中应用。相对重力仪器虽然精度较低,但移动和运输方便、成本低,在生产实践中应用更广泛。

相对重力测量采用的主要有石英和金属弹簧重力仪器。相对重力测量仪器的核心部件为弹性优良的金属或者石英弹簧,以弹簧的伸缩变化测定重力的变化。

相对重力仪中的弹簧存在弹性疲劳现象,因而重力仪会产生“零点漂移”,即在重力不变的情况下,重力仪的读数随时间而变化。“零点漂移”对重力仪的测量精度会有影响,通常只能在观测中加以修正,而不能完全消除。

目前,还有利用超导材料制造的相对重力仪器。

超导重力仪根据超导现象制成,是在低温情况下用超导铌丝绕成两组线圈,分别安装在超导球周围和下方,超导球是用铝制成的空心小球,外表涂铅。线圈接通电流后,立即切断电源,线圈之间形成一个永久磁场。超导球由于抗磁性而悬浮在磁场中。当悬浮力同作用在小球上的重力平衡时,超导球静止在一个位置上。当重力发生变化时,超导球也随之上下移动,且呈线性关系。超导球位移量可采用电容传感器检测,进而求出重力变化。超导重力仪多用于固定台站的重力测量,其测量精度为微伽级。

需要说明的是,重力测量种类划分有多种方式。比如,按照测量作业区域,可以把重力测量划分为:陆地重力测量、地下重力测量、海洋重力测量、航空重力测量、卫星(空间)重力测量。在不同的测量作业区域,使用的测量仪也不尽相同。

在海洋和航空区域,一般采用相对重力测量仪进行重力测量。

在利用人造地球卫星进行地球重力测量时,一般采用间接的方法,即通过地面跟踪卫星、卫星对地观测,或者卫星跟踪卫星的技术,间接求得地球重力数值。这些卫星也被称为重力卫星。

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