地球母親的遠(yuǎn)程“B超探測(cè)儀”
——衛(wèi)星時(shí)變重力場(chǎng)
◎? 徐銘
地球是孕育生命的搖籃,，地球上的生態(tài)環(huán)境變化與人類的生存延續(xù)息息相關(guān),，地球母親的身體健康可謂是至關(guān)重要,，那么我們?nèi)祟愂窃趺磳?duì)地球母親進(jìn)行身體檢查和健康監(jiān)測(cè)的呢,？隨著航天、通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)及相關(guān)科學(xué)載荷技術(shù)的發(fā)展,，人類發(fā)射了一系列對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星,，其中包括測(cè)高衛(wèi)星、重力衛(wèi)星和高光譜類衛(wèi)星等,。這些人造衛(wèi)星通過(guò)不同的監(jiān)測(cè)手段給地球做著各項(xiàng)身體檢查,，其中由重力衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)的地球時(shí)變重力場(chǎng)，猶如給地球做“B超”檢查一般時(shí)刻監(jiān)測(cè)地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律,。那么地球時(shí)變重力場(chǎng)具體是什么,？它是何如進(jìn)行觀測(cè)的呢？我們又能從時(shí)變重力場(chǎng)變化中獲取什么信息呢,？
重力場(chǎng)是地球的基本物理特征之一,，能夠反映地球內(nèi)部物質(zhì)空間分布及其運(yùn)動(dòng)變化，可以籠統(tǒng)區(qū)分為靜態(tài)重力場(chǎng)和時(shí)變重力場(chǎng),。而時(shí)變重力場(chǎng)是由于質(zhì)量重新分布引起的相對(duì)于穩(wěn)定平均重力場(chǎng)隨時(shí)間變化的重力場(chǎng)信息,，通俗地說(shuō)就是它能夠反映出地球表層及內(nèi)部質(zhì)量隨時(shí)間變化的情況。地球重力衛(wèi)星包括挑戰(zhàn)性小衛(wèi)星有效載荷計(jì)劃（Challenging Minisatellite Payload, CHAMP）,、重力反演與氣候?qū)嶒?yàn)計(jì)劃（Gravity Recovery And Climate Experiment, GRACE）,、重力場(chǎng)穩(wěn)態(tài)海洋環(huán)流探測(cè)計(jì)劃（Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer, GOCE）,、GRACE后續(xù)任務(wù)（Gravity Recovery And Climate Experiment Follow-On, GRACE-FO）等衛(wèi)星計(jì)劃，其中GRACE系列衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果能夠用于恢復(fù)時(shí)變重力場(chǎng),。
GRACE衛(wèi)星任務(wù)計(jì)劃由美國(guó)航空航天局（NASA）和德國(guó)宇航中心（DLR）合作研發(fā),，于2002年3月至2017年6月在軌運(yùn)行15年，是國(guó)際上首次采用低軌道衛(wèi)星相互跟蹤測(cè)量技術(shù)（低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤技術(shù),，SST-LL）的重力衛(wèi)星任務(wù),，由GRACE-A/B雙顆衛(wèi)星組成，搭載星間微波測(cè)距系統(tǒng),、雙頻GPS接收機(jī),、超星加速度計(jì)和恒星敏感器等儀器設(shè)備,，通過(guò)互相測(cè)量星間距離和星間速率,，結(jié)合高軌GPS衛(wèi)星提供的軌道及衛(wèi)星非保守力補(bǔ)償?shù)刃畔ⅲ謴?fù)出地球的時(shí)變重力場(chǎng)模型,。GRACE Follow-On為GRACE衛(wèi)星的后續(xù)探測(cè)計(jì)劃,，由NASA和德國(guó)地學(xué)中心（GFZ）共同研制，于2018年5月發(fā)射,，截至2023年3月仍在軌運(yùn)行中,。
GRACE系列衛(wèi)星的探測(cè)原理非常有趣，其工作原理示意圖如下圖所示,，它們?cè)诘厍蛏峡占s400千米的近地軌道上相互“追逐”,，彼此間的距離大約為220千米，由于地球上遍布山川湖泊且地球各處內(nèi)部物質(zhì)的密度不一致,，因此衛(wèi)星每時(shí)每刻所受到的吸引力也是不一樣的,，這就會(huì)表現(xiàn)為兩顆衛(wèi)星間的距離時(shí)而縮短時(shí)而變長(zhǎng)，就像動(dòng)畫片《貓和老鼠》中的“湯姆”和“杰瑞”一般相互追逐,，但不同的是衛(wèi)星它們不會(huì)“相遇”,。通過(guò)精確測(cè)量彼此間的距離和距離的變化率，結(jié)合期間GPS衛(wèi)星提供的精密軌道和衛(wèi)星內(nèi)部的姿態(tài)及非保守力補(bǔ)償信息,，就能解算出時(shí)變重力場(chǎng)模型,。根據(jù)時(shí)間的長(zhǎng)短解算并發(fā)布的模型有1天、1周,、10天和1個(gè)月的模型,，但用于科學(xué)研究使用較多的是月模型，即相當(dāng)于人類每個(gè)月給地球做了一次全身“B超”檢查,，通過(guò)每個(gè)月的檢查結(jié)果就能分析出地球內(nèi)部正在發(fā)生什么變化,。
時(shí)變重力場(chǎng)有眾多用途，它每反映的一處信號(hào)都是由于地球表層或內(nèi)部質(zhì)量遷移導(dǎo)致的,，而導(dǎo)致這些信號(hào)的原因有很多,，比如地下水儲(chǔ)量變化,、極地或高山冰川消融、冰后回彈,、海洋質(zhì)量變化和強(qiáng)震引起的質(zhì)量變化等等,。但受制于關(guān)鍵載荷及相關(guān)攝動(dòng)力模型誤差，當(dāng)前時(shí)變場(chǎng)模型的分辨率大致為300千米,，等效水高變化觀測(cè)誤差大約為2厘米,，只能反映出全球或局部大尺度的質(zhì)量變化。比如,，我國(guó)華北平原,、柴達(dá)木盆地等區(qū)域的地下水變化，南極和格陵蘭島等區(qū)域的冰蓋消融,，因海水質(zhì)量變化導(dǎo)致的全球平均海水面上升,，Mw8.5以上強(qiáng)震引起的質(zhì)量變化也能被檢測(cè)到。因此,，重力衛(wèi)星在監(jiān)測(cè)地球身體狀況上可謂是幫了大忙,。
目前，我國(guó)正在落實(shí)和推進(jìn)“天琴”引力波探測(cè)計(jì)劃,，其中“天琴二號(hào)”衛(wèi)星已經(jīng)成功立項(xiàng),，屆時(shí)將搭載高精度星間測(cè)距設(shè)備勢(shì)必獲取屬于我國(guó)自己的時(shí)變重力場(chǎng)模型。時(shí)變重力場(chǎng)的建立為人類水資源管理,、揭示環(huán)境變化和監(jiān)測(cè)自然災(zāi)害提供了重要的基礎(chǔ)信息,，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星時(shí)變重力場(chǎng)測(cè)量將成為人類對(duì)地觀測(cè)中不可或缺的手段之一,。 （作者單位：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局）
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