地球母親的遠(yuǎn)程“B超探測儀”
——衛(wèi)星時(shí)變重力場
◎? 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Φ厍蚰赣H進(jìn)行身體檢查和健康監(jiān)測的呢,？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)射了一系列對地觀測衛(wèi)星，其中包括測高衛(wèi)星,、重力衛(wèi)星和高光譜類衛(wèi)星等,。這些人造衛(wèi)星通過不同的監(jiān)測手段給地球做著各項(xiàng)身體檢查，其中由重力衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)恢復(fù)的地球時(shí)變重力場,，猶如給地球做“B超”檢查一般時(shí)刻監(jiān)測地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律,。那么地球時(shí)變重力場具體是什么？它是何如進(jìn)行觀測的呢,？我們又能從時(shí)變重力場變化中獲取什么信息呢,？
重力場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)重力場和時(shí)變重力場,。而時(shí)變重力場是由于質(zhì)量重新分布引起的相對于穩(wěn)定平均重力場隨時(shí)間變化的重力場信息，通俗地說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）,、重力場穩(wěn)態(tài)海洋環(huán)流探測計(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)星觀測結(jié)果能夠用于恢復(fù)時(shí)變重力場,。
GRACE衛(wèi)星任務(wù)計(jì)劃由美國航空航天局（NASA）和德國宇航中心（DLR）合作研發(fā)，于2002年3月至2017年6月在軌運(yùn)行15年,，是國際上首次采用低軌道衛(wèi)星相互跟蹤測量技術(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,，通過互相測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)變重力場模型,。GRACE Follow-On為GRACE衛(wèi)星的后續(xù)探測計(jì)劃,，由NASA和德國地學(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)星的探測原理非常有趣，其工作原理示意圖如下圖所示,，它們在地球上空約400千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，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”,。通過精確測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)變重力場模型,。根據(jù)時(shí)間的長短解算并發(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)變場模型的分辨率大致為300千米,，等效水高變化觀測誤差大約為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)量變化也能被檢測到,。因此,，重力衛(wèi)星在監(jiān)測地球身體狀況上可謂是幫了大忙。
目前,，我國正在落實(shí)和推進(jìn)“天琴”引力波探測計(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距設(shè)備勢必獲取屬于我國自己的時(shí)變重力場模型,。時(shí)變重力場的建立為人類水資源管理,、揭示環(huán)境變化和監(jiān)測自然災(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)變重力場測量將成為人類對地觀測中不可或缺的手段之一,。 （作者單位：中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局）
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