给地球“体检”

晨 风

如果我们想了解地球的“身体”状况，有什么好办法呢？靠人力进行局部测绘是可以的，但是这种方法无法覆盖全球，而且地球上还有很多地方是人类难以涉足的。这可怎么办呢？别急，科学家们发现通过测量地球的重力场就能够获得地球的“身体”信息。

地球重力是由地球对物体的吸引力和地球自转产生的惯性离心力合成的。由于地球内部、表面及其周围的空间都具有一定的质量，所以产生的引力（重力）交织在一起就形成了重力场。地球重力场可以反映地球内部的质量、密度，以及地球物质的空间分布、运动和变化。

我们如何探测它呢？这就要劳烦身处太空的卫星来帮忙了。卫星围绕地球飞行，当飞行到较大质量区上空时，卫星会出现额外的重力加速；离开该区域时，则会相应出现轻微的减速。通过卫星运行速度的变化，我们就能测量地球重力场了。

2002 年3 月17 日，NASA（美国国家航空航天局）与德国空间局合作研制的“重力恢复与气候实验”探测卫星GRACE 成功发射。GRACE 项目包括两颗一模一样的小卫星，两者一前一后相隔220 千米进行编队飞行。如果下方的地球某个地点出现质量中心，它就会对这两颗小卫星之间的距离产生细微影响。当然，两颗卫星间距变化的幅度非常小，一般仅有几微米，还不及一根头发丝的直径。

为了不间断测量两颗卫星之间的精确距离，两颗卫星相互之间不断发射脉冲信号，并测定信号往返的时间。与此同时，GRACE 卫星还会利用高精度GPS 定位系统对应地面的精确位置。另外，卫星上搭载的专用加速计会不断测量其他施加于卫星的力，比如稀薄的地球外层大气对卫星的摩擦力，以及来自太阳光线照射在卫星上产生的轻微压力。

通过汇总所有数据并利用算法剔除各种干扰误差后，研究人员每个月都能制作出一份高精度全球重力分布图。通过GRACE 项目，研究人员还开创了一种空间遥感的崭新应用模式：通过地球重力场测量来追踪水体运动。

地球重力场主要源自地球内部的质量。但是地球表面还存在水体，如海洋、河流、冰川、地下水，它们的流动和位置的改变比地球内部物质的运动要迅速得多，风暴、干旱或其他气候变化都会引起水体分布变化，而这些极细微的变化，可以揭示整个地球水圈运动的奥秘。

通过GRACE 卫星提供的数据，科学家们发现了很多地下水濒危地区。在这些地方，人类抽取地下水的速度大大超过了地下水的再生补给速度。通过GRACE 卫星，我们还获知格陵兰岛和南极大陆的冰川消融速度及程度远超预计。自从2002 年升空以来，GRACE 卫星提供的数据显示，格陵兰岛平均每年有大约2800 亿吨冰川消融，南极大陆的冰川消融速度则约每年1200 亿吨，而且速度还在加快。GRACE 卫星的数据为世界各地的政府机构和研究人员对一些风险进行评估、预警提供了极大的帮助。