人造卫星如何测地球重力场

在地球表面不同地点，你所称量到的体重都差不多。因为地球基本是一颗均匀的球体，表面重力在各处几乎相同。其实，地球各处的重力还是有很细微差别的，但一般性测量是测不出来的，需要依靠卫星的灵敏度。

2002年3月，美国航空航天局和德国空间中心联合研制的“重力测量和气候试验卫星”发射升空，开展了一项高精度全球重力场观测与气候变化试验。它由两颗完全相同的卫星组成，在距离地面500千米的同一圆轨道上相距约220千米运行，通过精确测量两颗卫星之间的距离和速率变化来反演地球重力场，测量误差不超过人头发的直径。它所运用的原理是：质量的运动会引起重力场的变化。例如，地势较低的四川盆地被水淹了，此地的质量增加，路过的卫星速度就会增加，两个卫星间的距离就会变大。然后，在质量拉扯下两个卫星之间的距离又会缩短。这样，通过测量两个卫星之间的距离，就可以获得地表任何指定区域的表面质量。

“希望一号”试验卫星

大小与小汽车相仿的“重力测量和气候试验 卫星”在轨运行示意图

这两颗双胞胎卫星除了能够精确测量地球大小、形状、旋转轴和重力场的变化外，还是监测陆地冰川消融、海平面与环流变化、陆地水量变化、强地震等全球环境变化的有力工具。地球内部一些极为缓慢的变化会造成重力场发生变化。例如，地球极区的冰在过去比较多，这些冰的质量让地球在两极的方向较为扁平。现在由于部分冰融化，原本被重压的陆地反弹而上升，加拿大北部就正在上升中。这使得地球变成更接近完美的球体。通过这两颗双胞胎卫星精确地测量重力的微小变化，科学家还发现许多地方的地下水正在以不可持续的方式大量消耗。