地球母亲的远程“B超探测仪”

2023.08.01 中国矿业报

　　——卫星时变重力场

　　◎ 徐铭

　　地球是孕育生命的摇篮，地球上的生态环境变化与人类的生存延续息息相关，地球母亲的身体健康可谓是至关重要，那么我们人类是怎么对地球母亲进行身体检查和健康监测的呢？随着航天、通信和计算机技术及相关科学载荷技术的发展，人类发射了一系列对地观测卫星，其中包括测高卫星、重力卫星和高光谱类卫星等。这些人造卫星通过不同的监测手段给地球做着各项身体检查，其中由重力卫星观测数据恢复的地球时变重力场，犹如给地球做“B超”检查一般时刻监测地球内部的结构及其变化规律。那么地球时变重力场具体是什么？它是何如进行观测的呢？我们又能从时变重力场变化中获取什么信息呢？

　　重力场是地球的基本物理特征之一，能够反映地球内部物质空间分布及其运动变化，可以笼统区分为静态重力场和时变重力场。而时变重力场是由于质量重新分布引起的相对于稳定平均重力场随时间变化的重力场信息，通俗地说就是它能够反映出地球表层及内部质量随时间变化的情况。地球重力卫星包括挑战性小卫星有效载荷计划（Challenging Minisatellite Payload, CHAMP）、重力反演与气候实验计划（Gravity Recovery And Climate Experiment, GRACE）、重力场稳态海洋环流探测计划（Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer, GOCE）、GRACE后续任务（Gravity Recovery And Climate Experiment Follow-On, GRACE-FO）等卫星计划，其中GRACE系列卫星观测结果能够用于恢复时变重力场。

　　GRACE卫星任务计划由美国航空航天局（NASA）和德国宇航中心（DLR）合作研发，于2002年3月至2017年6月在轨运行15年，是国际上首次采用低轨道卫星相互跟踪测量技术（低低卫卫跟踪技术，SST-LL）的重力卫星任务，由GRACE-A/B双颗卫星组成，搭载星间微波测距系统、双频GPS接收机、超星加速度计和恒星敏感器等仪器设备，通过互相测量星间距离和星间速率，结合高轨GPS卫星提供的轨道及卫星非保守力补偿等信息，恢复出地球的时变重力场模型。GRACE Follow-On为GRACE卫星的后续探测计划，由NASA和德国地学中心（GFZ）共同研制，于2018年5月发射，截至2023年3月仍在轨运行中。

　　GRACE系列卫星的探测原理非常有趣，其工作原理示意图如下图所示，它们在地球上空约400千米的近地轨道上相互“追逐”，彼此间的距离大约为220千米，由于地球上遍布山川湖泊且地球各处内部物质的密度不一致，因此卫星每时每刻所受到的吸引力也是不一样的，这就会表现为两颗卫星间的距离时而缩短时而变长，就像动画片《猫和老鼠》中的“汤姆”和“杰瑞”一般相互追逐，但不同的是卫星它们不会“相遇”。通过精确测量彼此间的距离和距离的变化率，结合期间GPS卫星提供的精密轨道和卫星内部的姿态及非保守力补偿信息，就能解算出时变重力场模型。根据时间的长短解算并发布的模型有1天、1周、10天和1个月的模型，但用于科学研究使用较多的是月模型，即相当于人类每个月给地球做了一次全身“B超”检查，通过每个月的检查结果就能分析出地球内部正在发生什么变化。

　　时变重力场有众多用途，它每反映的一处信号都是由于地球表层或内部质量迁移导致的，而导致这些信号的原因有很多，比如地下水储量变化、极地或高山冰川消融、冰后回弹、海洋质量变化和强震引起的质量变化等等。但受制于关键载荷及相关摄动力模型误差，当前时变场模型的分辨率大致为300千米，等效水高变化观测误差大约为2厘米，只能反映出全球或局部大尺度的质量变化。比如，我国华北平原、柴达木盆地等区域的地下水变化，南极和格陵兰岛等区域的冰盖消融，因海水质量变化导致的全球平均海水面上升，Mw8.5以上强震引起的质量变化也能被检测到。因此，重力卫星在监测地球身体状况上可谓是帮了大忙。

　　目前，我国正在落实和推进“天琴”引力波探测计划，其中“天琴二号”卫星已经成功立项，届时将搭载高精度星间测距设备势必获取属于我国自己的时变重力场模型。时变重力场的建立为人类水资源管理、揭示环境变化和监测自然灾害提供了重要的基础信息，随着科学技术的不断发展，卫星时变重力场测量将成为人类对地观测中不可或缺的手段之一。（作者单位：中国地质调查局广州海洋地质调查局）