籍利平

在人們的印象中，測繪學的工作似乎主要只是繪制各種比例尺地圖而已。其實，測繪學研究的內(nèi)容并非如此單一。

作為地球科學的一個分支，測繪學要研究、測定和推算地面及其外層空間點的集合位置、確定地球形狀和地球重力場，獲取地球表面自然形態(tài)和人工設(shè)施的幾何分布以及與其屬性有關(guān)的信息，編制全球或者局部地區(qū)各種比例尺的普通地圖和專題地圖，建立各種地理信息系統(tǒng)，為經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)以及地學研究服務(wù)。

大地測量學是測繪學的組成部分之一，主要是研究地球的形狀、大小和重力場，測定地面點幾何位置和地球整體與局部運動的理論和技術(shù)。

在大地測量學中，測定地球的大小指的是測定地球這個橢圓形球體的大小；研究地球形狀是指研究大地水準面的形狀。

在固體地球物理學中，地球重力場也是其組成部分之一；在天體力學和航天科學中，地球重力場也占據(jù)重要位置。所以，地球重力場具有交叉學科的性質(zhì)。

什么是地球重力場

在中學我們已經(jīng)學過，地球重力是由于地球的吸引而產(chǎn)生的力。嚴格地說，地球重力不僅是由于地球?qū)ξ矬w吸引這種單一力所造成的，而是由地球?qū)ξ矬w的吸引力和地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力兩個力合成的。其中，引力是決定重力大小的根本因素。在地球作用的空間內(nèi)，其大小與方向和物體所在位置相關(guān)。地球重力場可以反映地球內(nèi)部質(zhì)量、密度的分布和變化，反映地球物質(zhì)空間分布、運動和變化。地球重力場是一種物理場，分布于引起它的場源體——地球內(nèi)部、表面及其周圍的空間。

由于單位質(zhì)量在重力場中受到的重力和重力加速度在數(shù)值上是一樣的，所以在重力測量學科中，一般以重力代替重力加速度，但其單位仍然為加速度的單位。重力加速度的單位在MKS(米·千克·秒)單位制中為m/s²(米/秒2)，在CGS(厘米·克·秒)單位制中為cm/s²(厘米/秒2)；在國際單位制中，重力加速度的單位為：國際重力單位gravity unit，簡寫為g.u.。兩者的換算關(guān)系為：1cm/s2=10⁶g.u.。

為了紀念第一位進行重力測量的意大利物理學家和天文學家伽利略，人們把“cm/s²(厘米/秒2)”稱為伽。于是有：1伽等于O.01米/秒2;1伽等于1000毫伽：1毫伽等于1000微伽：1毫伽等于10g.u.。

下文中，不做特別說明的話，重力就指重力加速度；同時，也將重力場的測量，簡稱為重力測量；地球重力場主要指地球外部的重力場。

地球重力場與我們的生活

從科學的角度講，地球重力場及其隨時間的變化信息對于地球動力學和地球內(nèi)部物理的研究具有重要意義，特別是對巖石圈動力機制、地幔對流與巖石圈漂移、巖石圈異常質(zhì)量分布、冰后反彈質(zhì)量調(diào)整、冰后反彈引起的海平面變化以及對固體地球的影響、冰蓋與冰河的質(zhì)量平衡、大陸冰雪的變化、板塊相互作用機制、板塊內(nèi)部構(gòu)造、海底巖石圈與海山動力學、海平面變化的物理機制、地球自轉(zhuǎn)、陸地地殼運動和海平面變化的分離等方面提供重要的依據(jù)。在大地測量學中，地球重力場信息可以用于研究地球的大小和形狀，并且為測量數(shù)據(jù)的歸算提供支持。

航天器，包括各種人造地球衛(wèi)星和飛船，凡是在地球重力場中運行的，地球重力場都是決定各航天器以及衛(wèi)星運行軌跡的主要因素；與其他引起航天器軌道攝動的日月引力攝動、潮汐攝動、大氣攝動等因素相比，地球重力攝動因素所占比例更高。

以衛(wèi)星為例，衛(wèi)星是通過火箭發(fā)射上天、進入軌道且圍繞地球運動的?；鸺诎l(fā)射場上有一段近地低速飛行，此時火箭的制導(dǎo)系統(tǒng)對地球重力場的高頻信息非常敏感，由重力場測量誤差引起的加速度誤差，很快會累積成速度誤差，進而直接影響衛(wèi)星的飛行軌跡。因此，發(fā)射運載衛(wèi)星的火箭升空前，有關(guān)人員需要了解地球重力場的細微結(jié)構(gòu)，這就必須在發(fā)射場測定足夠精度和密度的重力點，建立場區(qū)局部重力場模犁。其次是計算發(fā)射點的垂線偏差和高程異常，也需要精細的重力資料。其三是火箭發(fā)射中使用的慣性儀表在發(fā)射場進行測試時，測試結(jié)果與儀表位置的重力加速度亦密切相關(guān)。這些都需要在衛(wèi)星發(fā)射場區(qū)測定許多重力點。

在珠穆朗瑪峰高程的測定和歸算中，也需要地球重力場數(shù)據(jù)的支持。地面點的重力值不僅隨緯度而變，也與地面高程的變化緊密相聯(lián)，所以在推求珠峰高程中少不了地球重力場數(shù)據(jù)。也正是因為如此，在1966-1968年、1975年和2005年的珠穆朗瑪峰的3次高程測量中都使用了地球重力場數(shù)據(jù)。

在軍事領(lǐng)域，運載火箭、遠程武器的飛行彈道也主要決定于地球重力場。彈道專家對地球重力的研究格外重視，遠程武器的發(fā)射首區(qū)，對地球重力的測定要求精度高、測量面積大，需要花費大量的人力和物力。

即便是我們的日常生活也離不開地球重力場。在失重或者超重的情況下，人們的生活會很不方便。在地球上生存的人類，每時每刻都受到地球重力場的作用。雨、雪、霜、自然成熟的植物果實等，都會由于重力的作用而降落到地面上。在微重力環(huán)境下，植物的培育、生長和在正常的重力條件下不同，科學家們正在就這個課題進行深入研究。

地球重力場數(shù)據(jù)還可以推算地震引起的震中和相關(guān)區(qū)域的水平和垂直位移，為抗震減災(zāi)工作提供支持。

如何測定地球重力場

既然重力場對我們的生活如此重要，該怎樣測定地球的重力場呢?

測量地球重力，可以通過直接或者間接方法進行，分別被稱為絕對重力測量和相對重力測量。

早期的絕對重力測量儀為數(shù)學擺和物理擺。數(shù)學擺是一種理想的擺，它是以一質(zhì)點系在無質(zhì)量而且長度不變的線的一端，線的另一端固定在一個絕對不動的點上，施加外力使其離開平衡位置后，它會純粹因重力的作用而不斷地擺動。物理擺是繞水平軸自由擺動的剛體。其中的可倒擺測定重力的精度能夠達到毫伽級。

以美國FG-5絕對重力儀和國產(chǎn)NIM-2為代表的現(xiàn)代絕對重力儀多利用自由落體和邁克爾遜激光干涉原理測定重力值。目前，中、美、俄、意研制的絕對重力儀都達到了微伽級的水平。

1997年度諾貝爾物理學獎金得主朱棣文教授等設(shè)計制作的原子干涉儀，也可以進行絕對重力測量，該干涉儀1999年測定重力的精度和FG-5相當。

不過，絕對重力儀盡管測量精度高，但價格昂貴，移動不便，多數(shù)只能在科學研究中應(yīng)用。相對重力儀器雖然精度較低，但移動和運輸方便、成本低，在生產(chǎn)實踐中應(yīng)用更廣泛。

相對重力測量采用的主要有石英和金屬彈簧重力儀器。相對重力測量儀器的核心部件為彈性優(yōu)良的金屬或者石英彈簧，以彈簧的伸縮變化測定重力的變化。

相對重力儀中的彈簧存在彈性疲勞現(xiàn)象，因而重力儀會產(chǎn)生“零點漂移”，即在重力不變的情況下，重力儀的讀數(shù)隨時間而變化。“零點漂移”對重力儀的測量精度會有影響，通常只能在觀測中加以修正，而不能完全消除。

目前，還有利用超導(dǎo)材料制造的相對重力儀器。

超導(dǎo)重力儀根據(jù)超導(dǎo)現(xiàn)象制成，是在低溫情況下用超導(dǎo)鈮絲繞成兩組線圈，分別安裝在超導(dǎo)球周圍和下方，超導(dǎo)球是用鋁制成的空心小球，外表涂鉛。線圈接通電流后，立即切斷電源，線圈之間形成一個永久磁場。超導(dǎo)球由于抗磁性而懸浮在磁場中。當懸浮力同作用在小球上的重力平衡時，超導(dǎo)球靜止在一個位置上。當重力發(fā)生變化時，超導(dǎo)球也隨之上下移動，且呈線性關(guān)系。超導(dǎo)球位移量可采用電容傳感器檢測，進而求出重力變化。超導(dǎo)重力儀多用于固定臺站的重力測量，其測量精度為微伽級。

需要說明的是，重力測量種類劃分有多種方式。比如，按照測量作業(yè)區(qū)域，可以把重力測量劃分為：陸地重力測量、地下重力測量、海洋重力測量、航空重力測量、衛(wèi)星(空間)重力測量。在不同的測量作業(yè)區(qū)域，使用的測量儀也不盡相同。

在海洋和航空區(qū)域，一般采用相對重力測量儀進行重力測量。

在利用人造地球衛(wèi)星進行地球重力測量時，一般采用間接的方法，即通過地面跟蹤衛(wèi)星、衛(wèi)星對地觀測，或者衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星的技術(shù)，間接求得地球重力數(shù)值。這些衛(wèi)星也被稱為重力衛(wèi)星。

(責任編輯趙菲)