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        丟失的地球引力

        2017-10-13 21:34:29偉振天
        科學(xué)之謎 2017年9期
        關(guān)鍵詞:勞倫哈德遜冰蓋

        偉振天

        今天,為了降低體重秤上的數(shù)字,許多人瘋狂地節(jié)食、運(yùn)動(dòng)、吃減肥藥,過(guò)程艱難,收效也甚微,也許更簡(jiǎn)單的方法是跑到加拿大哈德遜灣地區(qū),你會(huì)發(fā)現(xiàn)自己的體重竟然立刻下降了。

        這個(gè)地方引力小

        哈德遜灣位于加拿大東北部,是僅次于孟加拉灣的世界第二大開(kāi)闊形海灣,水域面積達(dá)到123萬(wàn)平方千米。20世紀(jì)60年代,科學(xué)家們準(zhǔn)備繪制首張地球引力圖時(shí),意外地發(fā)現(xiàn)哈德遜灣以及周邊地區(qū)的引力比預(yù)估值要低很多,是世界上引力最小的幾個(gè)區(qū)域之一。在哈德遜灣附近居住的居民,會(huì)比在加拿大其他地區(qū)居住時(shí),體重輕約2.8克,從相同的高度跳下,這里的下降速度永遠(yuǎn)會(huì)更慢一點(diǎn)。

        由于距離地心較遠(yuǎn),在赤道上,引力是最小的,而隨著維度的增加,引力會(huì)逐漸增加,到了南北極,引力又達(dá)到了最大值。但為什么位于高緯度的哈德遜灣,引力反而變小呢?

        引力哪兒去了?

        實(shí)際上,地球引力的大小除了受到物體與地心距離遠(yuǎn)近的影響,最主要的決定因素是地球的質(zhì)量。

        我們知道,引力是兩個(gè)原子之間相互吸引產(chǎn)生的作用力。假如你將兩個(gè)高爾夫球放在桌子上,這兩個(gè)高爾夫球的原子之間會(huì)產(chǎn)生一種非常微弱的吸引力。如果你將兩個(gè)質(zhì)量更大的物體,比如兩個(gè)鉛球放在一起,它們之間產(chǎn)生的吸引力會(huì)更大一點(diǎn)。而只有那些由大量的原子構(gòu)成的物體,比如像地球這樣的大質(zhì)量星球,這時(shí)其產(chǎn)生的引力才會(huì)是非常巨大的。

        所以,物體的質(zhì)量直接決定著物體的引力。地球是個(gè)赤道略凸、兩極略扁的橢圓,各處質(zhì)量并不是均勻分布的,引力也往往并不相同。科學(xué)家們推測(cè),哈德遜灣區(qū)域引力更小,可能是因?yàn)檫@片區(qū)域的地少了一些。

        然而,為什么哈德遜灣區(qū)域的地會(huì)少了一些呢?

        冰蓋把地塊擠走了

        現(xiàn)在科學(xué)家們普遍用冰蓋理論來(lái)解釋這一現(xiàn)象。

        今天的加拿大和美國(guó)北部大部分地區(qū),曾被巨大的勞倫冰蓋覆蓋。勞倫冰蓋為第四紀(jì)大冰蓋,冰蓋面積達(dá)1380萬(wàn)平方千米,覆蓋的區(qū)域最南端能到達(dá)北緯36°。其厚達(dá)3.2千米,最厚處在哈德遜灣一帶,厚達(dá)3.7千米。它也很重,沉甸甸地壓在地殼上。但隨后,由于氣候變暖,大約在1萬(wàn)年前,勞倫冰蓋融化了??茖W(xué)家們認(rèn)為正是這塊冰蓋的融化,導(dǎo)致哈德遜灣地區(qū)引力變小了。

        然而,為什么冰川融化,會(huì)導(dǎo)致引力變小呢?

        為了方便理解,我們不妨打個(gè)比喻。想象一下,你的面前有一塊蛋糕,當(dāng)你將手指輕輕放置于上面,會(huì)發(fā)生什么?你手指壓的地方會(huì)發(fā)生凹陷,凹陷處的“蛋糕”會(huì)向兩邊挪動(dòng)。當(dāng)你把手指移開(kāi),蛋糕又會(huì)反彈回正常狀態(tài)。

        你的手指就像冰川,那塊蛋糕就像地表。當(dāng)厚重的冰川壓著地表時(shí),地面會(huì)發(fā)生凹陷,凹陷處的“土地”會(huì)向兩邊擠。但與蛋糕不同的是,地表凹陷處被擠走的“土地”并沒(méi)有重新反彈回來(lái),因?yàn)樗姆磸椝俣确浅>徛?,每年不?.54厘米。所以,當(dāng)勞倫冰蓋壓融化后,由于其土地已被擠壓到兩邊,哈德遜彎周邊區(qū)域質(zhì)量會(huì)變小,而質(zhì)量小也就意味著引力小。

        其他的原因

        為了證明勞倫蒂斯冰蓋確實(shí)能對(duì)地球引力產(chǎn)生影響,美國(guó)哈佛-史密松天體物理中心的科學(xué)家們進(jìn)行了一項(xiàng)龐大的研究。他們使用了GRACE衛(wèi)星收集到的2002年4月~2006年4月期間的數(shù)據(jù),進(jìn)行了一番復(fù)雜的計(jì)算。GRACE衛(wèi)星由兩顆衛(wèi)星構(gòu)成,兩顆衛(wèi)星相距220千米,在距離地面500千米的軌道上運(yùn)行。

        當(dāng)?shù)谝活w衛(wèi)星飛過(guò)哈德遜灣地區(qū)時(shí),引力的減少會(huì)使這顆衛(wèi)星稍微偏離地球和它身后的姊妹衛(wèi)星。由于GRACE衛(wèi)星的位置能以微米級(jí)的精確度測(cè)量,所以能探測(cè)到這種距離的微小變化,隨后據(jù)此計(jì)算出引力的變化。

        通過(guò)這些數(shù)據(jù),科學(xué)家們繪制出了上一次冰河世紀(jì)時(shí)期哈德遜灣的地形圖,當(dāng)時(shí)它仍被勞倫冰蓋覆蓋著。這張地形圖顯示哈德遜灣地區(qū)在1萬(wàn)年前,其東部和西部?jī)蓚€(gè)區(qū)域冰層更厚,凸起的程度更高。而計(jì)算結(jié)果也表明,今天這兩片區(qū)域的引力也確實(shí)比哈德遜灣其他地區(qū)更小。這就說(shuō)明研究者的推測(cè)是正確的。

        不過(guò),這次的研究也表明,冰蓋理論只能解釋哈德遜灣地區(qū)25%~45%的引力異常,另外的影響因素是該地區(qū)的地質(zhì)活動(dòng)。

        我們知道,固體地球由地殼、地幔、地核構(gòu)成。在地表以下100~200千米處,為地幔的軟流層。這一層溫度非常高,固態(tài)物質(zhì)部分熔化,具有類(lèi)似流體的性質(zhì)。滾燙的巖漿做著緩慢的上升或者下降運(yùn)動(dòng),形成一個(gè)環(huán)形的對(duì)流體。

        當(dāng)對(duì)流體上升時(shí),會(huì)造成陸地板塊的隆起,形成山脊,而下降時(shí),會(huì)將覆蓋在其上的大陸板塊拖曳下來(lái),減少該區(qū)域的質(zhì)量??茖W(xué)家們認(rèn)為,哈德遜灣地區(qū)正處于軟流層下降地段,這就是該地區(qū)引力異常的另外一個(gè)重要原因。

        至此,困惑科學(xué)家40多年的哈德遜灣引力丟失之謎終于破解了。科學(xué)家們預(yù)計(jì)哈德遜灣地區(qū)的地表要反彈回最初的位置,還需要花費(fèi)5000年的時(shí)間,屆時(shí)哈德遜灣地區(qū)丟失的引力會(huì)重新被“找回來(lái)”一部分。endprint

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