天文史上的今天:透过地球重力场观察水循环

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      GRACE任务徽标

来源：NASA

2002年3月17日，“GRACE”探测器发射。

“GRACE”是“重力恢复与气候实验”的英文缩写。这是一项美国宇航局与德国空间机构之间的合作项目，目的是通过两个完全一样的探测器的编队飞行，以前所未有的极高精度测量地球的重力场。而这项计划所获得的数据却改变了科学界们对于地球上水体储存与流动模式的观点。

很多参与此项目的科学家都会用“革命性”（“Revolutionary”）来描述这一项目的成就。通过GRACE项目，研究人员们开创了一种空间遥感的崭新应用模式：通过重力场测量来追踪水体运动。

2002年3月17日，GRACE双卫星发射升空，它将从太空，透过重力场变化来反演地球水体的运动与分布

 来源：NASA

有很多地方是人类难以涉足的，包括极为偏远的地区，以及地下深处等等。那么，我们该如何追踪这些地方的水体流动呢？一个可能的答案是重力场测量。

由于水体具有质量，当水体发生流动，那么该地区的重力场分布也会随之发生变化，如果能够以极高的精度对这些地区的重力场进行测量，就将能够追踪水体的运动情况，当然，这将需要前所未有的测量技术。

水体具有质量，它们的运动会造成地球质量分布的细微改变

 来源：Millennium Campus Network

物体质量越大，它所产生的引力效应就越强。比如说，巨大的山脉山地所施加的引力效应就要比广袤的平原地区强一些。

人们平时是不可能察觉出这种细微的差异的，但卫星可以。卫星围绕地球飞行，当飞行到较大质量区上空时，卫星会出现额外重力加速，离开该区域时，则会相应出现轻微的减速。

GRACE项目给出的地球宏观重力异常图，红色为正异常，蓝色为负异常

 来源：NASA

地球重力场主要源自地球内部的质量。但是其中也有极小的一部分源自接近地球表面的水体质量，比如海洋，河流，冰川以及地下水。这些水体的流动和位置改变相比地球内部物质要迅速的多。

它们会随着季节，风暴，干旱或者其他气候乃至气象条件的变化而发生分布上的改变。而这些极为细微的变化，能够被GRACE卫星的高灵敏传感器感知，进而揭示整个地球水圈运动的奥秘。

格陵兰的冰川正在加速消融

来源：NASA

GRACE包括两颗一模一样的小卫星，两者一前一后进行编队飞行，相隔220公里。如果下方的地球某个地点出现质量中心，它会对这两艘小卫星之间的距离产生细微影响，当然变化的幅度非常小，一般仅有几个微米的量级，相当于人的头发丝直径的一个零头。

为了不间断测量两颗卫星之间的精确距离，两者之间不断相互发射脉冲信号并测定信号往返的时间。与此同时，利用高精度GPS系统定位卫星对应于地面的精确位置，另外，星上搭载的专用加速计会不断测量其他施加于卫星的力的作用，比如稀薄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。

南极洲和格陵兰的冰雪消融情况。比科学家们原先的设想更加迅速

 来源：NASA

通过汇总所有这些数据并利用算法剔除各种干扰误差，研究人员每个月都能够制作出一份高精度全球重力分布图，显示近地表水体每个月的运动情况。

GRACE的数据极大地帮助世界各地的政府机构和研究人员对一些风险进行提前预警。

仅举几个案例，比如说，利用GRACE的数据，研究人员注意到很多以前未被发现的地下水危机地区。GRACE的数据显示，在很多地方，人类活动抽取地下水的速度大大超过了地下水的再生补给速度。

2002年8月的全球陆地水体分布

来源：NASA

另外，GRACE还帮助科学家们发现格陵兰岛和南极大陆的冰川消融速度和程度远远超过原先预计，自从2002年升空以来，GRACE的数据显示格陵兰岛平均每年有大约2800亿吨冰川消融，南极大陆的消融速度则大约是每年1200亿吨，并且消融的速度还在加快。

2017年10月份，在工作15年，超过设计寿命3倍的服役年限之后，GRACE项目正式结束。

2011年发射的GRAIL卫星以前所未有的精度测量了月球重力场，而其技术基础很大一部分正是基于2002年实施的GRACE项目

 来源：NASA

另外，在2011年，类似的技术还被移植应用到了针对月球的重力场测量中，美国宇航局成功发射了“重力恢复与内部实验室”（GRAIL）探测卫星。同样采用双卫星编队测量，并获得了迄今最高精度的全月球重力场地图。

编者按：

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