地球有多重 Goce卫星重力探测器

伤我心太深

　　在度过了几乎致命的危机之后，太空中最灵敏的重力探测器终于恢复了元气，继续为科学家提供可靠的数据。2010年7月18日，地球物理学家赖纳·鲁梅尔(Reiner Rummel)接到了一个让他心里“咯噔”一下的电话。欧洲空间局(ESA)和一颗造价3.5亿欧元(4.71亿美元)的卫星失去了联系，而正是鲁梅尔花了将近20年的时间来设计、建造、测试并且看护着它进入太空的。它就是重力场和稳态海洋环流探测器(GOCE)，这个名字略显“笨拙”的探测器那时已经在太空中工作了一年多了。当时所出现的这个问题似乎是由于负责在卫星和地面之间传输数据的通讯系统出现故障造成的。

GOCE概念图

　　[图片说明]：GOCE概念图。版权：ESA。


　　鲁梅尔是德国慕尼黑工业大学的科学家，同时也是GOCE计划的共同首席科学家。他在2010年的整个夏季里几乎彻夜不眠，和他的同事一起想尽各种办法来恢复之前已经失灵过一次的星载计算机系统。他们开发了一个软件可以利用备份计算机来修复故障，不过这一次GOCE却没有回应。之后到了2010年9月初，地面控制人员打算尝试一些新的办法。他们向GOCE发出了一个指令来提升星上计算机的温度。

　　GOCE是有史以来在太空中遨游的最灵敏的重力探测器。地球的质量分布并不均匀，而GOCE的任务就是来勘测这一全球性的重力微小变化。使用它所收集的数据，科学家们可以极为精确地建立大地水准面，其接近厘米的精度比先前的空间重力测量提高了5倍。如此精准的大地水准面可以为地球物理学家提供一个精确测量大陆、山峰以及正由于全球变暖而不断上升的海平面高度的全球基准。

　　GOCE的数据还能揭示2.5亿年前一次外来天体巨大撞击所留下的伤疤，监视地壳板块由于大地震导致的移动，并且帮助测量洋流的强度，进而为完善气候预报提供关键的信息。
　　所有这一切也解释了为什么科学家在GOCE的计算机升温并重新工作之后的如释重负。


　　感知重力


　　GOCE以距离地面大约250千米的高度驰骋于地球大气的边缘，速度可达每小时30,000千米。由于重力随着距离的增加会快速衰减，因此它必须要维持这样一条较低的轨道才能进行测量。然而，穿梭在大气中会产生阻尼，因此GOCE具有非同寻常的气动力学设计以及一个可以用来补偿阻力的离子引擎。从这条低轨道上，GOCE的主要星载仪器重力梯度计就可以灵敏地感知地球表面上的物质对它的引力。

　　重力梯度计的心脏是三对立方体，它们彼此垂直构成了一个三维的十字。随着GOCE飞过不同地区的上空，这些立方体会感受到来自地球表面上下左右物质的不同引力。一个静电控制系统会精确测量这些差异，由此GOCE就能探测出地球表面平均重力强度1/1000,000的微小变化。

GOCE概念图

　　[图片说明]：GOCE的内部结构剖面，位于其中央的是极为灵敏的重力梯度计。版权：ESA。


　　由于重力梯度计如此的灵敏，因此工程师们在发射前无法真正地对它进行测试。通过在一个高塔中让重力梯度计自由下落来模拟零重力环境，但这并不是理想的测试方式。所以，从这个意义上讲，GOCE其实是一部原型机。

　　GOCE在2009年3月发射之后，它花了数个月的时间来解决各种各样的问题，例如高精度的姿态控制。不过，控制人员最终还是实现了计划中的重力测量灵敏度，在2010年6月释放了它的首批数据。如果没有再出现故障的话，GOCE将会在2011年4月如期完成任务。届时这将是一项巨大的成就，它所给出的重力数据将会被用上几十年。
　　科学家们正在根据最初的大量数据计算高精度的大地水准面——一个由假想平均全球海平面构成的闭合曲面。真实的海平面会受到风、洋流以及其他动力学因素的影响，而大地水准面则反映出了如果地球由静态的水所覆盖那么只在引力的作用下海洋表面的样子。大地水准面呈球茎形，在其每一点上重力的方向都与它垂直。

　　1828年德国数学家高斯第一个提出了大地水准面的概念，他意识到需要一个参考平面才能精确地测定地球上任何一点的海拔高度。直到今天，大地水准面的不确定性还会对比较地球表面上不同地方的高度测量产生困难。

　　而GOCE则会最终解决这个问题。由它重力测量所得到的全球大地水准面显示，印度洋中有一个显著的“下陷”，而在北大西洋和西太平样则存在“高地”——反映出了地幔中对流活动和密度的异常。除此之外，更多的细节和特征还会在未来不断涌向。

地球有多重

　　[图片说明]：GOCE上呈三维十字形放置的6个立方体构成了其核心部件重力梯度计，它可以极为灵敏地感知引力的微小变化。版权：ESA/AOES/Medialab。


　　广泛用途


　　在过去的几年中研究地球形状的大地测量学家一直使用的是另一个空间任务勘测的地球重力场数据。2002年美国宇航局和德国空间局的联合项目重力反演和气候实验(GRACE)发射升空，它利用两个卫星来测量相对较大尺度上的重力变化，例如格陵兰冰盖由于融化而导致的质量流失。有着比GRACE高出5倍的重力测量精度以及比GRACE高出几乎3倍的空间分辨率，GOCE的数据可以为此提供更多的细节。有了这些数据，科学家就能区分由重力导致的海面形状以及由风、压力梯度和地球自转导致的海水起伏。

　　大型的洋流会比周围的海洋稍高，而其高度又和其强度直接相关，因此这将帮助科学家测量大洋环流。例如，墨西哥湾洋流会把温暖的海水从墨西哥湾带到北极。如果你可以把它想象成一座平缓的山丘，那么通过能精确测量这座山的形状就能计算出它的平均强度。GOCE的数据有史以来第一次让这成为了可能。这些以及对其他洋流的数据对于完善海洋和大气模型而言将会是不可或缺的。
　　大地水准面数据还将有助于在几毫米的精度上确定平均海平面，而这在以前同样也是不可能的。局部海平面的变化可以通过雷达测高仪和检潮仪来测量。但大地测量学家需要一个精准的全球参考面来比较不同大陆上的测量结果。

地球有多重

　　[图片说明]：由GOCE的数据所绘制的大地水准面，可以清晰地看到印度洋的“凹陷”和北大西洋的“突起”。版权：ESA。


　　在没有精确大地水准面的情况下，即便是区域性的比较也是困难的。例如，英国国家潮位站网显示，英国北部的海平面要比西南部的低30～40厘米。但这几乎可以肯定是由于高程测量的误差人为造成的。

　　GOCE的高分辨率重力数据还将帮助测量南极和格陵兰的冰流失情况，并且帮助地质学家评估大地震的可能。诸如2010年2月的智利8.8级大地震会改变地球的版块，造成可以从太空中测量到的重力场变化。GOCE数据可以帮助科学家了解强震前后不同密度的物质的变化情况。

　　重力数据甚至还有助于为2.5亿年前发生在二叠纪末的物种大规模灭绝事件提供线索。有科学家怀疑这一事件是由一颗巨大的陨星撞击而引发的，这颗陨星的大小是造成6,500万年前恐龙灭绝的2倍以上。他们把这一剧烈撞击留下的陨击坑锁定在了南极洲东部，GRACE和机载雷达图像预示在威尔克斯湖2～3千米厚的冰层下方可能存在一个直径500千米的下陷。
　　这一撞击很可能会把高密度的地幔物质带到了地壳中，导致重力异常。但是由于GRACE的信号比较模糊，因此还有待GOCE的数据来证实这一理论。
　　为此科学家们无不双手合十，祈望GOCE能带来更多意想不到的惊喜。
　　(本文已刊载于《太空探索》2011年第4期)