GOCE：稱量地球

電子發(fā)燒友網(wǎng)核心提示：在度過了幾乎致命的危機(jī)之后，太空中最靈敏的重力探測器終于恢復(fù)了元?dú)?，繼續(xù)為科學(xué)家提供可靠的數(shù)據(jù)。

2010年7月18日，地球物理學(xué)家賴納?魯梅爾(Reiner Rummel)接到了一個讓他心里“咯噔”一下的電話。歐洲空間局(ESA)和一顆造價3.5億歐元(4.71億美元)的衛(wèi)星失去了聯(lián)系，而正是魯梅爾花了將近20年的時間來設(shè)計、建造、測試并且看護(hù)著它進(jìn)入太空的。它就是重力場和穩(wěn)態(tài)海洋環(huán)流探測器(GOCE)，這個名字略顯“笨拙”的探測器那時已經(jīng)在太空中工作了一年多了。當(dāng)時所出現(xiàn)的這個問題似乎是由于負(fù)責(zé)在衛(wèi)星和地面之間傳輸數(shù)據(jù)的通訊系統(tǒng)出現(xiàn)故障造成的。

[圖片說明]：GOCE概念圖。版權(quán)：ESA。

魯梅爾是德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家，同時也是GOCE計劃的共同首席科學(xué)家。他在2010年的整個夏季里幾乎徹夜不眠，和他的同事一起想盡各種辦法來恢復(fù)之前已經(jīng)失靈過一次的星載計算機(jī)系統(tǒng)。他們開發(fā)了一個軟件可以利用備份計算機(jī)來修復(fù)故障，不過這一次GOCE卻沒有回應(yīng)。之后到了2010年9月初，地面控制人員打算嘗試一些新的辦法。他們向GOCE發(fā)出了一個指令來提升星上計算機(jī)的溫度。

GOCE是有史以來在太空中遨游的最靈敏的重力探測器。地球的質(zhì)量分布并不均勻，而GOCE的任務(wù)就是來勘測這一全球性的重力微小變化。使用它所收集的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們可以極為精確地建立大地水準(zhǔn)面，其接近厘米的精度比先前的空間重力測量提高了5倍。如此精準(zhǔn)的大地水準(zhǔn)面可以為地球物理學(xué)家提供一個精確測量大陸、山峰以及正由于全球變暖而不斷上升的海平面高度的全球基準(zhǔn)。

GOCE的數(shù)據(jù)還能揭示2.5億年前一次外來天體巨大撞擊所留下的傷疤，監(jiān)視地殼板塊由于大地震導(dǎo)致的移動，并且?guī)椭鷾y量洋流的強(qiáng)度，進(jìn)而為完善氣候預(yù)報提供關(guān)鍵的信息。

所有這一切也解釋了為什么科學(xué)家在GOCE的計算機(jī)升溫并重新工作之后的如釋重負(fù)。

感知重力

GOCE以距離地面大約250千米的高度馳騁于地球大氣的邊緣，速度可達(dá)每小時30,000千米。由于重力隨著距離的增加會快速衰減，因此它必須要維持這樣一條較低的軌道才能進(jìn)行測量。然而，穿梭在大氣中會產(chǎn)生阻尼，因此GOCE具有非同尋常的氣動力學(xué)設(shè)計以及一個可以用來補(bǔ)償阻力的離子引擎。從這條低軌道上，GOCE的主要星載儀器重力梯度計就可以靈敏地感知地球表面上的物質(zhì)對它的引力。

重力梯度計的心臟是三對立方體，它們彼此垂直構(gòu)成了一個三維的十字。隨著GOCE飛過不同地區(qū)的上空，這些立方體會感受到來自地球表面上下左右物質(zhì)的不同引力。一個靜電控制系統(tǒng)會精確測量這些差異，由此GOCE就能探測出地球表面平均重力強(qiáng)度1/1000,000的微小變化。

[圖片說明]：GOCE的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面，位于其中央的是極為靈敏的重力梯度計。版權(quán)：ESA。

由于重力梯度計如此的靈敏，因此工程師們在發(fā)射前無法真正地對它進(jìn)行測試。通過在一個高塔中讓重力梯度計自由下落來模擬零重力環(huán)境，但這并不是理想的測試方式。所以，從這個意義上講，GOCE其實(shí)是一部原型機(jī)。

GOCE在2009年3月發(fā)射之后，它花了數(shù)個月的時間來解決各種各樣的問題，例如高精度的姿態(tài)控制。不過，控制人員最終還是實(shí)現(xiàn)了計劃中的重力測量靈敏度，在2010年6月釋放了它的首批數(shù)據(jù)。如果沒有再出現(xiàn)故障的話，GOCE將會在2011年4月如期完成任務(wù)。屆時這將是一項巨大的成就，它所給出的重力數(shù)據(jù)將會被用上幾十年。

科學(xué)家們正在根據(jù)最初的大量數(shù)據(jù)計算高精度的大地水準(zhǔn)面――一個由假想平均全球海平面構(gòu)成的閉合曲面。真實(shí)的海平面會受到風(fēng)、洋流以及其他動力學(xué)因素的影響，而大地水準(zhǔn)面則反映出了如果地球由靜態(tài)的水所覆蓋那么只在引力的作用下海洋表面的樣子。大地水準(zhǔn)面呈球莖形，在其每一點(diǎn)上重力的方向都與它垂直。

1828年德國數(shù)學(xué)家高斯第一個提出了大地水準(zhǔn)面的概念，他意識到需要一個參考平面才能精確地測定地球上任何一點(diǎn)的海拔高度。直到今天，大地水準(zhǔn)面的不確定性還會對比較地球表面上不同地方的高度測量產(chǎn)生困難。

而GOCE則會最終解決這個問題。由它重力測量所得到的全球大地水準(zhǔn)面顯示，印度洋中有一個顯著的“下陷”，而在北大西洋和西太平樣則存在“高地”――反映出了地幔中對流活動和密度的異常。除此之外，更多的細(xì)節(jié)和特征還會在未來不斷涌向。

[圖片說明]：GOCE上呈三維十字形放置的6個立方體構(gòu)成了其核心部件重力梯度計，它可以極為靈敏地感知引力的微小變化。版權(quán)：ESA/AOES/Medialab。

廣泛用途

在過去的幾年中研究地球形狀的大地測量學(xué)家一直使用的是另一個空間任務(wù)勘測的地球重力場數(shù)據(jù)。2002年美國宇航局和德國空間局的聯(lián)合項目重力反演和氣候?qū)嶒?yàn)(GRACE)發(fā)射升空，它利用兩個衛(wèi)星來測量相對較大尺度上的重力變化，例如格陵蘭冰蓋由于融化而導(dǎo)致的質(zhì)量流失。有著比GRACE高出5倍的重力測量精度以及比GRACE高出幾乎3倍的空間分辨率，GOCE的數(shù)據(jù)可以為此提供更多的細(xì)節(jié)。有了這些數(shù)據(jù)，科學(xué)家就能區(qū)分由重力導(dǎo)致的海面形狀以及由風(fēng)、壓力梯度和地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的海水起伏。

大型的洋流會比周圍的海洋稍高，而其高度又和其強(qiáng)度直接相關(guān)，因此這將幫助科學(xué)家測量大洋環(huán)流。例如，墨西哥灣洋流會把溫暖的海水從墨西哥灣帶到北極。如果你可以把它想象成一座平緩的山丘，那么通過能精確測量這座山的形狀就能計算出它的平均強(qiáng)度。GOCE的數(shù)據(jù)有史以來第一次讓這成為了可能。這些以及對其他洋流的數(shù)據(jù)對于完善海洋和大氣模型而言將會是不可或缺的。

大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)還將有助于在幾毫米的精度上確定平均海平面，而這在以前同樣也是不可能的。局部海平面的變化可以通過雷達(dá)測高儀和檢潮儀來測量。但大地測量學(xué)家需要一個精準(zhǔn)的全球參考面來比較不同大陸上的測量結(jié)果。

[圖片說明]：由GOCE的數(shù)據(jù)所繪制的大地水準(zhǔn)面，可以清晰地看到印度洋的“凹陷”和北大西洋的“突起”。版權(quán)：ESA。

在沒有精確大地水準(zhǔn)面的情況下，即便是區(qū)域性的比較也是困難的。例如，英國國家潮位站網(wǎng)顯示，英國北部的海平面要比西南部的低30～40厘米。但這幾乎可以肯定是由于高程測量的誤差人為造成的。

GOCE的高分辨率重力數(shù)據(jù)還將幫助測量南極和格陵蘭的冰流失情況，并且?guī)椭刭|(zhì)學(xué)家評估大地震的可能。諸如2010年2月的智利8.8級大地震會改變地球的版塊，造成可以從太空中測量到的重力場變化。GOCE數(shù)據(jù)可以幫助科學(xué)家了解強(qiáng)震前后不同密度的物質(zhì)的變化情況。

重力數(shù)據(jù)甚至還有助于為2.5億年前發(fā)生在二疊紀(jì)末的物種大規(guī)模滅絕事件提供線索。有科學(xué)家懷疑這一事件是由一顆巨大的隕星撞擊而引發(fā)的，這顆隕星的大小是造成6,500萬年前恐龍滅絕的2倍以上。他們把這一劇烈撞擊留下的隕擊坑鎖定在了南極洲東部，GRACE和機(jī)載雷達(dá)圖像預(yù)示在威爾克斯湖2～3千米厚的冰層下方可能存在一個直徑500千米的下陷。

這一撞擊很可能會把高密度的地幔物質(zhì)帶到了地殼中，導(dǎo)致重力異常。但是由于GRACE的信號比較模糊，因此還有待GOCE的數(shù)據(jù)來證實(shí)這一理論。

為此科學(xué)家們無不雙手合十，祈望GOCE能帶來更多意想不到的驚喜。