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之后，太空中最靈敏的重力探測器終于恢復(fù)了元氣，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、測試并且看護著它進入太空的。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。當時所出現(xiàn)的這個問題似乎是由于負責在衛(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系統(tǒng)。他們開發(fā)了一個軟件可以利用備份計算機來修復(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。如此精準的大地水準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。

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量洋流的強度，進而為完善氣候預(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的計算機升溫并重新工作之后的如釋重負。

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其實是一部原型機。

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面――一個由假想平均全球海平面構(gòu)成的閉合曲面。真實的海平面會受到風(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。大地水準面呈球莖形，在其每一點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的海拔高度。直到今天，大地水準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?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測高儀和檢潮儀來測量。但大地測量學(xué)家需要一個精準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和機載雷達圖像預(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。