電子發(fā)燒友網(wǎng)核心提示：在度過(guò)了幾乎致命的危機(jī)之后，太空中最靈敏的重力探測(cè)器終于恢復(fù)了元?dú)猓^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(gè)讓他心里“咯噔”一下的電話。歐洲空間局(ESA)和一顆造價(jià)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(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)、建造、測(cè)試并且看護(hù)著它進(jìn)入太空的。它就是重力場(chǎng)和穩(wěn)態(tài)海洋環(huán)流探測(cè)器(GOCE)，這個(gè)名字略顯“笨拙”的探測(cè)器那時(shí)已經(jīng)在太空中工作了一年多了。當(dāng)時(shí)所出現(xiàn)的這個(gè)問(wèn)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(shuō)明]：GOCE概念圖。版權(quán)：ESA。

魯梅爾是德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家，同時(shí)也是GOCE計(jì)劃的共同首席科學(xué)家。他在2010年的整個(gè)夏季里幾乎徹夜不眠，和他的同事一起想盡各種辦法來(lái)恢復(fù)之前已經(jīng)失靈過(guò)一次的星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。他們開發(fā)了一個(gè)軟件可以利用備份計(jì)算機(jī)來(lái)修復(fù)故障，不過(guò)這一次GOCE卻沒(méi)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(gè)指令來(lái)提升星上計(jì)算機(jī)的溫度。

GOCE是有史以來(lái)在太空中遨游的最靈敏的重力探測(cè)器。地球的質(zhì)量分布并不均勻，而GOCE的任務(wù)就是來(lái)勘測(cè)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(cè)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(gè)精確測(cè)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(lái)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(dòng)，并且?guī)椭鷾y(cè)量洋流的強(qiáng)度，進(jìn)而為完善氣候預(yù)報(bào)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(jì)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(shí)30,000千米。由于重力隨著距離的增加會(huì)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(cè)量。然而，穿梭在大氣中會(huì)產(chǎn)生阻尼，因此GOCE具有非同尋常的氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)以及一個(gè)可以用來(lái)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(jì)就可以靈敏地感知地球表面上的物質(zhì)對(duì)它的引力。

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

[圖片說(shuō)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(jì)。版權(quán)：ESA。

由于重力梯度計(jì)如此的靈敏，因此工程師們?cè)诎l(fā)射前無(wú)法真正地對(duì)它進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)在一個(gè)高塔中讓重力梯度計(jì)自由下落來(lái)模擬零重力環(huán)境，但這并不是理想的測(cè)試方式。所以，從這個(gè)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(gè)月的時(shí)間來(lái)解決各種各樣的問(wèn)題，例如高精度的姿態(tài)控制。不過(guò)，控制人員最終還是實(shí)現(xiàn)了計(jì)劃中的重力測(cè)量靈敏度，在2010年6月釋放了它的首批數(shù)據(jù)。如果沒(méi)有再出現(xiàn)故障的話，GOCE將會(huì)在2011年4月如期完成任務(wù)。屆時(shí)這將是一項(xiàng)巨大的成就，它所給出的重力數(shù)據(jù)將會(huì)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(jì)算高精度的大地水準(zhǔn)面――一個(gè)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(huì)受到風(fēng)、洋流以及其他動(dòng)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(guó)數(shù)學(xué)家高斯第一個(gè)提出了大地水準(zhǔn)面的概念，他意識(shí)到需要一個(gè)參考平面才能精確地測(cè)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(huì)對(duì)比較地球表面上不同地方的高度測(cè)量產(chǎn)生困難。

而GOCE則會(huì)最終解決這個(gè)問(wèn)題。由它重力測(cè)量所得到的全球大地水準(zhǔn)面顯示，印度洋中有一個(gè)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(duì)流活動(dòng)和密度的異常。除此之外，更多的細(xì)節(jié)和特征還會(huì)在未來(lái)不斷涌向。

[圖片說(shuō)明]：GOCE上呈三維十字形放置的6個(gè)立方體構(gòu)成了其核心部件重力梯度計(jì)，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(guò)去的幾年中研究地球形狀的大地測(cè)量學(xué)家一直使用的是另一個(gè)空間任務(wù)勘測(cè)的地球重力場(chǎng)數(shù)據(jù)。2002年美國(guó)宇航局和德國(guó)空間局的聯(lián)合項(xiàng)目重力反演和氣候?qū)嶒?yàn)(GRACE)發(fā)射升空，它利用兩個(gè)衛(wèi)星來(lái)測(cè)量相對(duì)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(cè)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(huì)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(cè)量大洋環(huán)流。例如，墨西哥灣洋流會(huì)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(guò)能精確測(cè)量這座山的形狀就能計(jì)算出它的平均強(qiáng)度。GOCE的數(shù)據(jù)有史以來(lái)第一次讓這成為了可能。這些以及對(duì)其他洋流的數(shù)據(jù)對(duì)于完善海洋和大氣模型而言將會(huì)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(guò)雷達(dá)測(cè)高儀和檢潮儀來(lái)測(cè)量。但大地測(cè)量學(xué)家需要一個(gè)精準(zhǔn)的全球參考面來(lái)比較不同大陸上的測(cè)量結(jié)果。

[圖片說(shuō)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(méi)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(guó)國(guó)家潮位站網(wǎng)顯示，英國(guó)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(cè)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(cè)量南極和格陵蘭的冰流失情況，并且?guī)椭刭|(zhì)學(xué)家評(píng)估大地震的可能。諸如2010年2月的智利8.8級(jí)大地震會(huì)改變地球的版塊，造成可以從太空中測(cè)量到的重力場(chǎng)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(wàn)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(gè)直徑500千米的下陷。

這一撞擊很可能會(huì)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(hào)比較模糊，因此還有待GOCE的數(shù)據(jù)來(lái)證實(shí)這一理論。

為此科學(xué)家們無(wú)不雙手合十，祈望GOCE能帶來(lái)更多意想不到的驚喜。