地球重力場及影響重力場的幾個因素

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1、地球重力場及影響重力場的幾個因素【摘要】地球重力場的研究始終是大地測量科學(xué)研究的核心問題，也是現(xiàn)代大地測量發(fā)展中最活躍的領(lǐng)域之一。地球重力場反映了地球物質(zhì)的空間分布及地球的旋轉(zhuǎn)運動，它不僅決定了地球的形狀和大小，而且反映了地球表面、內(nèi)部以及大氣和海洋的物質(zhì)分布、運動和變化?！娟P(guān)鍵詞】地球重力場，相對重力測量，絕對重力測量，衛(wèi)星重力探測前言大地測量學(xué)的主要分支之一，是研究用物理方法測定地球形狀及其外部重力場的學(xué)科。也就是說地球重力場的研究始終是大地測量科學(xué)研究的核心問題，也是現(xiàn)代大地測量發(fā)展中最活

2、躍的領(lǐng)域之一。地球重力場是大地測量學(xué)科的主要研究對象之一，也是地球物理、地質(zhì)、地震與海洋等學(xué)科的重要研究對象和手段。地球重力場反映了地球物質(zhì)的空間分布及地球的旋轉(zhuǎn)運動，它不僅決定了地球的形狀和大小，而且反映了地球表面、內(nèi)部以及大氣和海洋的物質(zhì)分布、運動和變化。地球重力場的空間分布及其隨時間變化，不僅在國民經(jīng)濟中具有重要意義，而且對于研究我們生存環(huán)境的變化與災(zāi)害預(yù)測也具有深遠的科學(xué)意義。因此研究地球重力場也是地球科學(xué)的一項基礎(chǔ)性任務(wù)。地球重力場在傳統(tǒng)大地測量中的任務(wù)是將在物理空間(即地球重力場中)

3、的各類大地測量觀測數(shù)據(jù)通過地球重力場參數(shù)轉(zhuǎn)化到幾何空間(即參考橢球體上，便于進行大地位置的數(shù)學(xué)計算。因此，地球重力場的觀測數(shù)據(jù)和各種參數(shù)對地面大地測量的定位是起輔助作用的?。而現(xiàn)代大地測量是以空間技術(shù)手段(如GPS)進行三維地心坐標(biāo)的定位，這種定位方式無需由物理空間向幾何空間的轉(zhuǎn)換，此時研究地球重力場是為了定位衛(wèi)星的精密定軌，它的精度決定衛(wèi)星大地測量定位的精度?。因為后者需要精細(xì)地球重力場的支持，因此地球重力場對衛(wèi)星大地測量起著關(guān)鍵性的作用?。由此可見，無論是傳統(tǒng)大地測量，還是現(xiàn)代大地測量，地球

4、重力場在其中具有不可替代的作用，尤其是在以基礎(chǔ)地學(xué)研究為主的現(xiàn)代大地測量整體框架中，研究地球重力場的物理大地測量學(xué)和空間大地測量學(xué)將相互緊密結(jié)合組成大地測量學(xué)科的支柱，共同主導(dǎo)學(xué)科的發(fā)展。地球正常重力場通過合理采用坐標(biāo)系，即原點取地球的質(zhì)心，坐標(biāo)軸取地球的主慣性軸，則地球外部的重力場可以展開成（2.90）式所示的球函數(shù)級數(shù)。如果我們?nèi)〖墧?shù)的前若干項，令其等于常數(shù)，則該等式對應(yīng)一個空間曲面，我們稱之為等位面。很顯然，當(dāng)取的項數(shù)越多，等位面的形狀也就越復(fù)雜。在測量中我們通常選擇旋轉(zhuǎn)橢球面作為參考面，

5、所以我們就自然希望用一個與地球形狀最為接近的、質(zhì)量等于地球總質(zhì)量、自轉(zhuǎn)角速度等于地球自轉(zhuǎn)角速度、并且其表面為等位面的旋轉(zhuǎn)橢球體的重力位來近似表示地球的重力位，這樣定義的旋轉(zhuǎn)橢球體的外部重力位是唯一確定的。重力基準(zhǔn)相對重力測量在開始和結(jié)束都要到重力基線場去標(biāo)定格值，絕對重力測量也需要到已知的重力基準(zhǔn)點上作比對。重力基線場就是一種重力基準(zhǔn)。國際上有國際重力基準(zhǔn)。國家有國家的重力基準(zhǔn)。一般我們把這些重力基準(zhǔn)點合起來稱之為重力基準(zhǔn)網(wǎng)。重力基準(zhǔn)網(wǎng)通常包括絕對重力測量點和大量高精度相對重力測量點，通過重力網(wǎng)

6、平差確定每一個網(wǎng)點的絕對重力值，作為后續(xù)重力測量的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。國際重力基準(zhǔn)網(wǎng)（IGSN-71）在1971年進行了網(wǎng)平差，它包括8個絕對重力測量點，1200個擺重力儀觀測數(shù)據(jù)，12000個Lacoste-Romberg重力儀觀測得到的重力測段數(shù)據(jù)，和11700個其它類型重力儀觀測測段數(shù)據(jù)，平差結(jié)果得到了1854個站點的重力值、96個重力儀尺度因子、和26個擺重力儀和彈簧重力儀的零漂。在1854個站中，有很多是距離很近的偏心站組，總共獨立的重力點共有473個。平差后給出的重力值中誤差小于0.1毫伽。地

7、球重力與重力位水準(zhǔn)面?我們知道重力是地球質(zhì)量的引力和地球自轉(zhuǎn)引起的離心力的合力。這是重力的經(jīng)典定義，它把一點的重力近似看成為一個固定值。實際上，任何一點的重力由于受到其它天體的引力和地球內(nèi)部的物質(zhì)運動的影響，尤其是日月引力和固體潮，其值是隨時間變化的。不過，我們現(xiàn)在只討論經(jīng)典定義的重力。從上一章內(nèi)容可知，重力可以看作是重力位的梯度。重力位是一個標(biāo)量函數(shù)。我們把重力位等于常數(shù)的面叫做重力等位面，也稱之為重力位水準(zhǔn)面。大地測量中定義的大地水準(zhǔn)面就是一個重力位水準(zhǔn)面，它定義為平均的平靜海水面。地球重力

8、的測定方法重力測量實際上是利用傳感器感知重力的大小、或梯度、或重力的變化。按測量方式來分可以分為相對重力測量和絕對重力測量。絕對重力測量是使用可倒擺重力儀或自由落體重力儀等儀器直接測量一點的重力值，它與長度和時間的定義標(biāo)準(zhǔn)直接相關(guān)；相對重力測量是通過使用擺重力儀或彈簧重力儀，通過力的平衡來測量兩點間的重力差。按測量實施的區(qū)域來分，重力測量可以分為陸地重力測量、海洋重力測量、航空重力測量，和衛(wèi)星重力測量等。陸地重力測量的儀器一般說來相對于地球表面是靜止的，而海洋重力測量、航空重力測量、以及衛(wèi)星重力