地球重力场模型的意义  科学探索系列13

 

　　

　　地球重力场模型，在卫星精确定位、大地水准面测绘、重力探矿、气候变化、地球物理学和地质学等诸多领域都有非常重要的意义。图1是卫星测绘的地球重力场模型，直观感觉，貌似一只不规则的土豆，和地球的照片（图2）大相径庭。因为它是表示地球重力场的一组球谐函数，所以又被称为“地球素颜照”。

 

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　　有学者专门写了一本书，论述这个模型是如何测量得到的，其实原理很简单：卫星同时要受到地球重力场、太阳引力、月亮引力以及大气阻力多重因素影响，卫星轨迹近似地球重力场吞噬范围以外的等位面；利用相同轨道上的两个卫星，精确测定两者之间以及分别到地面目标的距离，通过三角函数关系可以准确换算出卫星的空间坐标；因为两颗卫星需要同时扫描地面特定范围，所以不能相距太远；另外卫星轨道和赤道夹角必须很大，扫描范围才可以覆盖全球；计算地球重力场对卫星的摄动，得到的是卫星轨迹的三维立体图象；图1是通过多次复合，屏弃了大气潮汐影响，保留地球重力场基本数据的效果图。据说现在此项技术可以精确到十分之一发丝，对人造卫星、空间站的精确定轨具有十分重要的意义。

 

　　地球吞噬范围以外，地球重力场强度（重力加速度）向外递减。卫星经过图1中深蓝色部分距离地球表面最近，说明地球吞噬范围之外，距离地心相同的圈层，对应深蓝色部分的重力场强度最小。相反，卫星经过红色部分距离地球表面最远，说明地球吞噬范围之外，距离地心相同的圈层，对应红色部分的重力场强度最大。

 

　　卫星受到的引力变小会靠近地球，受到的引力变大反而远离地球。卫星的轨迹跌荡起伏，是因为地球重力场变形，实际卫星近似运行在同一个重力等位面,可以理解为重力没有做功。

 

　　从大范围来说，地球重力等位面越向外变化幅度越大。以海面上深蓝色部分的重力梯度为例，卫星经过这里轨道半径明显变短，理论上深蓝色部分的海面应该比周围的海平面更低，实际上这种差别很小。这是因为大气层反映地球重力场的变化幅度最大，但是从外太空看到的是地球表面，以致从地球的照片（图2）上根本看不出差别。

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    根据世界花式撞球协会的数据，台球的直径是 5.715 厘米，允许表面有 0.127 毫米的坑或者突起，这个比例挪到地球上，相当于地球表面有 2 万 8 千米的坑或突起，而地球最高点（珠穆朗玛峰）和最低点（马里亚纳海沟）相差大约是 2 万米,如果从海平面算起的话，落差只有几千米。地球没有台球圆，但比台球表面更光滑。

　　

    太阳削弱了地球昼侧大气受到的地球引力，昼侧大气层向内压缩，太阳加强了地球夜侧大气受到的地球引力，夜侧大气向外膨胀。太阳、月亮的引力都可以改变地球重力场，引起大气层重力等位面的巨大变化。可是即使排除了这种因素，大气层重力等位面的起伏仍然很大，用地球本身质量或者密度不均匀很难解释。

 

　　载人运载火箭点火起飞以后是逐渐加速的，这个过程中宇航员处于承受数倍重力的超重状态；到达预定轨道关闭动力以后，运载仓开始做惯性抛物线运动，仓内的宇航员和物品又会出现失重现象……爱因斯坦认为，使物体（物质）运动的惯性力与万有引力具有等效性。

 

　　地球重力场去理想化的变形和地球内部地幔对流有密切关系。

 

　　流向一致的地幔物质叫地幔柱。上升的地幔柱使地壳隆起，同时削弱了重力作用，重力等位面向外扩张；下沉的地幔柱使地壳沉降，同时加强了重力作用，重力等位面向内收缩。对比前者——地球重力受到太阳削弱和加强的结果，地球重力等位面的变化截然相反。这是因为：地球吞噬范围内外，重力场强度（重力加速度）的顺序正好相反。地球吞噬范围以外，距离地心越远重力加速度越小；地球吞噬范围以内，距离地心越近重力加速度越小。

 

　　低轨卫星穿行在非常稀薄的大气里,它的动能会被慢慢消耗,结果就是越飞越低；一旦它的运行轨道切入海拔 80公里的地球最大引力的界线，马上就会掉落下来，这个界线内就是地球引力场的吞噬范围。为了延长人造卫星的寿命，科学家需要定期给它增加动能，把它拉回原来的轨道，成本高昂。

　　图3是图1的纬向展开图，反映了地球吞噬范围以外重力强度分布影射在地球表面的情况。按照这张分层设色图片，可以清楚地看到红黄过渡的安第斯山脉，找到深蓝相夹浅蓝色脊线的希玛拉雅山脉……另一方面不容否认的事实：地球表面的重力强度分布跟地球表面形态相去甚远，图3不仅不能区分大部分陆地的边界，即使海平面上区别也很大。

 

　　由于地球吞噬范围内外，地球重力场梯度顺序完全相反，在地球表面，绿色重力等位面应该穿过青色、蓝色部分下方，同时穿过黄色、红色部分上方。因为地球吞噬范围以内，距离地心越近重力场强度（重力加速度）越小，所以图3的着色部分越倾向冷色调（深蓝色一方）表示地球表面重力场强度越大，越倾向暖色调（红色一方）表示地球表面重力场强度越小。

 

　　过去人们普遍认为，地球表面纬度越高重力加速度越大，海拔越高重力加速度越小，以前的教科书上就是这么说的……此图一出，这种说法可以休矣。从图3就可以看出，赤道印度洋上的重力加速度很大，欧洲的西部、包括大西洋的一部分重力加速度很小，青藏高原、喜马拉雅山脉的重力加速度并不小。

 

　　造山运动、物质循环以及地球表面重力加速度分布的差异，归根结底都是地幔对流造成的，陆地本身就是由于地球内部大规模的热效应造成的。 

　　

      按图索骥，反过来可以推测地壳下地幔物质的运动状态。以“印度洋沉降带”（位于赤道，图3标记为深蓝色）为例，说明当地下沉地幔柱占主导。下沉的地幔柱加强了地球引力，重力等位面向内收缩。大气和海水同时向内收缩，使它们的边界趋向重力等位面，因而形成大气、海水不同形式的对流。由于海面上汇聚的是周围温暖的表层海水，使得这个海域的水温常年四季高于同纬度其它海区。感兴趣的读者可以百度“印度洋”资料。

 

　　相反，标记为红色的海面上，大气、海水向外膨胀。比如“西太平洋隆起带”是世界上形成台风最多的地区，是地球重力场影响气候的典型范例。另外，因为传热的特性，海底的地壳普遍比较薄，分属海底的隆起带，地壳厚度更加薄。“西太平洋隆起带”是世界上地壳最活跃、地震最集中的地方，太平洋厄尔尼诺的老家。

 

　　如果海平面是海水上升旋涡的顶端，同时必是大气下沉旋涡的底端——反之亦然。由于地球自转偏向力作用，海水和大气旋转的方向正好一致。常见的“风海流”大部分其实跟重力场有关，风并不能搅动深层的海水。 

      

        海平面非常趋向重力等位面，但是严格的说来海平面与任何一组重力等位面都不重合，通常意义的“海平面”并不代表重力等位面，海平面上本身存在重力梯度差。因为海平面上的重力梯度差形成的洋流笔者称为“重力洋流”。通常的“风海流”、“密度流”都不能解释“重力流“，从形成机制上就有明显的区别。但是“重力洋流”其实是一种最基本最普遍的洋流。重力洋流和沉降效应一样,都是笔者提出的新概念，未见学界类似观点。

 

　　图3中，毗邻的部分标记颜色相差两级以上，过渡颜色又细又窄甚至没有过渡颜色，中间过渡的边界线笔者称为“重力陡变线”。历史上的大地震多发生在重力陡变线上。日本、智利、海城、唐山都在红绿之间的黄色分界线上，海地、玉树、汶川都在蓝、绿之间的青色分界线上……地震跟地球重力场有直接的关系，“重力陡变线”通常恰恰是地壳应力最集中的地方。换句话说，这张图能表示“以后”的地震带！

 

　　上升的地幔柱削弱地球引力，对应的地壳容易形成高压大气团，下沉的地幔柱加强地球引力，对应的地壳容易形成低压大气团。两种作用性质相反、能量相当，所以有多少厄尔尼诺就有多少拉尼娜。

 

        厄尔尼诺的小周期对应1年的地球近日周期，大周期对应4.25年的月亮近地周期，4.25*4化整的17年则是月亮和太阳潮汐力叠加以后最强一个相位，因此最强厄尔尼诺的周期是17年。由于月球进动，厄尔尼诺的4.25年或者17年“近地周期”和计算历法的4年及19年“会合周期”是有区别的。最强厄尔尼诺有17年的周期，性质相反的拉尼娜其实也有17年的周期，本质是因为陆地（地壳）存在17年的沉浮周期。气候变化、旱涝转换及衍生自然灾害也同时存在17年周期。

 

         地幔物质的运动规律决定了地球重力场及其总体平衡。

 

　　“南磁极隆起带”（非洲相对的南极洲边缘，图3标记为红色的部分）对穿“北磁极沉降带”（加拿大北部，图3标记为蓝色的部分）；

 

　　“南极沉降带”（国际日期变更线相交南极洲的边缘地区，图3标记为蓝色的部分）对穿“北大西洋隆起带“（欧洲西部及北大西洋的一部分，图3标记为红色的部分）。

 

　　一个地方的冰川大规模地融化，当地的地壳产生隆起（趋向红色），同时能引起对穿的另一个地方地壳沉降（趋向蓝色）——说明地球重力场的形成机制和发展规律也是有迹可寻的。

 

　　地球重力场（地幔运动）除了存在以上的对称性，明显还有一种总体平衡原则。

 

　　规模最大的“西太平洋隆起带”（见前）与纵贯东大西洋的两个隆起带分处地球两边；

 

　　“印度洋沉降带”（见前）与“百慕大三角沉降带”（墨西哥以东、美国南部海域）分处地球两边。

 

　　从平衡观点看待图3，红色部分远多于蓝色部分，应该是这张图的缺陷。

 

　　“印度洋沉降带”是全球无与伦比最大的一块下沉带。联想到板块漂移、喜马拉雅山脉以及中东丰富的石油，有理由怀疑这个海域可能就是沉没的冈瓦纳大陆。

 

　　拙作《地球自转在加快》提出地球自转的动力、板块漂移的动力及历史背景。简要地说：地球自转速度与本身拥有的热能有关；冰川时期全球变冷，地幔自转速度变慢；由于惯性，地壳的自转速度超过地幔上沿；因为传热的特性，大陆地壳异常变厚；巨大的阻力撕裂了地壳，使之成为几大板块；当时的板块之间互相碰撞、倾轧，就是所谓的“板块漂移”。

 

　　陆地的产生和存在是因为地球内部大规模的热效应（《揭密地球引力场》）。为了说明其中的力学原理，我举一个例子：

 

　　淘宝售卖一种“磁悬浮地球仪”，利用电磁斥力抵消重力，可以使球体悬浮起来。非常缓慢地移动底座，球体可以跟随底座同步运动。假如有一个十分光滑的平面，使之做理想的匀加速运动，势必可以达到很快的速度。其间如果突然加速或者停顿，悬浮的球体都会掉下来。

 

　　大陆和支撑大陆板块的地幔物质具有相似的系统自洽性，陆地就象悬浮的球体。“板块漂移”过程中，“南亚次大陆”跟“亚洲大陆”撞在了一起。既然能撞在了一起，说明它本来的速度比“亚洲大陆”更大。发生碰撞以后，支撑后半部分的“地幔柱”因为惯性继续向前冲，失去支撑的半块大陆瞬间就会断裂、沉没……保留到现在的印度断崖海岸、南亚次大陆非常发育的断裂以及分布广泛的火山岩已经说明很多问题了；而前半部分的地幔柱则冲进“亚洲大陆”下方推起了“青藏高原”。注意：笔者是指额外的具有支撑作用的“地幔柱”冲进了“亚洲大陆”下方，而不是传统所说的“南亚大陆”插进“亚洲大陆”下方。地质学家曾有一个困惑，喜玛拉雅地区曾经是一片海洋，发生碰撞以后为什么不是较薄的海洋地壳（亚洲近海地壳）插进陆地地壳（南亚次大陆）下面？这是传统理论不可弥补的硬伤，显而易见，笔者的观点没有这种缺陷。

 

        正面碰撞的最前沿地方确实存在插入的因素，褶皱现象和隆起作用主导,造就了现在的喜马拉雅山脉；边缘接触的地方通过“形变”消化动能，又“推挤”出一片“横断山区”……没有其他原因能解释这样大面积的、走向一致、有序颠覆的地质。由于活动断裂密集，“横断山区”及其毗邻的“云贵高原”属于地质最不稳定，地质灾害最多的地方。图4是我国泥石流、滑坡带统计图，除了黄土高原等厚土构造的部分，绝大部分跟这次碰撞有关系。

 

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       笔者一再强调，板块漂移是发生在特殊时期的突发事件，人们想象的缓慢的、持续的“板块漂移”，恰恰难以解释其所依赖的动力。同时既解释不了“青藏高原的成因”，也解释不了 “物种大灭绝”。这方面的地质证据很多，非洲和南美洲决裂出一个大西洋一例足以说明问题，用“缓慢地漂移”解释很不可思议。

 

　　基于这种直接的大碰撞，改变了地球表面形态，创造了千奇百怪不可思议的地质、地貌；或者也因为沉没的大陆，形成了中东丰富的油藏。陆沉的有机物形成油气其实是个很快的过程（《矿脉成因》），埋藏在地壳以下的油气因为天然的“浮选”作用聚集在“背斜构造”的穹隆下方，并且沿着基于同样条件的“廊道”运动，由于当时（冰川期板块漂移）地幔物质的自转速度小于地壳，原则上形成的油气相对向西运动，又因为地球自转偏向力的作用偏向西北，富集在现在的中东地区……为什么，在地质历史上，矿床形成集中的时代（成矿时代），恰恰是生物大灭绝的时代？由此可见一斑。

 

      水会向低处流，哪怕高低相差仅仅一点点。地球重力场本身是非常精确的，印度洋发生了陆沉事件，对穿的地球另一边便形成了风波诡异的“百慕大三角”。甚至，美国佛罗里达州盛行的龙卷风也可能与印度洋的潮汐有关。

 

　　“百慕大三角”本身就是典型的引力异常区。这种地方由于地质特殊或者地壳坚固、厚实，潮汐来临不易起伏，局部的海水、大气就要进行代偿。以致于有时候潮差可达二十米，形成一块独立水体，一来一去的海水形成大大小小的旋涡。风高浪急伴随天气骤变，极易造成海难事故。而且正因为地壳不一同起伏，岩浆的能量得不到释放，也很容易形成大型的旋涡，从而改变周围的磁场，造成指南针失灵、通讯中断。神秘的百慕大三角区，就是这样一个经常轮船失踪、飞机失事的地方。

 

　　图3上“百慕大沉降带”的标记并不大，“遥感”技术可能降低了它重力强度的等级。

 

　　总的来说采用卫星技术取得的太空数据或许很有价值，但是不可否认，地球重力场是随时变化的；对于地球表面而言，“遥感”的数据又丢失了很多细节。小范围的强度变化并不能体现，三山五岳竟给抹平了。正是因为这个原因，面积很小的重力异常区，实际的强度可能比图中反映的更高。而实际情况偏偏是淡化模糊细节往往最重要,日本符合这种情况，百慕大也符合这种情况。其实对于地面而言，挺拔高大的山峰、孤悬海外的岛屿本身都属于重力异常区。

 

　　地磁北极正以每年60——70公里的速度移动，地球内部的对流路径在悄悄改变，地球表面的重力场强度也在消长变化。

 

　　我国紧邻“西太平洋隆起带”，以青海省为中心的“中国沉降带”又覆盖近半国土。当前海平面上升、地下水下降、高温、干旱、地震和雾霾与重力场作用加强密切相关，我的文章《沉降效应及拉尼娜》、《雾霾的形成机制》多有解释，不再赘述。

 

　　喜马拉雅山脉、青藏高原形成的原因，填补了某方面空白，自问没见过更合理的解释；地球重力场形成机制、地球重力场吞噬范围、地球重力场梯度顺序等，都是笔者独创的可以颠覆传统的观点……没有投稿的渠道，只好发布在博客。能够启发别人，也算造福社会。

 

　　没有理论的支持，没有合理的解释，地球重力场模型的应用就是笑谈。