地球重力場數據隨著時空不斷變化 高精度測量揭開地球重力場“面紗”

今年年初，華中科技大學引力中心胡忠坤、周敏康教授團隊，攻克物質波干涉、超低頻隔振、裝備小型化等量子重力儀的關鍵技術，研制出我國首臺交付使用的高精度量子重力儀，打破了高精度重力儀被國外技術壟斷的局面。

據介紹，重力儀獲取高精度的地面重力觀測信息，是研究地球內部結構、密度和應力分布特征的基礎數據。重力場的精密測量在深地探測、資源勘探、災害監測預警、地球科學等領域有廣泛應用。

地球重力場數據隨著時空不斷變化

地球重力是由地球對物體的吸引力和地球自轉產生的慣性離心力合成的。由于地球內部、表面及其周圍的空間都具有一定的質量，其產生的引力(重力)交織在一起就形成了重力場。

“地球重力場是指地球內部、表面和外部各點所受地球重力作用的物理場，它反映地球各圈層物質分布與運動。”胡忠坤解釋說，地球對附近物體產生的引力指向地心，而地球自轉導致地球上物體獲得的離心力垂直地軸向外，引力和離心力的合力讓地球上物體獲得了重力加速度。

在赤道位置的物體獲得的離心力最大，且恰好與引力方向相反，因此，赤道位置的重力加速度值最小，約為9.78米/秒2;越靠近極點，離心力越小，且與引力的夾角逐漸減小，因此，重力加速度值也越大，極點附近重力加速度約為9.83米/秒2。

此外，物體受到地球的萬有引力與其距離地心的距離有關，距離越遠，引力就越小，該點的重力加速度值就越小。因此，同一緯度，距離地心越遠，即海拔越高，重力加速度值越小，如海拔每升高1米重力加速度減小約3×10-6米/秒2。

再者，地球重力場還隨時間變化。根據萬有引力定律，引力與距離的平方成反比，由于天體運動月球和太陽相對于地球的距離是周期性變化的，因此，月球和太陽對地球上某點的引力也是周期性變化的，日變化量可達3×10-6米/秒2。

當然，地球重力場還受到其他因素影響，如山體、湖泊、大型建筑物、氣壓等，這些因素影響約在10—7到10—8米/秒2量級。以氣壓為例，氣壓變化反映了地球表面附近空氣密度的變化，最終影響地球表面附近空氣的質量大小。氣壓變大，近地空間空氣質量增加，大氣附加的引力將抵消部分地球引力，因此導致地表測得的重力加速度值變小，反之，氣壓變小就會導致重力加速度值變大。

利用原子干涉得到更精準的重力加速度

“重力場的精密測量在深地探測、資源勘探、災害監測預警、地球科學等領域有廣泛應用。”胡忠坤說，高精度地測量地球表面重力場參數，有助建立重力基本網，能有效地服務精確制導等領域。

測量重力場的儀器統稱為重力儀，具體可分為相對重力儀和絕對重力儀。

相對重力儀的工作原理為：一個具有恒定質量的物體在重力場中的重量，會隨著重力加速度g值的變化而變化，如果用一種外力或力矩(彈力、電磁力等)來平衡重力的變化，通過對物體平衡狀態的觀測，就能測量出重力的變化或者兩點間的重力差值。

絕對重力儀則是根據自由落體定律來測量重力加速度g，具體分為自由下落法和上拋法，通過測量多點位的運動時間和距離，通過牛頓第二定律，用最小二乘法擬合出物體所受到的重力加速度g值。

量子重力儀是一種典型的絕對重力儀，它擺脫了傳統光電儀器的工作機理限制，直接利用物質的量子本質進行精密測量，測量精度也有了大幅提升。

光子可認為沒有質量，但具有一定的動能，其動能的大小由光的頻率所決定。當激光打向原子時，光子和原子發生碰撞，原子將吸收光子而產生躍遷，躍遷的同時原子會釋放同樣的光子。這樣通過光子與原子的不斷交換能量，可使原子運動的速度大大降低，從而形成極低溫條件。

這時用兩兩相對，沿三個正交方向的六束激光把原子引到激光的交匯處。這六束激光會使原子不管企圖向何方運動，都會遇上具有恰當能量的光子，并被推回到六束激光交匯的區域，這樣原子會陷入其中并不斷降低速度，形成光學粘膠。

由于重力的作用，這些原子會在1秒鐘內從光學粘膠中落下來。為了真正囚禁原子，就需要建立磁光阱。磁光阱由上述排列的六束激光，再加上兩個磁性線圈構成。磁光阱中的磁場會對原子的特征能級起作用，就會產生一個比重力大的力，從而把原子拉回到陷阱中心，這時原子會被激光和磁場約束在一個很小的范圍里。這時再把高度冷卻的原子向上拋出，讓原子在無磁條件下與重力場相互作用。用相隔一定時間的多束拉曼脈沖對原子進行態制備，從而形成原子干涉。通過對量子態布居的測量，就可以得到重力加速度g值。