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人造卫星如何测地球重力场?

地球表面不同地点,你所称量到的体重都差不多。因为地球基本是一颗均匀的球体,表面重力在各处几乎相同。其实,地球各处的重力还是有很细微差别的,但一般性测量是测不出来的,需要依靠卫星的灵敏度。

2002年3月,美国航空航天局和德国空间中心联合研制的“重力测量和气候试验卫星”发射升空,开展了一项高精度全球重力场观测与气候变化试验。它由两颗完全相同的卫星组成,在距离地面500千米的同一圆轨道上相距约220千米运行,通过精确测量两颗卫星之间的距离和速率变化来反演地球重力场,测量误差不超过人头发的直径。它所运用的原理是:质量的运动会引起重力场的变化。例如,地势较低的四川盆地被水淹了,此地的质量增加,路过的卫星速度就会增加,两个卫星间的距离就会变大。然后,在质量拉扯下两个卫星之间的距离又会缩短。这样,通过测量两个卫星之间的距离,就可以获得地表任何指定区域的表面质量。

这两颗双胞胎卫星除了能够精确测量地球大小、形状、旋转轴和重力场的变化外,还是监测陆地冰川消融、海平面与环流变化、陆地水量变化、强地震等全球环境变化的有力工具。地球内部一些极为缓慢的变化会造成重力场发生变化。例如,地球极区的冰在过去比较多,这些冰的质量让地球在两极的方向较为扁平。现在由于部分冰融化,原本被重压的陆地反弹而上升,加拿大北部就正在上升中。这使得地球变成更接近完美的球体。通过这两颗双胞胎卫星精确地测量重力的微小变化,科学家还发现许多地方的地下水正在以不可持续的方式大量消耗。

【知识点】“希望一号”

2009年12月15日,中国发射首颗为青少年量身定做的科普试验卫星——“希望一号”。“希望一号”卫星的太空之旅有科普“三大件”随行:一是搭载了北京一名小学生设计的“天圆地方”科学实验方案的实验设备,用于观察微重力条件下五种颜色颗粒的状态;二是采用宽视场彩色CMOS相机在测光仪的配合下进行太空摄影;三是建立业余无线电空间电台,为中国和全球的业余无线电爱好者提供信标、语言和数据转发等空间通信试验服务。

【发散思维】卫星上的电源主要来自哪些方面?