2002年3月17日
“波茨坦土豆”与全球气候变暖
地球的重力与全球天气变暖似乎风马牛不相及，但是近年来的一个科研项目却把它们联系了起来。这是利用卫星从太空测量地球各处的重力加速度，也是被人们戏称为“波茨坦土豆”的实验工程。这项工程的测量结果表明，按照重力的分布核算，地球的形状如同“土豆”，工程因此得名。
在地球上，人无法到达很多地方，如高山、雪原、丛林、大海等，在这些地方很难直接进行重力的测量。人造卫星为这项研究提供了可能，不仅能测量到地球表面各处的重力加速度，还能监测它们随时间的变化，测量的精确度非常之高。
2002年3月17日，美国国家航空航天局和德国航天宇宙航空中心联合发射了一对双生子卫星“格瑞斯”（GRACE是英文字头的缩写，意指重力恢复与气候实验），如图1所示。这两颗双生子卫星升空后，它们在轨道上既不完全一致地同步并行，也不彼此分离，而是相互追逐。根据著名的迪斯尼动画片，人们给它们起了个有趣的名字，叫“汤姆和杰瑞”。自从它们从俄罗斯的普列谢茨克航天发射场升空后，在2002年到2012年的10年中，已经在高度为450～500千米的上空，绕地球旋转了55000圈，一直持续不停地收集着数据。格瑞斯升空的目的是测量地球重力场以及重力场随时间的变化，测量的精度相当惊人。
图1
格瑞斯的双子卫星实验构思非常巧妙，它的原理是这样的：如果地球表面的重力场按照球形均匀分布，这两颗卫星就会沿着轨道平稳地运行。但事实上，地球的质量分布并不球对称，致使重力场出现了不均匀分布，两颗卫星的轨道就会受到扰动，它们的运动速度和加速度会忽小忽大，两颗卫星间的距离和相对速度也相应地发生变化。为了调整两颗卫星的同步运行，在它们的机舱里，装载了高精度的速度检测仪、加速度测量仪以及高精度的定位制导系统，使它们能随时精确地定位，两颗卫星间的距离定位竟能准确到一根头发宽度的十分之一！在制导过程中，卫星记载下来所有的数据，如相互距离、相对速度与加速度的变化等，通过反演的办法，可以从这些数据中，挖掘出地球重力因素的变化。由于“汤姆和杰瑞”的距离比较小，测量它们距离、速度和加速度的精确度大为提高，与传统的从地面测量单颗卫星方法相比，可以使精确度提高100多倍。
从2002年到2012年，在格瑞斯升空后的10年间，它获得了大量的数据，根据这些数据，德国波茨坦地学研究中心折算出全球的重力场分布，发现它不是球对称的，有的地方重力较强，有的较弱，原因并不完全清楚。波茨坦地学研究中心的研究人员把重力分布图形绘制了出来，人们戏称它为“波茨坦土豆”，这个“土豆”显示，“重力地球”与“自然地球”的形状大不相同。图2是2005年所绘制的“重力地球”，图上着红色的地区最为凸出，重力也最强，而蓝色区域向里凹进，重力也最弱，橘红和黄色区域介于二者之间。这样就造成了在图上有很多凸凹不平和坑坑洼洼的地方，例如在印度洋，由于地球内部旷日持久的岩石熔化和漂流所致，这个地方竟然比西太平洋下凹190米。最大的凹陷处在印度附近，这表明无论是什么东西，拿到印度就会略轻，而原本在印度感到轻的东西拿到别处就会变重。
图2
“波茨坦土豆”怎么与“全球天气变暖”挂起钩来了呢？原来通过格瑞斯的数据，把格陵兰的重力场随时间变化情况与这里冰川融化情况加以比对时发现，居然这两种情况彼此是相关的，也就是随着冰川的融化，质量的减小，重力场也随之变弱，而且从格瑞斯的重力数据中也能把格陵兰的冰川融化的情况提取出来。按照这个程序，可以从外层空间测量出格陵兰冰川融化的情况，还可以测量南极冰山的融化情况，所得到的结果与实际观测都出奇的一致。格瑞斯的实验数据证实，“非正常融冰正在影响着地球的重力分布”。从2002年到2012年间，德国科学家利用格瑞斯的数据发现，格陵兰冰川的质量在10年内减少了240亿吨，这意味着全球海平面上升了0.7毫米。不要小看这个小小的数据，它给全球所带来的影响却不小。海平面的这一点点上升，足以带来明显的全球气候的变化。
近二三十年来，全球气候变暖成为人们关注的话题。它导致海平面上升，全球降水量重新分布，由此改变了世界天气的格局；全球变暖还影响和破坏了生物链、食物链，影响到了物种的繁衍，使生物多样化遭受威胁，由此带来严重的自然恶果；全球变暖使极端事件，如飓风、水旱灾、山洪、滑坡、雪崩等突发性灾害事故加多；特别是极地的冰山在融化，而且融化的速度在加大的消息更引起全世界的关注，图3为南极冰山部分崩塌的情况。
图3
同样的消息也来自格陵兰，那里存在有大量的冰川，如果全部融化，将引起全球的海平面上升近10米，如果南极的冰山再融化，能使海平面上升60米，把二者加起来，一旦海平面上升70米，世界上的很多大城市，如悉尼、墨尔本、曼谷、纽约、迈阿密、东京、上海、孟买、布宜诺斯艾利斯、迪拜、雅典和巴塞罗那等将全部被海水吞没。如果这种情况发生，就是没有被湮没的地区，也会遭受海水的严重侵袭，因此全球变暖应引起人们高度的关注。
格瑞斯实验对上述现象做出了很好的诠释，依靠测量地球重力场，监测极地冰山，进而能确认全球天气的变化进程。波茨坦土豆实验首次把地球质量分布、重力分布、冰川融化、全球变暖关联起来，使过去关于气候变暖、冰川融化等泛泛的话题有了准确的定量依据。
格瑞斯连续10年的重力场数据已经获得广泛的应用，例如利用观测地球重力场变化，可以监视南极大陆的冰川变化、地表流体如大气、海洋和陆地水等的季节迁移，看不见的地下水的储量变化等。格瑞斯在对亚马逊河流域的重力测量中发现，这里的水储量与季节变化趋势相一致，也与水文资料得到的结果吻合。我国学者也用格瑞斯的数据研究了华北、京津冀地区的地下水储量，为决策部门提供了决策依据。此外，格瑞斯的数据也对地球物理学、大地测量学、海洋学等领域的研究提供了支撑。
关键词：重力恢复与气候实验，“波茨坦土豆”，gravity recovery and climate experiment (GRACE)，the Potsdam potato
图2：http://apod.nasa.gov/apod/ap141215.html
图3：http://theresilientearth.com/?q=content/new-ice-surveys-finds-slower-ice-sheet-melting