淺析地球形狀與外部重力場(chǎng)的關(guān)系

淺談大地重力學(xué)

大地測(cè)量學(xué)的主要分支之一，是研究用物理方法測(cè)定地球形狀及其外部重力場(chǎng)的學(xué)科，又稱大地重力學(xué)。也就是說(shuō)地球重力場(chǎng)的研究始終是大地測(cè)量科學(xué)研究的核心問(wèn)題,也是現(xiàn)代大地測(cè)量發(fā)展中最活躍的領(lǐng)域之一。更因?yàn)榈厍蛑亓?chǎng)是地球的一個(gè)物理特性,它可以反映地球內(nèi)部物質(zhì)分布 、運(yùn)動(dòng)和變化狀態(tài),并制約地球本身及其鄰近空間的一切物理事件,因此研究地球重力場(chǎng)也是地球科學(xué)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性任務(wù)。地球重力場(chǎng)在傳統(tǒng)大地測(cè)量中的任務(wù)是將在物理空間(即地球重力場(chǎng)中)的各類大地測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)地球重力場(chǎng)參數(shù)轉(zhuǎn)化到幾何空間(即參考橢球體上) ,便于進(jìn)行大地位置的數(shù)學(xué)計(jì)算。因此,地球重力場(chǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)和各種參數(shù)對(duì)地面大地測(cè)量的定位是起輔助作用的 。而現(xiàn)代大地測(cè)量是以空間技術(shù)手段(如GPS)進(jìn)行三維地心坐標(biāo)的定位,這種定位方式無(wú)需由物理空間向幾何空間的轉(zhuǎn)換,此時(shí)研究地球重力場(chǎng)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(cè)量定位的精度 。因?yàn)楹笳咝枰?xì)地球重力場(chǎng)的支持,因此地球重力場(chǎng)對(duì)衛(wèi)星大地測(cè)量起著關(guān)鍵性的作用 。由此可見(jiàn),無(wú)論是傳統(tǒng)大地測(cè)量,還是現(xiàn)代大地測(cè)量,地球重力場(chǎng)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(cè)量整體框架中,研究地球重力場(chǎng)的物理大地測(cè)量學(xué)和空間大地測(cè)量學(xué)將相互緊密結(jié)合組成大地測(cè)量學(xué)科的支柱,共同主導(dǎo)學(xué)科的發(fā)展。

下面，我們從寧津生的《跟蹤世界發(fā)展動(dòng)態(tài) 致力地球重力場(chǎng)研究》學(xué)術(shù)報(bào)告出發(fā)，，談?wù)剬?duì)大地重力學(xué)的認(rèn)識(shí)。

一、從斯托克司理論到莫洛堅(jiān)斯基理論

研究是從實(shí)踐開(kāi)始的 。1957年參與了當(dāng)時(shí)國(guó)家測(cè)繪總局在全國(guó)范圍內(nèi)建立“57國(guó)家重力基本網(wǎng)”的工作,接著在1958年學(xué)校聘請(qǐng)了原蘇聯(lián)莫斯科測(cè)繪學(xué)院的布洛瓦爾( V . V .Brovar)教授前來(lái)系統(tǒng)而全面地講授莫洛堅(jiān)斯基(M. S.Molodensky)真地球形狀理論 。從此,我國(guó)的地球重力場(chǎng)理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐就從斯托克司理論框架全盤轉(zhuǎn)化到莫洛堅(jiān)斯基理論框架 。例如,在建立全國(guó)天文大地網(wǎng)中將舊的三角測(cè)量處理中需二次歸算的展開(kāi)法過(guò)渡到僅需一次歸算的投影法;推求大地高由原來(lái)采用大地水準(zhǔn)面差距轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎酶叱坍惓?即似大地水準(zhǔn)面概念) ,其中引進(jìn)了天文重力水準(zhǔn)方法;高程系統(tǒng)則由原來(lái)的正高轉(zhuǎn)變成正常高等等 。這一切都是基于莫洛堅(jiān)斯基理論所確定的地球自然表面形狀,其理論是嚴(yán)密的,相對(duì)地說(shuō)克服了斯托克司理論中由于重力歸算等引進(jìn)的非真實(shí)性假設(shè)而引起的大地水準(zhǔn)面不確定性的理論缺陷,從理論上說(shuō)可以提高大地測(cè)量確定地球形狀和地球重力場(chǎng)以及定位的精度 。隨后,國(guó)家測(cè)繪總局在全國(guó)范圍內(nèi)建立國(guó)家 天文大地網(wǎng)(即8 0坐標(biāo)系) ,并在全國(guó)布設(shè)天文重力水準(zhǔn)網(wǎng),以滿足建立國(guó)家天文大地網(wǎng)中歸算大地測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)的需要 。為了這種需要,同時(shí)也為了教學(xué)的需要,我們對(duì)莫洛堅(jiān)斯基理論及其天文重力水準(zhǔn)的理論 、方法和精度進(jìn)行了更深入的理解和研究,特別是對(duì)由布洛瓦爾為我國(guó)設(shè)計(jì)的天文重力水準(zhǔn)和相應(yīng)的加密重力測(cè)量的布設(shè)方案,結(jié)合我國(guó)的具體情況提出了修改和完善的意見(jiàn),研究了天文重力水準(zhǔn)對(duì)重力資料的精度要求,其中包括對(duì)莫洛堅(jiān)斯基和方俊兩個(gè)天文重力水準(zhǔn)計(jì)算模板進(jìn)行了比較,并在理論研究的基礎(chǔ)上對(duì)天文重力水準(zhǔn)方法進(jìn)行了較全面的試驗(yàn) 。這些研究成果部分地被收入我國(guó)修訂的《天文重力水準(zhǔn)測(cè)量細(xì)則》,為我國(guó)開(kāi)展天文重力水準(zhǔn)測(cè)量