重力与大地测量学

重力与大地测量学通过测量地球的重力场、形状和大小，利用重力变化探测地表下的密度结构，并定义作为高程和海平面参考基准的大地水准面。

Definition

重力与大地测量学共同构成对地球重力场和几何形状的研究和测量，利用重力测量、水准测量和空间技术来确定大地水准面、参考框架以及重力异常中记录的地下密度变化。

Scope

该领域涵盖地球重力场及其大地测量确定：位场理论和重力测量值到异常的归算，大地水准面和作为参考椭球体加起伏的地球形状，以及将地形与补偿密度结构联系起来的均衡原理。它涉及卫星和空间大地测量学，包括精密定位和专用重力任务，以及地壳和地幔结构重力异常的解释。重点在于重力场、地球形状及其内部密度分布之间的关系。

Sub-topics

• 均衡和地壳结构
• 位场理论与重力异常
• 卫星和空间大地测量学
• 大地水准面与地球形状

Core questions

• 重力测量值如何归算为揭示地下密度的异常？
• 什么是大地水准面，它如何定义地球的形状？
• 均衡如何将地表地形与深部的补偿质量联系起来？
• 卫星任务和空间大地测量学如何测量重力场和位置？

Key concepts

• 引力势和重力异常
• 自由空气校正和布格校正
• 大地水准面和参考椭球体
• 均衡和地壳补偿
• 卫星重力测量和空间大地测量学

Key theories

均衡

地表地形在深部得到很大程度的补偿，使得地壳和地幔的柱体在补偿深度处施加几乎相等的压力；艾里模型和普拉特模型通过深部地壳根或横向密度差异来解释山脉的形成。

大地水准面和物理大地测量学

大地水准面是近似平均海平面的重力场等位面，它定义了地球的形状和高程基准；物理大地测量学通过位理论和边值问题将测量的重力与大地水准面联系起来。

Clinical relevance

重力与大地测量学为测绘、导航和工程提供了参考框架和高程系统；重力异常指导矿产和石油勘探，卫星重力测量追踪冰盖损失、地下水储量和海平面变化。

History

牛顿预测了地球的扁平，十八世纪的弧度测量探险证实了这一点，布格和艾里在十八和十九世纪发展了重力归算和均衡理论，而卫星时代，以GRACE和GOCE等专用任务为高潮，彻底改变了重力场和大地水准面的确定。

Key figures

• Isaac Newton
• Pierre Bouguer
• George Biddell Airy
• Friedrich Robert Helmert

Seminal works

• fowler2005
• hofmannwellenhof2006
• turcotte2014

Frequently asked questions

什么是重力异常？

它是某一点测得的重力值与经过标准校正后光滑参考地球的预期值之间的差异；正或负异常表明下方物质密度较大或较小，使重力成为探测地下的工具。

为什么地球的形状用大地水准面而不是球体来描述？

因为地球的质量分布不均匀且在自转，其重力场是不规则的；大地水准面是遵循平均海平面的平缓、凹凸不平的等位面，它为高程提供了一个具有物理意义的参考基准，而简单的球体无法做到这一点。