Question

重力———地球引力和离心力的合力

Answer 1

重力(gravity)是一种看不见、摸不着，但又是人人都能察觉到的现象。虽然有些科学史学家考证出，牛顿因看到苹果落地从而想到万有引力的说法不实，但这个故事仍为人们所津津乐道。因为能从习以为常的现象中发现它所含的真理，确实使人感到掌握知识的无穷乐趣。人类早就知道物体有“向下掉落”的特点，但不知其中的奥妙。现在我们知道，重力是万有引力在地球作用的表现。地球上的物质，无不受到地球重力的控制。如果设想没有重力作用的话，地球上所有物体，包括人类、空气、水、其他生物等都会马上脱离地球而散失到太空之中，固体地球自身也必然会崩解。

图11-1 重力作用方向示意图

重力是地球的引力和由地球自转而引起的惯性离心力的合力(图11-1)。在固体地球表面上的物体，不仅受到来自地球内部物质引力的影响，还要受到地球自转所产生的惯性离心力(相对较小)的作用。重力是用加速度来表述的，常用伽(1Gal=1cm/s²)和毫伽(1mGal=10^－3Gal)为其单位，这是为了纪念世界上第一位测定重力加速度的物理学家伽利略而命名的。

重力不仅可以感觉到，而且也容易测定出来，其表现就是物体有了重量。重量等于物体质量与物体所在位置的重力加速度的乘积。在重力大小确定不变的情况下，物体的质量越大自然就越重。但是有多种因素在影响着重力的大小，月球和太阳的引力对重力的影响就比较明显，海水被它们吸引产生潮汐是其表现，连岩石圈也会因而出现“固体潮”，不过仅有数十厘米的起落，影响较小。

重力的大小与离地心远近有直接的关系，因为离地心越远引力越小，从赤道到地球中心，比从两极至地心要远21.4km。因此，同一件物体，在赤道上比在两极上要轻1/290;而太空探测器升到离地面6400km的高度，此处地球的引力只有地面的1/4;在离地球约2.6×10⁵km的外层空间，地球的引力便几乎不起作用了。因此，在地球表面，重力的大小要受到地势高低的影响，例如在珠穆朗玛峰顶，到地心的距离比华北平原要多8000多米，引力自然要小一点。在地表受到的惯性离心力的影响，各处也有不同，赤道上的离心力最大;向两极去，随纬度的升高而减少，南北极上的离心力等于零。地球赤道部分凸出，主要是因所受惯性离心力大于两极，而从赤道到地球中心也因而远于从两极到地心。不过这种影响相对于引力来说，其影响都是相当微弱的。在地面上，离心力变化的最大值，不超过地球引力的1/300，因而重力的方向仍大体指向地心。尽管惯性离心力的大小，会因地球自转速度的加快或减慢而增减，但无论加快或减慢，其作用都是有限的。

是不是愈往地球深处去重力就会越大呢?也不是。因为随着深度的增加，在这个深度以上的质量越来越少，真要进到地球的中心点，重力就等于零了。但也不是只要往深处去，重力就一定都变小，因为还受到那里的物质密度的影响。地壳与地幔的密度都比较小，而地核的密度大，因此从地表到地下2885km的核幔界面，产生引力的物质质量减少但深部密度增高，相互抵消后，还能使重力值大体上随深度增加而略有增加。在核幔界面上，由于地核的物质密度猛增，重力值达到极大(约1069cm/s²)，但是再往深处去，各个方向上的引力趋向平衡，重力值逐渐减少，直至地心变小为零(图8-5)。

重力异常(gravity anomaly)重力值是可以用仪器测出来的，现代陆地重力测量的精度，最高已达到10^－6cm/s²的数量级。在陆地表面、地下、海上、水下或空中进行测量的结果表明，实际测得的重力值与理论重力值之间存在差异，这个差值就称为重力异常。实测的重力值与理论重力值存在着差异，不足为奇。因为进行实测的场所常是起伏不平的，地下的物质密度也不均匀。如果观测点高于大地水准面(geoid，即不考虑地形起伏，以平均海平面为基准的理想固体地球表面)，测点位置越高，实测重力值就比理论重力值越小。因此，实测的结果需要校正，换算成为海平面上的数据。这种校正就称为自由空气校正或高度校正。校正后的重力异常称为自由空气重力异常。在陆地上测量时，测点与海平面之间并非空气，而是岩石。考虑了测点高度及其与大地水准面之间岩石密度的影响而进行的校正，称为布格校正。经布格校正后的重力异常称为布格重力异常。

图11-2 重力均衡补偿假说

重力均衡补偿假说 如果地形起伏仅仅是多余的岩石附加(或短缺)在一个表面光滑的地球之上的话，经过布格校正之后，重力异常应当不大，并且不应发生系统偏离。然而在山区的重力异常，经过布格校正后，往往还有较大的负异常。这表明在高山之下，存在某种物质的亏损。类似的现象，在重力垂线偏差的观测中早已被发现了。18世纪中叶，法国数学家布格(Pierre Bouguer，1698～1758)首先在安第斯山麓发现，后来英国人在喜马拉雅山麓重力观测中进一步证实。根据山脉地形的估算，他们推测重力垂线受山体的吸引应该有较大的亏损。实测结果，角度偏差却小得多，只有几秒的偏差。这表明山脉底下的物质存在某种质量的亏损，部分地抵消了高山影响。为了解释这种现象，1855年普拉特与艾里几乎同时分别提出了两种重力均衡的假说(图11-2):普拉特认为地下从某一深度(可叫补偿深度)算起，其下物质的密度是均匀的，但从均衡的观点来看，其上的物质高度不同而截面积相同的柱体应该具有相同的质量，因而地形较高的柱体，其密度较小(图11-2A);艾里提出另一种假设，他认为地球上层物质密度比下层小，山脉是较轻的岩石浮在较重岩石之上，仿佛是冰浮在水面上一样，山脉的底部应伸入水下，山越高则“根”越深。同样道理，在海洋下面由于海水密度比岩石小得多，为保持均衡，下面密度较高的岩石反而应向上凸出(图11-2B)。上述两种假说都有一个共同的认识:即从地下某一深度算起，相同截面积所承载的表面岩石柱体的总质量应趋于相等，这一概念就称为重力均衡(gravity isostasy)。从重力均衡的角度对布格异常进一步进行校正，即为均衡校正。通过均衡校正就可得到均衡重力异常。如果均衡异常值很小，表明该处地壳基本上处于均衡状态。正均衡异常是指山脉下部较轻岩石的增多对地表山脉隆起的质量补偿不足，存在着质量亏损，也即莫霍面在山下凹陷得还不够，还不足以补偿山脉的隆起，这就意味着山脉必须不断隆升，并将进一步隆升。负均衡异常是指莫霍面凹陷过深，浅部岩石过多地补偿了地形的隆起，这意味着该区正在下沉，并将继续下沉。

自从地球形成以来，重力每时每刻都在起作用。在太阳系以及地球的起源阶段，正是靠物质的吸引力才使星云中的尘粒不断碰撞和吸积，逐渐形成星子，以致行星的。而在地球内部与外部圈层的形成过程中，也是靠重力作用而使各圈层趋向平衡(或叫均衡)，从而形成不同密度、不同物性的固体地球及其外部的同心圈层的，即如前面所述的大气圈、水圈、生物圈、地壳、地幔和地核。

然而，这种平衡是一种动态的、相对的平衡，它总是处于不断的破坏和调整之中。在地球圈层基本定型的近40亿年内，地球上的一切变化仍离不开重力作用的影响。太阳辐射能可使地表的水或冰升温，使其部分化为水蒸气上升到大气圈，形成云层。它们又可凝结成雨水、冰雹或雪花，在重力作用下降落到大陆地面或海洋，形成地表的各种流水与冰川，从而使地表岩石遭受剥蚀作用，经过剥蚀的物质在重力作用下搬运并在地表较低的地方沉积下来。如前所述，在地球外部圈层对岩石圈表层的作用过程中，主要受太阳辐射能和重力能的共同控制。其中有些作用，如块体运动，还主要是受重力的影响，例如岩崩、岩石滑坡、泥石滑坡、泥石流、地面蠕动、岩块滑动、地滑、水下浊流等(图11-3)。

当地球表面物质发生显著增加(如大量水体、冰盖、沉积物覆盖地表，板块汇聚)或亏损(如火山爆发，陨石撞击引起爆炸，表层水体、冰盖或沉积物的消失，板块离散扩张)时，均衡补偿作用必定会使地球内部物质发生重新调整，同时造成地表地形的变化。例如，由于数千米厚的现代大陆冰盖覆盖在南极洲与格陵兰岛上，引起其下面的地壳沉陷，使这两块陆地中部的现代高度被压低到海平面之下。在第四纪早期冰川时期，欧洲斯堪的纳维亚地区和加拿大哈得逊湾地区都存在过大陆冰川，当时这两个区域都发生过地壳沉陷的均衡补偿现象。哈得逊湾的地面曾沉降到海平面之下120m左右。现在冰川消融了，整个地区都在抬升，但这两个地区的某些部分还在海平面之下。最近15000年以来，哈得逊地区抬升了大约300m，这一地区至今还保持着2cm/yr的上升速度。经过计算，该区地面要恢复到冰期以前的原有高度，并重建地壳均衡状态，还需要再上升80m。北欧斯堪的纳维亚地区，近万年来，其上升幅度达250m，至今仍以1cm/yr的速度上升。

人工水库的建设也会影响重力均衡。1935年美国在科罗拉多河上建筑了胡佛水坝，使得水库内积累了240亿吨的水和数量不详的沉积物，多年来，这个重量压在该区，使水库周围形成了一个大致圆形的地壳沉陷区，最大沉降量为1.7m。

在两个岩石圈板块汇聚的地区，由于地壳密度较小的岩石大量汇聚在一起，致使地壳厚度加大，地表高度骤增，同时风化、剥蚀作用加强，如喜马拉雅山脉，该区地壳物质的补偿作用明显不足，出现(120～140)×10^－5m/s²的正均衡重力异常，这意味着将有更多的地壳物质加入此带，该区现在正以大约每年2cm的速度抬升。反之，在现代大洋，由于组成洋底的岩石大多是密度较大的玄武岩，洋壳和海洋岩石圈厚度较小，深部软流圈的顶面也较高，岩石圈物质补偿过剩，呈现为负均衡重力异常，因而该区洋底将不断沉降，同时还可接受更多的沉积物。

总的来说，重力对地球各圈层的形成与演化，主要起到了趋向平衡与稳定的作用，但同时又会在趋向均衡的过程中造成一些圈层间或圈层内部的相互作用。

图11-3 主要受重力作用所控制的块体运动