中國網/中國成長門戶網訊 重力學是地球物理學重、磁、電、震、熱等5個主要學科分支之一，也是物理年夜地丈量學的焦點內在的事務，它是研討地球重力場的時空變更特征及其力學機制的一門主要學科。重力學始于伽利略和牛馬上代，跟著古代迷信和不雅測技巧的疾速成長，重力學近年來又被付與了全新的內在，浮現出宏大性命力，與浩繁學科如地動學、地質學、基本物理學、地球動力學、水文學、陸地學和地理學等構成了慎密的聯絡接觸，因此，重力學既是一門蓬勃成長的陳舊學科，又是一門具有微弱性命力的新興穿插學科。
研討地球重力場及當時變特征需求在全球展開普遍的重力丈量。但是，在空間不雅測技巧成長之前，全球籠罩的地面間辨別率的重力數據是非常缺少的。在曩昔的幾百年間，重力丈量簡直是重力學的所有的內在的事務，是以重力學又被稱為重力丈量學。跟著近古代科技程度的晉陞，作為獲取重力數據的手腕，重力丈量曾經成為重力學中的一個基本部門，重力學與浩繁學科發生的穿插融會，使得重力丈量學這個稱呼已不克不及涵蓋重力學的所有的內在的事務。
古代重力學是可以利用于研討地球全體外形、地球體系東西的品質分布與遷徙、分歧標準的形變活動等與密度構造相干的主要迷信題目，在斷定年夜地水準面、樹立國度測繪基準及其靜態變更、資本動力勘察、軍事工程探測、水下飛行器導航、中長途導彈的準確制導和空間飛翔器等軌道的精準定位、全球水輪迴、天氣變更及地質災難監測等範疇，施展著其他學科不成替換的主要感化。
重力學的成長、近況與趨向
重力學的成長是從地表重力丈量開端的，最晚期的裝備是應用金屬擺來實行重力丈量，擺的應用歷經了200多年的時光，在此時代獲得了很多嚴重的發明，也推進了相干實際的成長。拉格朗日、拉普拉斯、勒讓德、泊松、高斯、格林等浩繁迷信家為重力學實際的成長進獻了宏大的氣力，特殊是斯托克斯起首提出了應用重力不雅測斷定年夜地水準面，莫洛金斯基進一個步驟提出采用空中重力丈量斷定地球概況外形及內部重力場，這些研討奠基了古代高精度重力場模子的實際基本。
跟著資料迷信和技巧的進一個步驟成長，基于石英和金屬彈簧，以及超導重力技巧的絕對重力儀及基于不受拘束落體和緊密光電技巧的盡對重力儀接踵發現，重力丈量儀器的小型化、便攜性為全球范圍重力丈量收集的構建發明了前提，也被普遍利用于年夜地丈量學、地球物理學和地球動力學之中，其與海空變動位置平臺的聯合極年夜拓展了重力丈量的利用范圍。高精度盡對重力儀和超導重力儀的研制勝利進一個步驟為地球迷信題目，特殊是地球概況形變、地球自轉和（深外部）動力學景象的不雅測與研討供給了主要的技巧手腕。以後歐美國度在重力丈量儀器研制範疇占據主導位置，例如，美國Micro-gLaCoste公司的彈簧重力儀（gPhone）、盡對重力儀（A10，FG-5X）、海空重力儀（SEA-Ⅲ），以及美國GWR公司的超導重力儀（OSG，iGrav）均是今朝精度最高及利用最為普遍的重力不雅測裝備。
近半個世紀以來，空間不雅測技巧的改革為重力學的成長作出了不成磨滅的進獻。歐美國度率先實行了CHAMP、GRACE/GRACE-FO、GOCE、Topex/Poseidon、Jason和SWOT等系列衛星重力和衛星測高打算。空間重力丈量以其高籠罩率、高精度、高重復性使今朝地球重力場的精度獲得了很是年夜的進步，其不雅測效力也年夜為增添。主要的是，這些高精度的重力場及當時間變更已被普遍利用于地球物理學、地球動力學、水文學、天氣學等相干研討之中，為多學科的穿插融會進獻了宏大的氣力。此外，重力學的將來成長具有從區域重力走向聚焦全球重力成長態勢，從地表重力走向聚焦陸地與空間重力成長態勢，從聚焦地球走向其他星體的成長態勢。
總的來說，重力學具有特定的實際系統，丈量方式與技巧，具有普遍的利用遠景。圖1給出了重力學學科系統梳理的表示圖，以及重力丈量技巧、重力學研討的目的對象和研討方式等。重力學是以高精尖的不雅測技巧為依托，以不雅測精度高、籠罩區域廣、時光和空間辨別率高為特色，重視與其他學科深度的穿插融會，是一門具有遼闊成長遠景、具有其他學科不成替換的主要利用基本學科。
重力儀器的量子化、智能化、集成化和適用化是將來成長的主要趨向。近年來，物聯網和人工智能迅猛成長，基于量子實際的新型重力儀的鼎力研發衝破了傳統牛頓力學實際框架。例如，法國MuQuans公司已率先發布商用冷原子重力儀，我國多個研討機構與高校也接踵展開了冷原子重力儀的研制，獲得了主要停頓。新興技巧不竭涌現將對將來重力學的成長發生反動性影響。
我國重力學的成長、機會與挑釁
汗青上，我國非常器重重力丈量任務，我國最早的古代重力學研討始于20世紀50年月中期與蘇聯迷信院地球物理所一起配合樹立的全國重力基礎點（聯測中誤差0.15 mGal）和一等點（聯測中誤差0.25 mGal），隨后我國測繪部分樹立了全國二等重力不雅測網（聯測精度0.15 mGal），后來又停止了加密丈量。20世紀50年月末扶植了全國范圍的地理重力水準網，這般年夜面積的不雅測網活著界上也是比擬進步前輩的，后續又完成了全國1°×1°和5°×5°的均勻重力異常圖。
原國度測繪地輿信息局先后組織扶植了1957國度重力把持網、1985國度重力基礎網和2000國度重力基礎網等，并制訂了《國度一等重力丈量規范》（ZBA76001—87）、《國度重力丈量把持規范》（GB/T 20256—2006）和《加密重力丈量規范》（GB/T 17944—2000）等規章軌制，明白了重力丈量的目標、基礎請求、尺度化需求、丈量內在的事務、方式、技巧目標與技巧請求。值得一提的是，重力丈量在測定珠峰高程的經過歷程中也施展了主要感化。晚期的重力丈量重要采用國外儀器。國產儀器方面，國度地質總局地質儀器廠和原石油產業部石油儀器廠生孩子了ZS591、ZS2-67和ZSM-3型石英彈簧重力儀和金屬彈簧重力儀，此中ZSM-3型儀器的精度到達了50 μgal；中國迷信院丈量與地球物理研討所接踵勝利研制了HSZ-2型陸地石英重力儀和ZYZY主動化遠洋重力儀，精度到達3.1 mGal。固然我國在儀器研制方面與東方發財國度仍存在差距，但上述國產儀器的研制生孩子奠基了我國今朝重力儀自立研發的基本。
依據蘇聯學者莫洛金斯基的實際，在方俊的引導下，許厚澤、寧津生，李瑞浩等展開了相干研討任務，制訂了響應的垂線誤差和重力丈量打算，提出了改良的實行計劃以下降本錢并進步效力。方俊提出了有名的“方俊模板”以取代傳統的莫洛金斯基雙極模板。在此時代，我國粹者在重力學實際方式方面也獲得了豐富結果，例如，許厚澤和朱灼文導出了垂線誤差的最佳迫近公式，樹立了同一的垂線誤差和高程異常迫近實際，應用單層位處理了地球扁率的影響；方俊對扁率級斯托克斯題目供給了新的解法。
在重力學實際成長的基本上，管澤霖和寧津生給出了顧及地球扁率平方級的斯托克斯題目的解；寧津生等提出了基于B樣條函數的重力場迫近方式，成長了全體年夜地丈量的實際，樹立了新的模子并編制了響應軟件利用于新樹立的高精度年夜地丈量試驗網。
我國第一個地球重力場模子于1971年由中國迷信院丈量與地球物理研討所構建，該模子睜開到16階，包括229個位系數。1977年西安測繪研討所先后樹立了2個地球重力場模子，分辨睜開到22和20階，后來該所又陸續樹立了新的模子。1989年原武漢測繪學院寧津生等綜合空中和空間重力丈量數據，樹立了我國首個高階重力場模子，睜開到180階，該模子在表現我國部分重力場方面與國際外其他模子比擬均具有顯明上風。中國迷信院丈量與地球物理研討地點1993年構建了360階的地球重力場模子，該模子在我國青躲高原地域具有較高的精度，是以在相干地域的地質結構和地球動力學研討方面施展了嚴重的感化。隨后在1994年，武漢測繪科技年夜學和西安測繪研討所也分辨樹立了360階的地球重力場模子。李建成等樹立結局部重力場模子，并展開了年夜地水準面精化的研討。進進2000年后，跟著系列重力衛星打算的實行，國際外研討機構發布了很多高階靜態重力場模子，比擬以前的模子，這些模子的精度和辨別率都有了明顯進步。我國在重力衛星範疇的成長絕對滯后，在相干焦點要害技巧和原始數據獲取等方面遭到東方國度的封閉和限制，但在衛星重力丈量數據處置方式和地球重力場建模程度方面已到達國際進步前輩程度。
我國展開的另一個重力學研討的內在的事務是時變重力的研討，其代表是重力潮汐的研討。在方俊和許厚澤的率領下，中國迷信院丈量與地球物理研討所率先在國際展開了重力固體潮的研討。與國際固體潮研討中間（ICET）展開一起配合，在我國工具和南北2條剖面上展開了重力潮汐不雅測與研討，在此基本上成長并改良了諸多不雅測數據處置的方式與技巧。值得一提的是，郗欽文成長了引潮位睜開實際，樹立了高精度的引潮位睜開表，該表今朝是國際上被普遍應用的潮波表之一；李公營用小參數擾動法樹立了一套固體潮實際模仿方式，并矯正了Wahr模子中的潮汐依靠參數。在這一時代，以拉科斯特ET型重力儀為重要的不雅測手腕。跟著超導重力儀的引進，在許厚澤和孫戰爭的引導下，我國重力固體潮的研討進進了一個疾速成長的階段。超導重力儀以其不雅測精度高、穩固性好和漂移率低為特色，為重力固體潮研討供給了大批高東西的品質的持續不雅測材料，為發明地球動力學景象惹起的微弱電子訊號發明了前提，如地球內核平動振蕩電子訊號的探測。這一時代我國粹者也展開了年夜氣負荷、浪潮負荷、海洋水負荷、地球不受拘束核章動、地球不受拘束振蕩、地動和地球簡正模電子訊號檢測等與重力場相干的研討任務。初次應用重力技巧切磋了核幔鴻溝物性。此外，得益于衛星重力的持久持續不雅測，全球性的重力場時變特征研討在我國也蓬勃地展開了起來，此中最重要的是對全球水分布的研討，包括年夜標準的水系變更與冰川運動和中小標準的平地冰川和湖泊水體變更，以及地球構造、結構運動和睦候事務、地質災難等相干研討。我國在時變重力場相干的地球外部形變更力學實際和正演數據模仿方面已到達國際進步前輩程度。
2000年后，以FG-5型盡對重力儀及LCR、CG6等型號的絕對重力儀為代表的高精度儀器為我國展開年夜范圍的重力網監測發明了前提，跟著我國先后建成地殼活動不雅測收集和中國年夜陸結構周遭的狀況監測收集，樹立了地面間籠罩率的重力不雅測收集。比擬晚期的重力監測網，新樹立的不雅測收集精度有了明顯進步，這為監測我國重力場形狀與變更特征，以及研討結構形變更力學題目施展了宏大感化。國度“十二五”嚴重科技基本舉措措施項目——緊密重力丈量綜合研討舉措措施平臺扶植和基于第十屆國際盡對重力比對基本上樹立的全球重力基準原點（北京）也具有主要的計謀意義。
盡管我國重力學在實際模子和不雅測收集扶植方面已有長足的成長，可是在高精尖的不雅測技巧範疇依然存在顯明的缺乏，尤為主要的是我國自立研制迷信儀器的研發進度遲緩，工藝技巧仍絕對落后。東方國度的盡對和絕對重力丈量技巧曾經很是成熟，量子重力技巧曾經獲得衝破性停頓，重力梯度技巧曾經勝利利用于礦產油氣資本勘察和水下飛行器幫助婚配導航，有用進步了其平安性和隱藏性。包養我國重力不雅測技巧和儀器則顯明落后，最進步前輩的技巧均被東方國度壟斷，特殊是對于一些高端儀包養器裝備，東方國度對我國采取禁運辦法，這對我國重力不雅測技巧晉陞和重力學學科成長構成了嚴重的挑釁。是以與儀器design和制造相干的實際和技巧需進一個步驟加大力度，相干的任務亟需進一個步驟展開。可喜的是，近10多年來，國際多家相干機構均曾經展開了高精度重力儀的研制，包含傳統的小型盡對重力儀、超導重力儀和海空重力儀，以及新型的微機電體系（MEMS）重力儀、量子重力儀和量子重力梯度儀。從今朝的情形來看，盡管今朝的研制程度間隔成熟產物的商品化有不少差距，但已獲得了主要的停頓，一些儀器曾經外行業利用中施展了主要感化。此外，在空間衛星重力丈量方面，“天琴一號”和“天繪-4”等國產衛星的勝利發射，曾經完成了對地球重力場的自立不雅測。
“十三五”時代，我國提出向地球深部進軍，周全實行深地探測、深海探測、深空對地不雅測計謀，這對重力學特殊是重力學的利用範疇提出了更高的請求，也為我國重力學的成長發明了傑出的契機。若何使重力學的成長為我國在探測未知範疇的過程中施展更年夜的感化，是一個急需思慮的計謀和戰術題目。重力學并不是一個自力成長的學科，是以，起首需求處理的是，在現有的實際和技巧的包養網基本上，若何與其他相干學科和進步前輩技巧停止有用融會補充現有技巧的缺乏，若何成長新的實際領導技巧的提高，從而推進重力學更好地向前成長，辦事于國度需求。
重力學將來成長標的目的
近年來，跟著國度大批人力物力投進的增添，我國地球重力場範疇的研討與利用成長敏捷，在綜合定位、導航、授時（PNT）體系，中國探月工程和航空航天等嚴重工程的實行中，地球重力場顯示出了加倍至關主要的感化。重力學的將來成長具有從區域重力走向聚焦全球重力成長態勢，從地表重力走向聚焦陸地與空間重力成長態勢，在利用方面有從靜態重力場走向靜態時變重力場的成長態勢。是以，重力學的計謀布局應誇大技巧成長和迷信利用，需求針對相干嚴重基本與利用迷信題目，進一個步驟集中上風氣力，深化重力學與其他學科的穿插融會，打造海陸天空一體化的重力場不雅測與研討系統，辦事社會成長及國度計謀需求。提出我國將來20年重力學成長標的目的的主要範疇包含：
海陸天空一體化的平面重力不雅測技巧。衛星重力、地表重力和海空重力包養網丈量技巧是將來取得高精度重力數據的必須具備前提，是學科成長的必定趨向，而此中自立技巧的研發是要害。衝破東方的重力丈量技巧壟斷，優先支撐盡對重力儀、陸地及航空重力儀的自立研發，推進下一代重力衛星義務，即經由過程引進多組多星座重力衛星來晉陞以後單組雙星形式重力衛星的才能，結合我國的斗極體系為獲取全球高辨別率的時變重力場奠基堅實的基本；加快海洋慣性重力、超導重力和全張量重力梯度丈量等新丈量技巧的研發，進步重力不雅測精度，特殊是高精度重力梯度儀的自立研制，為資本勘察辦事，為加強我國的動力平安供給主要保證和支持。在海空重力丈量方面，一方面要聯合人工智能和我國的進步前輩無人機技巧，鼎力成長高主動化、小型化的無人機載重力儀和重力梯度儀，成長我國的航空重力丈量技巧；另一方面，成長高精度的船載陸地重力儀、海底方艙式、游曳式重力儀、重力梯度儀。鼎力成長量子重力儀，也包含鼎力成長原子鐘與光鐘技巧，以狹義絕對論年夜地丈量為基本完成亞厘米級年夜地水準面與全球高程基準的同一。
海陸天空同一的年夜地丈量重力基準網。推動重力學與年夜地丈量學、陸地學、地動學、地磁學等的穿插與融會，施展學科穿插的上風，構建綜合平面多物理場不雅測基準不雅測收集，樹立我國陸海同一的年夜地丈量重力基準。加速推動衛星、航空、海面、海洋和海底重力的平面探測布局和系統扶植，捉住下一代衛星重力義務的機會，依托國際一起配合與自立發射衛星，獲取高精度高辨別率全球和區域靜態和時變重力場，知足地球迷信和全球變更範疇的利用需求，加速推動全球年夜地水準面斷定、海洋和陸地重力基準及高程基準系統扶植，在綜合定位、導航、授時系統框架下，經由過程聲學、量子等手腕更快更好地樹立海底基準網，從而構建全球1′×1′辨別率厘米級精度陸地年夜地水準面，并在陸海接壤區域經由過程航空、空中、船載數據融會完成年夜地水準面精化，完成我國際海與海洋無縫連接和籠罩極地、年夜洋和全球區域。
地球體系東西的品質遷徙與青躲高原動力學題目研討。推動地球體系的物資分布與輪迴、地球圈層耦合活動、結構運動、極地冰川、地動災難、海洋水儲量、海立體上升、資本勘察和周遭的狀況監測等前沿迷信題目的利用研討。成長海底重力場變更的變形實際與建模和電子訊號分別的方式。成長海陸天空重力數據及其他地球物理數據融會的處置技巧與方式，推動物理年夜地丈量邊值題目周密化實際。推動超高階地球重力場、時變重力場建模的實際與方式研討。青躲高原作為地球的第三極，其活潑的地質結構使得該地域成為地球迷信研討的熱門區域，是以對此區域展開深刻的重力學研討可以很好的加強我國在相干迷信研討中的影響力。布設青躲高原地域重力不雅測網，停止重力連續不雅測與復測，獲得對青躲高原動力學深刻的迷信認知與實際衝破。
面向國防平安的重力學。重點布局基于重力技巧的軍事航天、地表測繪與空間基準、水下無源導航與陸地周遭的狀況保證、陸地重力基準、海底靜態和遠洋底靜態丈量、陸地重力場變更的探測、建模和分別的實際與方式。成長面向軍事需求的重力學利用，重點成長矢量重力丈量技巧、全張量重力梯度丈量和探測技巧（包含垂線誤差）、慣性重力一體化丈量技巧、彈道導彈的重力保證技巧、長航時潛艇水下重力幫助導航等技巧，爭奪在重力場國防利用方面到達國際進步前輩程度。
面向月球和火星的重力學。重點布局地月體系引潮力場演化及其地質與地球物理效應，依托我國月球和火星探測義務，施展重力學在月球及火星的圈層耦合、東西的品質遷徙、外部構造研討中的感化。成長月球和火星重力衛星探測技巧與實行計劃，為資本動力勘察辦事。成長在分歧力源耦一起配合用下的行星變形實際，樹立實用于月球和火星的形變矯正模子，辦事國度深空探測的計謀需求。跟著我國載人登包養網月和月球迷信站扶植打算的有序推動，展開月表原位多物理場探測是對月球停止勘察、開闢，推進迷信研討的需要道路。重力丈量將在月球重力場、固體潮、垂直基準扶植，以及資本開闢等方面施展主要感化，而相干裝備在國際還是空缺，是以月球重力儀研發也顯得很是急切。
成長人工智能等新技巧在重力學研討中的利用。人工智能作為一個新興的數據處置手腕獲得了越來越普遍的利用。跟著技巧的進步，將來將會發生海量的重力丈量數據及幫助不雅測材料。是以，施展人工智能在年夜數據處置上的上風能有用晉陞重力數據的利用及相干研討的展開。是以，鼎力成長與人工智能在重力學中的利用相干的實際方式尤為主要。
（作者：孫戰爭，中國迷信院緊密丈量迷信與技巧立異研討院 中國迷信院年夜學地球與行星迷信學院。《中國迷信院院刊》供稿）
