第五章 地球的形状及重力场.ppt

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1、第五章地球的形状及重力场地球形状和重力场的研究是地球物理学中的两个经典问题。地球形状和重力场研究地球物质的空间分布、运动和变化，确定地球重力场的精细结构及其时间相依变化,并将重力数据用于大地测量、地球内部构造、地球动力学、资源勘探、工程建设、灾害预防等方面的基础性科学和应用基础性科学。第五章地球的形状及重力场地球深部结构及海洋洋流变化固体地球均衡响应及冰后回弹地幔和岩石圈密度变化地球物理勘探地球重力场与国防、军事大地测量学重力测量学重力测量仪重力学固体潮与地壳形变地球重力学重力勘探卫星重力学行星重力学微重力测量学引力波地球动力学重力（位场）数据计算与分

2、析处理计算地球物理学18世纪中叶以前，人们单纯采用几何大地测量方法测定地球形状。1743年法国的克莱罗在其著作《地球形状理论》中，假设地球内部处于静力平衡状态，地球的质量密度分布是从地球质心向外随距离的增加而减小的。在这种假定下，他认为地球的外表面应是一个水准椭球，即椭球表面上各点的重力位相等，从而论证了重力值（物理量）和地球扁率（几何量）之间的数学关系，这一论证称为克莱罗定理。这一定理奠定了用物理方法研究地球形状的理论基础。第五章地球的形状及重力场19世纪初，法国的拉普拉斯和德国的高斯、贝塞尔等都认识到椭球面不足以代表地球表面。1849年，英国的斯托

3、克斯（Stokes）提出了斯托克斯理论，即在地球的外重力位水准面上给定重力和重力位，已知地球离心力位，可以求出这个外重力位水准面的形状和外部重力位，无须对地球内部物质分布作任何假设。但为了求得唯一解，水准面外部不能有质量存在。斯托克斯理论是克莱罗定理的进一步发展。第五章地球的形状及重力场1873年，利斯廷(Listing)提出用大地水准面代表地球形状，由此可将斯托克斯理论用于研究大地水准面形状。但由于大地水准面外部存在大陆，所以必须通过重力观测值的归算移去这些物质，这将使大地水准面发生形变，并且必须知道归算范围内岩层密度分布的数据。所以归算问题一直成为

4、经典的斯托克斯理论的障碍。尽管如此，斯托克斯理论还是推动了大地水准面形状的研究工作。第五章地球的形状及重力场1945年，苏联的莫洛坚斯基（Molodensky）提出了用地面重力观测来确定地球形状的理论，从而回避了长期无法解决的重力归算问题。但是仍然存在资料（重力数据）不足的矛盾。在平原或丘陵地区应用经典方法，虽然归算在理论上不严密，但不足以影响大地水准面的计算精度。困难在于莫洛坚斯基理论虽然严密，但在高山地区所需要的数据众多，当时条件下很难满足。第五章地球的形状及重力场1957年第一颗人造地球卫星发射成功，开创了卫星重力探测时代根据卫星轨道摄动理论，观

5、测卫星轨道摄动确定低阶位系数利用卫星海洋雷达测高确定高精度高分辨率海洋重力场模型和大地水准面模型GPS技术结合水准测量直接测定大陆大地水准面本世纪初利用卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量技术可以确定全球更高精度和分辨率的静态重力场模型和时变重力场模型第五章地球的形状及重力场卫星重力探测技术的发展，突破了人们过去获取重力场信息的局限性，使得物理大地测量的研究从局部或区域性扩展到全球，从测定静态地球重力场发展到测定时变重力场。第五章地球的形状及重力场在基础理论方面，重力学的研究内容包括地球重力场的空间分布特征与规律，重力场变化所反映的物质质量分布、密度分布的状

6、态、性质、特征与规律，以及重力场因天体运动和地球内部物质运动引起的周期性变化规律与非周期变化的性质、机理。在应用方面，重力学的研究内容主要为重力测量技术和观测数据解译技术以及相关的理论，即“重力勘探”。第五章地球的形状及重力场人类对于重力现象的认识过程经历了三次大飞跃:古希腊的伟大学者亚里士多德(公元前384～公元前322年)曾提出：运动物体的下落时间与其重量成比例。直到16世纪才被伽利略(1564～1642年)所否定。他从大量的实验中总结出：物体坠落的路径与它经历的时间的平方成正比，而与物体自身的重量无关。这是人类第一次对重力现象有了科学的认识。第五

7、章地球的形状及重力场荷兰物理学家惠更斯提出了数学摆和物理摆的理论，并研制出第一架摆钟。此后的200多年间，测定重力的唯一工具就是摆钟。1672年，里舍(1630-1690年)在利用摆钟从巴黎到南美洲赤道附近卡宴（Cayenne）进行天文观测时发现重力加速度在各地并非恒值，这一消息被牛顿和惠更斯得知后，两人不谋而合地指出：这种现象与他们认为地球是旋转的扁球体的推论相符。从而在理论上阐明了地球重力场变化的基本规律。第五章地球的形状及重力场牛顿(1642～1727年)提出的万有引力定律。万有引力定律是解释重力场的最基础理论，是人类认识重力的最重要的里程碑。第

8、五章地球的形状及重力场开普勒发表行星运动三大定律后，很多科学家都在研究行星为什么要沿开普勒轨道