自達爾文時代以來科學家們一直在推測岩質地殼可能出現擴大或者收縮的情況,直到發現了地球板塊運動的構造理論,解釋了地球大範圍岩石圈的運動。即使在接受板塊構造運動的半個世紀前,一些地球科學的研究人員還是以各種理論來再推測地殼可能出現擴大或者收縮。目前,美國宇航局使用的研究小組使用了空間測量工具以及一個新的數據處理技術,並沒有發現地殼(最外層的部分)出現統計學意義上的明顯擴大,年變化值在 0.1 毫米。這一份研究成果已經發表在『地球物理研究』快報上。

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地球物理過程影響著全球氣候變化和地質活動

然而,我們為什麼要如此關注地球的『身材』呢?這是因為,地球的版塊構造的活動使得最外層的結構出現不斷地變化,比如:地震、火上活動產生的力量擠壓著相鄰的版塊,使得某些山脈增高、島嶼移動等,而山脈海拔高度的上升的同時也伴隨著侵蝕和滑坡,這些相反的作用過程無時無刻地在地球上演。此外,大規模的氣候異常事件,例如,厄爾尼諾和拉尼娜現象則會重新分配地球海洋水圈循環、大氣圈水汽結構以及內陸地區的水資源,而厄爾尼諾(聖嬰現象)現象則是典型的太平洋赤道帶海洋大氣循環失去平衡的異常氣候現象。

其次,科學家也需要在研究地殼運動是製定一個參照標準,用於評估其變化。外層地殼結構出現任何情況的重大變化,都將改變我們對這個星球地質物理過程的重新認識,這方面的研究分支學科我們將其稱為大地測量學,旨在測量地球形狀以及重力場的變化,以及他們如何隨著時間的變化而變化。

為了測量這些參數,來自全球各個國家的科學家們建立了一套國際陸地參考框架,這個框架的建立是以地面導航和衛星遙感測量為主,同時其也可以用來檢測全球氣候變化的許多方面,包括海平面的上升以及上升的原因、地球兩極地區冰層質量的不平衡,特別是在最後一次大冰期期間地球表面巨大的冰原覆蓋逐漸退去,這種持續的反彈過程也是科學家所關注的。

但是,測量地球的大小是否出現變化是個較為不容易的研究,根據參與研究的科學家介紹:我們總不能拿著一個巨大的捲尺將地球摟成一圈。幸運的是,我們可以藉助高精度的空間大地測量技術,這為科學家提供了最好的測量工具,可以用來估計地球半徑的變化。


這些措施包括:

1、衛星激光測距

通過一個全球性的觀測網路,使用光脈衝計算衛星于地面基站之間的距離,精度可以達到毫米級。 

2、甚長基線乾涉測量技術

這是一項基於射電天文學,利用電磁波干涉原理,使用多個相距遙遠的射電望遠鏡來模擬一個超級射電望遠鏡的技術。 

3、全球定位系統

使用軌道上的導航衛星為全球各地的地理坐標提供確切的位置信息和時間信息。 

4、衛星多普勒軌道學和射電綜合測量技術

使用法國的衛星系統用於確定衛星的軌道和精確位置信息。通過地面測量點向衛星發射無線電信號,再由衛星接收。由於衛星的運動,會導致信號的頻移,這樣就可以用於確定地面信號源位置以及其他信息,而衛星的軌道高度也是要被精確測量。


而對於國際陸地參考框架標準,科學家動用了包括以上幾點在內的幾乎所有先進的技術。這個參照標準的中心測試精確測量地球質量中心的位置信息。這類所謂的地球質量中心不僅包括地殼結構,也包括海洋、冰川以及最外層的大氣結構。科學家目前可以確認,地球質量中心的位置是非常精確的,並且結合了過去 25 年左右的軌道衛星積累的信息,可以認為是目前最精確的大地測量技術。

但是,衛星激光測距和空間大地測量的數據可能受到其他地球主要物理過程的影響,並且還限制了在某些地方設置測量點。比如,如果我們將所有的測量點都設置在挪威,由於這裡是高緯度地區,受到北極冰層的影響而上升,所以得出的數據就顯示地球正在變胖。那科學家如何才能確定參照系的準確性呢?

位於加利福尼亞州帕薩迪納的美國宇航局噴氣推進實驗室科學家吳小萍(Xiaoping Wu,音譯),以及法國國家地理研究所和荷蘭代爾夫特技術大學的研究人員獨立評估了國際大陸參考框架的準確性,並闡明了在地球膨脹 / 收縮理論上的新亮點。該研究小組採用了新的數據處理技術,評估了隨著時間的變化,地殼半徑的平均變化率,其中也考慮到了地球物理過程所帶來的影響。而前文中提到的衛星激光測距,甚長基線乾涉測量法和 GPS(全球定位系統)技術則是用來獲取地表運動的各種信息。

最後,這些信息匯總了來自美國宇航局的重力恢復和氣候實驗探測器的地球重力場數據,以及海洋底部的壓力模型,幫助科學家詮釋全球海洋重力變化。研究結果顯示:在統計學意義上,地球半徑年平均變化為 0.004 英寸(0.1 毫米),大約為人類頭髮的厚度。雖然在測量過程中出現了不確定的因素,比如:某些地球物理過程的影響,但是這項研究也為地殼是否膨脹提供了一個獨立的參考數據。

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