超級黑科技：雙胞胎衛星在地球上方繞一圈，就探清水資源分布！

作者：Yuen Yiu

發表於：2017年4月18日

來源：AIP InsideScience

美國宇航局（NASA）準備換掉名為GRACE的雙衛星。這對兒衛星在過去的15年里，監測了地球的乾旱、冰川消融和海平面上升現象。

GRACE衛星示意圖 (圖片來源：NASA)

美國宇航局和德國地球科學研究中心目前已經宣布了GRACE項目的後續計劃，命名為GRACE Follow-On項目。新的一對衛星已經由空中客車公司（Airbus）在位於德國的工廠建造完成，最早將在今年12月發射升空，繼續監測和研究地表水及地下水的運動。

水消水長的拉扯

GRACE的全稱是重力恢復及氣候實驗（Gravitational Recovery And Climate Experiment），由一對衛星組成，在地球表面上方超過300英里的軌道運行。兩顆衛星相隔超過100英里，通過監測彼此之間極細微的晃動來測量飛行路線下方的重力場，誤差不超過人的一根頭髮寬度的五十分之一。

作為兩顆衛星工作原理的說明，想像一下它們飛向喜馬拉雅山，在後面的衛星抵達之前，前面的衛星會首先感受到山體細微的拉力。當這對衛星飛過冰川、湖泊或地下水庫等水體時，也會出現相同的現象。GRACE衛星幾乎能像探測魔杖那樣檢測到水的存在，不過不是依靠超自然力量。兩顆衛星的細微運動是通過一個可以測量的物理力量——重力引導的。

這些細微的運動被用於計算衛星飛行路線下方不斷改變的質量。結合精確的GPS定位技術，GRACE衛星能每30天繪製一張全球重力場分布地圖。這些地圖能用於追蹤全球水和冰的運動。

他說：「你要往地下鑽探到水位深度，而且要測量每個井的變化。用這種方法來測量一個大範圍的潛水面會非常困難。」

除了地面測量技術的限制，還有法律方面的障礙使得科學家無法獲得私有土地上的數據。並且包括後勤方面的考慮，比如，要繪製出可以媲美GRACE那樣高解析度的圖像，需要在格陵蘭和南極洲建造足夠多的監測站點，但這在財政方面顯然是行不通的。

根據GRACE後續項目GRACE Follow-On的系統工程師Neil Dahya的說法，新的任務將作為GRACE的延續。但他對新的項目表示很樂觀，因為自2002年以來，科技的進步將在多個方面提升新衛星的性能。例如，測量兩個新衛星之間距離的精密激光系統將比GRACE衛星基於微波的舊系統精確20倍，使得新衛星測量重力變化更加靈敏。

運用到月球和其他星球

Tapley說：「因為月球沒有大氣層，所以GRAIL衛星可以飛得非常接近月球的表面。這樣一來，它們就能繪製出非常高解析度的月球重力場分布地圖。」

Tapley說：「既然這個項目在地球和月球都運作得那麼好，那為什麼不用在其它星球呢？」

GPS Block II-F衛星藝術家概念圖 (圖片來源: NASA)

GPS和時間的準確性

GRACE任務的成功有賴於許多現代的科技，其中一項就是GPS全球定位系統，而沒有精準的星載鍾，GPS系統也不會運行得像現在這麼好。

目前GPS衛星搭載的原子鐘的精度可以達到10萬億分之一。假如這些星載鍾從138億年前的宇宙大爆炸開始運行，到今天的誤差也只會是十幾分鐘而已。

美國前能源部部長、1997年諾貝爾物理學獎得主Steven Chu，上個月在新奧爾良舉辦的美國物理學會會議上提到星載鍾極端的精度時說：「你也許會說這太過追求極致了，但其實一點也不為過。因為測距是物理學中最精確的測量之一，而現在，距離測量是和光速相關的。」

光每秒傳播18.6萬英里。所以，10萬億分之一的誤差在一年的時間裡可以累積到幾米的偏差。目前正在進行的精準計時的研究，雖然正如Steven Chu所說的看似「過分」追求極致，但這卻是探索科學前沿轉化為實際應用的一個例證，這些實際應用能直接讓公眾受益。

文章來源：

美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄 張錚錚供稿

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