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  • 人类对星球的探索,从第一颗人造卫星的升空开始

    我们的母亲地球----从人造卫星的升空开始,我们对地球的认识越来越深刻

    1957年10月4日,苏联发射了世界上第一颗人造卫星进入环绕地球轨道,它的名字叫做斯普特尼克一号,也叫卫星一号,人类正式进入太空时代。探索太空已经不再是科幻故事中的场景。而实际上,卫星一号是一个很小的卫星,直径仅有58厘米,重量则为83千克;它绕地球一周需要97分17秒,在其近日点时距离地球228千米,远日点为947千米。尽管貌不惊人,但是它作为第一颗进入太空的人造卫星,象征着人类的历史踏入了新纪元。

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    “orbit(轨道)”这个单词从那以后有了特定的意义。轨道可以描述卫星或其他天体的在受到引力或其他作用力下,围绕着地球或其他天体运行的路径或轨迹。尽管自然的力量在根本上决定了人造卫星轨道的形状及大小,但是人类的智慧与想象力将轨道的细节描绘得无比确切。

    地球的形状是决定人造卫星近地轨道的重要因素。到了19世纪50年代,人们才知道两极与地心的距离比赤道大约要近21千米。太空时代为我们带来了新精度、新观察。1958年,一项对卫星绕地轨道的分析表明,两极的直径比赤道的直径短42.77千米。两极较为扁平这一点得到了验证,但是原本的计算略有170米的夸大。同年,科学家发现预计进入500千米圆形轨道的美国卫星先锋一号偏离了原定轨道。

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    天文学家约翰·奥克菲解释了其中的差异,因为比之曾经的理论,实际上地球的顶端较为狭窄,而中部更为宽大。同时这些发现还证明了,比之北极,南极离地心近40米。这也让科学家们认为地球是预先成形的。

    英国皇家飞机研究院的德斯蒙德·金海对这一观点进行了精修。他和他的同时G.E.库克根据27个卫星轨迹对地球的形状进行了详尽研究。得出的结论是,南极比原来的数据低25.8米,北极则略高18.9米。换句话说,南极比北极离地心近44.7米。这一不对称导致人造地球卫星的轨道有了10千米的偏移,大约是造成这一差异的地心到两极距离差异的数百倍。这也表明,如果卫星轨道的精确度能达到200米,对地球的具体大小的计算精度能以米计算。

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    另一个关键的数值是地球的赤道长度。赤道的半径是6378.14千米,两极半径为6356.79千米,两者相差约21千米。这一差值也影响了卫星绕地轨道。当卫星从南半球向北半球西行时,其轨道平面在赤道处的引力作用下向西摆动。如果卫星从东到西的方向进入北半球,轨道平面就会向东摆动。这种扰动称为“交点退行”。“交点”是卫星穿过地球赤道平面的点。

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    除了交点的移动外,地面观察者发现轨道平面有另一个明显的旋转。这是由于地球每天绕地轴自转造成的。在低轨道卫星的时候完成一次完整的轨道(以一个半小时计算),地球会向东转动22.5º。观察者会发现轨道的平面向西移动22.5°。

    卫星为大地测量学(测量和绘制地球表面的科学)增加了新的维度。他们通过揭示地球引力的异常,帮助科学家勾勒出地球的真实形状。此外,卫星已成为确定位置、距离和方向的精确工具,这些工具在导航、地球物理勘探、土木工程和洲际导弹部署等领域都大有作为。

    尽管根据地球是梨形的,可以推测赤道是一个正圆,但是事实上赤道也是一个椭圆。

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    地球的形状随经度和纬度而变化。对大量卫星轨道的分析揭示了地球的新侧面。地球表面的基本参考形状的重力等势,称为“大地水准面”,几乎与海洋的平均海平面一致(忽略潮汐、风等的影响),山脉和山谷叠加在上面。如果详细了解地心引力,就能知道海平面的形状。引力的大小可以由卫星运行轨道的微小变化来推断。

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    地球是梨形的,它的大地水准面图显示了地球的新特征。一项基于80万次观测结果的研究显示,印度南部有一个110米深的洼地,新几内亚附近有一个81米高的驼峰。美国宇航局于1978年发射的“海洋卫星”通过监测海平面高度的偏差,收集了大量关于地球形状的数据。这是由雷达测高仪完成的,它通过记录发送到地面的短雷达脉冲的往返时间来测量地面与它的距离。

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    利用激光束可以提高大地测量的精度。这点已经得到了广泛的研究。1992年,两颗意大利人造卫星“Lageos一号”和“Lageos二号”进入环绕地球轨道,轨道高度590千米,但运行方向不同。它们各有426个等距的立方体角反射器,看起来像一个高尔夫球。激光由地面站发射,卫星接收。来自30个国家的研究人员对往返延误进行了比较。地质学家能够依靠这些数据监测地球地壳板块的运动,测量地轴的摆动,更好地了解海洋潮汐。

    阿波罗11号登月任务极大地揭示了对运行轨道进行精确重力测量的重要。人们现在知道,尼尔·阿姆斯特朗在离原定目标6公里的地方着陆,因为当时月球表面的重力还不明确。

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    2004年4月,美国国家航空航天局和斯坦福大学联合发射了“重力探测器-B”,进入了640千米的绕地轨道。引力定义为大质量物体对时空的扭曲变形。

    这颗卫星对像行星这样的大型天体扭曲空间和时间结构的方式进行了有史以来最精确的测量,正如爱因斯坦所预测的空间曲折一样。测量方法是以四个完美的球形石英陀螺仪,在卫星上保持接近绝对零度的温度,并对准恒星IM Pegasi/ HR 8703,观察陀螺仪微小的方向变化。

    陀螺仪的精度可以达到0.041弧秒。重力的变化为海洋运动及其对气候的影响提供了不同寻常的见解。

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    地壳内部质量分布的不均匀是引力差异的成因。地球的重心随着地球表面质量的重新分布而不断变化,这是由于海洋内部质量的移动以及土壤水分、雪和地下水的移动造成的。欧洲遥感卫星ERS-1和托帕克斯卫星(也叫波塞冬卫星)收集的高度计数据显示海洋重力场异常。托帕克斯卫星上安装了DORIS(测轨定位系统),它可以测量卫星在参考椭球(地球表面的近似值)上方的位置和高度,精度可达10cm。

    2004年的地震(过去100年来第四大地震)稍微改变了地球的形状。它使北极移动了几厘米,估计为2.5厘米。它使扁率(即地球的顶部扁平赤道凸起之比率)减少了一百亿分之一。科学家们说,地球将持续变扁,地震只是一个延续。而这次地震使一天的时间缩短了2.68微秒。

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    科学家们还发现,地球的核心旋转速度比其表面每年快约0.3º到0.5º。地球固体内核的直径为2400千米,而流体外核的直径为7000千米。1936年,人们才发现了地核,而知道25年前,人们才证明地核是固体而不是液体。

    参考资料

    1.WJ百科全书

    2.天文学名词

    3. spaceyug- Maurice-Space Yug

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