[科普中国]-引力位

引力场

牛顿在经典力学体系中使用万有引力定律描述物体之间的引力作用，而这种相互作用的特殊性在于仅与物体的质量和物体间距离相关。在万有引力定律中，引力被描述为空间中任意两个具有质量的物体之间的点对点相互作用。而实际上，引力并不是两个物体间实质性的吸引相互作用力，而是一个物体所具有的物理性质对另一个物体的运动产生的影响，这个物理性质同时也是一个物理量，能够用定量的理论来进行刻画和描述，这就是引力场理论。

在场论提出前，物理学家把粒子的相互作用看成是某种东西越过粒子之间的距离而直接作用于粒子——即所谓的超距作用。场论最先是由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在19世纪提出来描述电磁现象的，与之前不同的就是，场论认为作用都是局部现象，每个粒子在其自身所在地点与场发生相互作用。20世纪初阿尔伯特·爱因斯坦发展了他的引力场论，即广义相对论。爱因斯坦认为空间是物质所具有的一种属性，而在具有质量的物质附近，空间是弯曲的，而黎曼几何被成功的应用于广义相对论中，用来将弯曲的空间几何化，并能够将对引力场的理论描述精确定量化。广义相对论的理论体系建立之后，科学家通过对天文现象的观测验证了其有效性和准确性。

引力位简介引力位是指在引力场中，单位质量质点所具有的能量称为此点的引力位，它的数值等于单位质量的质点从无穷远处移到此点时引力所做的功。它是一阶导数为引力的标量函数。

如果确切地知道地球形状、密度和内部质量运动情况，也许我们就可以简单地用牛顿定律来解决地球重力场的所有问题，然而，我们还不可能详细地知道地球质量分布和运动的细节，所以，地球重力场模型就是描述地球重力场最有效的手段。所谓地球重力场模型，实际上就是地球引力位的系数模型，它是将复杂的地球重力场用球谐函数的形式解析表达，可以十分方便快速地表示和计算大地水准面、重力异常、垂线偏差、扰动重力和高程异常等任意扰动场元。

表达式在地固坐标系ITRF中，地球引力位的球谐函数表达式为：

式中：地球赤道平均半径；

r为地心至空间点距离，为空间点地心纬度和经度；

伴随（缔合）勒让德多项式；

为地球引力位的位系数。1

地球自转的影响地球自转是地球的一种重要运动形式，由于受到外部天体（主要是月球和太阳）的影响，同时由于地球本身（包括大气、海洋和固体地球）各种复杂的物态和运动形式的影响，地球自转呈现出极其复杂的规律。对地球自转规律的研究一直是天文学和地球科学相互交叉渗透的边缘课题，关于地球自转仍有很多悬而未决的问题，吸引着众多学者关注。

潮汐是在地球参考系（TRF）中，即在地球表面上测定的，它不仅受到日月和其它行星的引力作用，而且还涉及到一个重要的惯性力的贡献，也就是地球外壳并不构成一个惯性系。除了由于地球表面的潮汐位移引起的相对加速度外，还存在由于参考系的旋转引起的Cori-olis力和离心力。近代地球潮汐理论认为地球是均匀旋转的，而由于极移和日长变化引起的附加效应一般被忽略了。

由于地球是一个弹性体，它在自转离心力的作用下会产生形变，伴随形变产生的地球体积和密度分布的改变将引起一个形变附加位。这个形变附加位不仅导致弹性地球固体表面发生形变，还会引起地球外部引力场和重力场的变化。根据理论力学中的惯性系和转动参考系的基本概念，可以导出由于地球自转惯性离心力引起的一系列天文地球动力学效应。

详细讨论了地球自转的天文地球动力学效应、地极移动和日长变化导致地球引力位系数产生时变特性并引起重力的摄动。根据理论力学的基本概念，导出了由于地球自转变化引起的地球引力位系数变化、重力摄动、垂线偏差和地球形变的表达式，并定量地研究了极移和日长变化对测站重力观测值和地球形变的影响。建议在高精度的空间大地测量中要顾及到地球自转变化引起的一系列效应。2