人類對星球的探索,從第一顆人造衛星的升空開始

2020-12-07 騰訊網

我們的母親地球----從人造衛星的升空開始，我們對地球的認識越來越深刻

1957年10月4日，蘇聯發射了世界上第一顆人造衛星進入環繞地球軌道，它的名字叫做斯普特尼克一號，也叫衛星一號，人類正式進入太空時代。探索太空已經不再是科幻故事中的場景。而實際上，衛星一號是一個很小的衛星，直徑僅有58釐米，重量則為83千克；它繞地球一周需要97分17秒，在其近日點時距離地球228千米，遠日點為947千米。儘管貌不驚人，但是它作為第一顆進入太空的人造衛星，象徵著人類的歷史踏入了新紀元。

「orbit（軌道）」這個單詞從那以後有了特定的意義。軌道可以描述衛星或其他天體的在受到引力或其他作用力下，圍繞著地球或其他天體運行的路徑或軌跡。儘管自然的力量在根本上決定了人造衛星軌道的形狀及大小，但是人類的智慧與想像力將軌道的細節描繪得無比確切。

地球的形狀是決定人造衛星近地軌道的重要因素。到了19世紀50年代，人們才知道兩極與地心的距離比赤道大約要近21千米。太空時代為我們帶來了新精度、新觀察。1958年，一項對衛星繞地軌道的分析表明，兩極的直徑比赤道的直徑短42.77千米。兩極較為扁平這一點得到了驗證，但是原本的計算略有170米的誇大。同年，科學家發現預計進入500千米圓形軌道的美國衛星先鋒一號偏離了原定軌道。

天文學家約翰·奧克菲解釋了其中的差異，因為比之曾經的理論，實際上地球的頂端較為狹窄，而中部更為寬大。同時這些發現還證明了，比之北極，南極離地心近40米。這也讓科學家們認為地球是預先成形的。

英國皇家飛機研究院的德斯蒙德·金海對這一觀點進行了精修。他和他的同時G.E.庫克根據27個衛星軌跡對地球的形狀進行了詳盡研究。得出的結論是，南極比原來的數據低25.8米，北極則略高18.9米。換句話說，南極比北極離地心近44.7米。這一不對稱導致人造地球衛星的軌道有了10千米的偏移，大約是造成這一差異的地心到兩極距離差異的數百倍。這也表明，如果衛星軌道的精確度能達到200米，對地球的具體大小的計算精度能以米計算。

另一個關鍵的數值是地球的赤道長度。赤道的半徑是6378.14千米，兩極半徑為6356.79千米，兩者相差約21千米。這一差值也影響了衛星繞地軌道。當衛星從南半球向北半球西行時，其軌道平面在赤道處的引力作用下向西擺動。如果衛星從東到西的方向進入北半球，軌道平面就會向東擺動。這種擾動稱為「交點退行」。「交點」是衛星穿過地球赤道平面的點。

除了交點的移動外，地面觀察者發現軌道平面有另一個明顯的旋轉。這是由於地球每天繞地軸自轉造成的。在低軌道衛星的時候完成一次完整的軌道(以一個半小時計算)，地球會向東轉動22.5 。觀察者會發現軌道的平面向西移動22.5°。

衛星為大地測量學(測量和繪製地球表面的科學)增加了新的維度。他們通過揭示地球引力的異常，幫助科學家勾勒出地球的真實形狀。此外，衛星已成為確定位置、距離和方向的精確工具，這些工具在導航、地球物理勘探、土木工程和洲際飛彈部署等領域都大有作為。

儘管根據地球是梨形的，可以推測赤道是一個正圓，但是事實上赤道也是一個橢圓。

地球的形狀隨經度和緯度而變化。對大量衛星軌道的分析揭示了地球的新側面。地球表面的基本參考形狀的重力等勢，稱為「大地水準面」，幾乎與海洋的平均海平面一致(忽略潮汐、風等的影響)，山脈和山谷疊加在上面。如果詳細了解地心引力，就能知道海平面的形狀。引力的大小可以由衛星運行軌道的微小變化來推斷。

地球是梨形的，它的大地水準面圖顯示了地球的新特徵。一項基於80萬次觀測結果的研究顯示，印度南部有一個110米深的窪地，紐幾內亞附近有一個81米高的駝峰。美國宇航局於1978年發射的「海洋衛星」通過監測海平面高度的偏差，收集了大量關於地球形狀的數據。這是由雷達測高儀完成的，它通過記錄發送到地面的短雷達脈衝的往返時間來測量地面與它的距離。

利用雷射束可以提高大地測量的精度。這點已經得到了廣泛的研究。1992年，兩顆義大利人造衛星「Lageos一號」和「Lageos二號」進入環繞地球軌道，軌道高度590千米，但運行方向不同。它們各有426個等距的立方體角反射器，看起來像一個高爾夫球。雷射由地面站發射，衛星接收。來自30個國家的研究人員對往返延誤進行了比較。地質學家能夠依靠這些數據監測地球地殼板塊的運動，測量地軸的擺動，更好地了解海洋潮汐。

阿波羅11號登月任務極大地揭示了對運行軌道進行精確重力測量的重要。人們現在知道，尼爾·阿姆斯特朗在離原定目標6公裡的地方著陸，因為當時月球表面的重力還不明確。

2004年4月，美國國家航空航天局和史丹福大學聯合發射了「重力探測器-B」，進入了640千米的繞地軌道。引力定義為大質量物體對時空的扭曲變形。

這顆衛星對像行星這樣的大型天體扭曲空間和時間結構的方式進行了有史以來最精確的測量，正如愛因斯坦所預測的空間曲折一樣。測量方法是以四個完美的球形石英陀螺儀，在衛星上保持接近絕對零度的溫度，並對準恆星IM Pegasi/ HR 8703，觀察陀螺儀微小的方向變化。

陀螺儀的精度可以達到0.041弧秒。重力的變化為海洋運動及其對氣候的影響提供了不同尋常的見解。

地殼內部質量分布的不均勻是引力差異的成因。地球的重心隨著地球表面質量的重新分布而不斷變化，這是由於海洋內部質量的移動以及土壤水分、雪和地下水的移動造成的。歐洲遙感衛星ERS-1和託帕克斯衛星（也叫波塞冬衛星）收集的高度計數據顯示海洋重力場異常。託帕克斯衛星上安裝了DORIS（測軌定位系統），它可以測量衛星在參考橢球(地球表面的近似值)上方的位置和高度，精度可達10cm。

2004年的地震(過去100年來第四大地震)稍微改變了地球的形狀。它使北極移動了幾釐米，估計為2.5釐米。它使扁率(即地球的頂部扁平赤道凸起之比率)減少了一百億分之一。科學家們說，地球將持續變扁，地震只是一個延續。而這次地震使一天的時間縮短了2.68微秒。

科學家們還發現,地球的核心旋轉速度比其表面每年快約0.3 到0.5 。地球固體內核的直徑為2400千米，而流體外核的直徑為7000千米。1936年，人們才發現了地核，而知道25年前，人們才證明地核是固體而不是液體。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. spaceyug- Maurice-Space Yug

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