中國網/中國發展門戶網訊 重力學是地球物理學重、磁、電、震、熱等5個重要學科分支之一，也是物理大地測量學的核心內容，它是研究地球重力場的時空變化特征及其力學機制的一門重要學科。重力學始于伽利略和牛頓時代，隨著現代科學和觀測技術的快速發展，重力學近年來又被賦予了全新的內涵，顯現出巨大生命力，與眾多學科如地震學、地質學、基礎物理學、地球動力學、水文學、海洋學和天文學等形成了緊密的聯系，因而，重力學既是一門蓬勃發展的古老學科，又是一門具有強勁生命力的新興交叉學科。
研究地球重力場及其時變特征需要在全球開展廣泛的重力測量。然而，在空間觀測技術發展之前，全球覆蓋的高空間分辨率的重力數據是十分缺乏的。在過去的幾百年間，重力測量幾乎是重力學的全部內容，因此重力學又被稱為重力測量學。隨著近現代科技水平的提升，作為獲取重力數據的手段，重力測量已經成為重力學中的一個基礎部分，重力學與眾多學科產生的交叉融合，使得重力測量學這個稱謂已不能涵蓋重力學的全部內容。
現代重力學是可以應用于研究地球整體形狀、地球系統質量分布與遷移、不同尺度的形變運動等與密度結構相關的重要科學問題，在確定大地水準面、建立國家測繪基準及其動態變化、資源能源勘探、軍事工程探測、水下航行器導航、中遠程導彈的精確制導和空間飛行器等軌道的精準定位、全球水循環、氣候變化及地質災害監測等領域，發揮著其他學科不可替代的重要作用。
重力學的發展、現狀與趨勢
重力學的發展是從地表重力測量開始的，最早期的設備是利用金屬擺來實施重力測量，擺的使用歷經了200多年的時間，在此期間取得了許多重大的發現，也推動了相關理論的發展。拉格朗日、拉普拉斯、勒讓德、泊松、高斯、格林等眾多科學家為重力學理論的發展貢獻了巨大的力量，特別是斯托克斯首先提出了利用重力觀測確定大地水準面，莫洛金斯基進一步提出采用地面重力測量確定地球表面形狀及外部重力場，這些研究奠定了現代高精度重力場模型的理論基礎。
隨著材料科學和技術的進一步發展，基于石英和金屬彈簧，以及超導重力技術的相對重力儀及基于自由落體和精密光電技術的絕對重力儀相繼發明，重力測量儀器的小型化、便攜性為全球范圍重力測量網絡的構建創造了條件，也被廣泛應用于大地測量學、地球物理學和地球動力學之中，其與海空移動平臺的結合極大拓展了重力測量的應用范圍。高精度絕對重力儀和超導重力儀的研制成功進一步為地球科學問題，特別是地球表面形變、地球自轉和（深內部）時租空間動力學現象的觀測與研究提供了重要的技術手段。當前歐美國家在重力測量儀器研制領域占據主導地位，例如，美國Micro-gLaCoste公司的彈簧重力儀（gPhone）、絕對重力儀（A10，FG-5X）、海空重力儀（SEA-Ⅲ），以及美國GWR公司的超導重力儀（OSG，iGrav）均是目前精度最高及應用最為廣泛的重力觀測設備。
近半個世紀以來，空間觀測技術的革新為重力學的發展作出了不可磨滅的貢獻。歐美國家率先實施了CHAMP、GRACE/GRACE-FO、GOCE、Topex/Poseidon、Jason和SWOT等系列衛星重力和衛星測高計劃。空間重力測量以其高覆蓋率、高精度、高重復性使目前地球重力場的精度得到了非常大的提高，其觀測效率也大為增加。重要的是，這些高精度的重力場及其時間變化已被廣泛應用于地球物理學、地球動力學、水文學、氣候學等相關研究之中，為多學科的交叉融合貢獻了巨大的力量。此外，重力學的未來發展具有從區域重力走向聚焦全球重力發展態勢，從地表重力走向聚焦海洋與空間重力發展態勢，從聚焦地球走向其他星體的發展態勢。
總的來說，重力學具有特定的理論體系，測量方法與技術，具備廣泛的應用前景。圖1給出了重力學學科體系梳理的示意圖，以及重力測量技術、重力學研究的目標對象和研究方法等。重力學是以高精尖的觀測技術為依托，以觀測精度高、覆蓋區域廣、時間和空間分辨率高為特點，注重與其他學科深度的交叉融合，是一門具有廣闊發展前景、具有其他學科不可替代的重要應用基礎學科。
重力儀器的量子化、智能化、集成化和實用化是未來發展的重要趨勢。近年來，物聯網和人工智能迅猛發展，基于量子理論的新型重力個人空間儀的大力研發突破了傳統牛頓力學理論框架。例如，法國MuQuans公司已率先推出商用冷原子重力儀，我國多個研究機構與高校也相繼開展了冷原子重力儀的研制，取得了重要進展。新興技術不斷涌現將對未來重力學的發展產生革命性影響。
我國重力學的發展、機遇與挑戰
歷史上，我國十分重視重力測量工作，我國最早的現代重力學研究始于20世紀50年代中期與蘇聯科學院地球物理所合作建立的全國重力基本點（聯測中誤差0.15 mGal）和一等點（聯測中誤差0.25 mGal），隨后我國測繪部門建立了全國二等重力觀測網（聯測精度0.15 mGal），后來又進行了加密測量。20世紀50年代末建設了全國范圍的天文重力水準網，如此大面積的觀測網在世界上也是比較先進的，后續又完成了全國1°×1°和5°×5°的平均重力異常圖。
原國家測繪地理信息局先后組織建設了1957國家重力控制網、1985國家重力基本網和2000國家重力基本網等，并制定了《國家一等重講座力測量規范》（ZBA76001—87）、《國家重力測量控制規范》（GB/T 20256—2006）和《加密重力測量規范》（GB/T 17944—2000）等規章制度，明確了重力測量的目的、基本要求、標準化需求、測量內容、方法、技術指標與技術要求。值得一提的是，重力測量在測定珠峰高程的過程中也發揮了重要作用。早期的重力測量主要采用國外儀器。國產儀器方面，國家地質總局地質儀器廠和原石油工業部石油儀器廠生產了ZS591、ZS2-67和ZSM-3型石英彈簧重力儀和金屬彈簧重力儀，其中ZSM-3型儀器的精度達到了50 μgal；中國科學院測量與地球物理研究所相繼成功研制了HSZ-2型海洋石英重力儀和ZYZY自動化遠洋重力儀，精度達到3.1 mGal。雖然我國在儀器研制方面與西方發達國家仍存在差距，但上述國產儀器的研制生產奠定了我國目前重力儀自主研發的基礎。
根據蘇聯學者莫洛金斯基的理論，在方俊的領導下，許厚澤、寧津生，李瑞浩等開展了相關研究工作，制定了相應的垂線偏差和重力測量九宮格計劃，提出了改進的實施小樹屋方案以降低成本并提高效率。方俊提出了著名的“方俊模板”以代替傳統的莫洛金斯基雙極模板。在此期間，我國學者在重力學理論方法方面也取得了豐碩成果，例如，許厚澤和朱灼文導出了垂線偏差的最佳逼近公式，建立了統一的垂線偏差和高程異常逼近理論，利用單層位解決了地球扁率的影響；方俊對扁率級斯托克斯問題提供了新的解法。
在重力學理論發展的基礎上，管澤霖和寧津生給出了顧及地球扁率平方級的斯托克斯問題的解；寧津生等提出了基于B樣條函數的重力場逼近方法，發展了整體大地測量的理論，建立了新的模型并編制了相應軟件應用于新建立的高精度大地測量實驗網。
我國第一個地球重力場模型于1971年由中國科學院測量與地球物理研究所構建，該模型展開到16階，包含229個位系數。1977年西安測繪研究所先后建立了2個地球重力場模型，分別展開到22和20階，后來該所又陸續建立了新的模型。1989年原武漢測繪學院寧津生等綜合地面和空間重力測量數據，建立了我國首個高階重力場模型，展開到180階，該模型在表示我國局部重力場方面與國內外其他模型相比均具有明顯優勢。中國科學院測量與地球物理研究所在1993年構建了360階的地球重力場模型，該模型在我國青藏高原地區具有較高的精度，因此在相關地區的地質構造和地球動力學研究方面發揮了重大的作用。隨后在1994年，武漢測繪科技大學和西安測繪研究所也分別建立了360階的地球重力場模型。李建成等建立了局部重力場模型，并開展了大地水準面精化的研究。進入2000年后，隨著系列重力衛星計劃的實施，國內外研究機構推出了許多高階靜態重力場模型，相比以前的模型，這些模型的精度和分辨率都有了顯著提高。我國在重力衛星領域的發展相對滯后，在相關核心關鍵技術和原始數據獲取等方面受到西方國家的封鎖和限制，但在衛星重力測量數據處理方法和地球重力場建模水平方面已達到國際先進水平。
我國開展的另一個重力學研究的內容是時變重力的研究，其代表是重力潮汐的研究。在方俊和許厚澤的帶領下，中國科學院測量與地球物理研究所率先在國內開展了重力固體潮的研究。與國際固體潮研究中心（ICET）開展合作，在我國東西和南北2條剖面上開展了重力潮汐觀測與研究，在此基礎上發展并改進了諸多觀測數據處理的方法與技術。值得一提的是，郗欽文發展了引潮位展開理論，建立了高精度的引潮位展開表，該表目前是國際上被廣泛使用的潮波表之一；李國營用小參數擾動法建立了一套固體潮理論模擬方法，并改正了Wahr模型中的潮汐依賴參數。在這一時期，以拉科斯特ET型重力儀為主要的觀測手段。隨著超導重力儀的引進，在許厚澤和孫和平的領導下，我國重力固體潮的研究進入了一個快速發展的階段。超導重力儀以其觀測精度高、穩定性好和漂移率低為特點，為重力固體潮研究提供了大量高質量的連續觀測資料，為發現地球動力學現象引起的微弱信號創造了條件，如地球內核平動振蕩信號的探測。這一時期我國學者也開展了大氣負荷、海潮負荷、陸地水負荷、地球自由核章動、地球自由振蕩、地震和地球簡正模信號檢測等與重力場相關的研究工作。首次利用重力技術探討了核幔邊界物性。此外，得益于衛星重力的長期連續觀測，全球性的重力場時變特征研究在我國也蓬勃地開展了起來，其中最主要的是對全球水分布的研究，包含大尺度的水系變化與冰川活動和中小尺度的高山冰川和湖泊水體變化，以及地球結構、構造活動和氣候事件、地質災害等相關研究。我國在時變重力場相關的地球內部形變動力學理論和正演數據模擬方面已達到國際先進水平。
2000年后，以FG-5型絕對重力儀及LCR、CG6等型號的相對重力儀為代表的高精度儀器為我國開展大范圍的重力網監測創造了條件，隨著我國先后建成地殼運動觀測網絡和中國大陸構造環境監測網絡，建立了高空間覆蓋率的重力觀測網絡。相比早期的重力監測網，新建立的觀測網絡精度有了顯著提高，這為監測我國重力場形態與變化特征，以及研究構造形變動力學問題發揮了巨大作用。國家“十二五”重大科技基礎設施項目——精密重力測量綜合研究設施平臺建設和基于第十屆國際絕對重力比對基礎上建立的全球重力基準原點（北京）也具有重要的戰略意義。
盡管我國重力學在理論模型和觀測網絡建設方面已有長足的發展，但是在高精尖的觀測技術領域仍然存在明顯的不足，尤為重要的是我國自主研制科學儀器的研發進度緩慢，工藝技術仍相對落后。西方國家的絕對和相對重力測量技術已經非常成熟，量子重力技術已經取得突破性進展，重力梯度技術已經成功應用于礦產油氣資源勘探和水下航行器輔助匹配導航，有效提高了其安全性和隱蔽性。我國重力觀測技術和儀器則明顯落后，最先進的技術均被西方國家壟斷，特別是對于一些高端儀器設備，西方國家對我國采取禁運措施，這對我國重力觀測技術提升和重力學學科發展形成了嚴峻的挑戰。因此與儀器設計和制造相關的理論和技術需進一步加強，相關的工作亟需進一步開展。可喜的是，近10多年來，國內多家相關機構均已經開展了高精度重力儀的研制，包括傳統的小型絕對重力儀、超導重力儀和海空重力儀，以及新型的微機電系統（MEMS）重力儀、量子重力儀和量子重力梯度儀。從目前的情況來看，盡管目前的研制水平距離成熟產品的商品化有不少差距，但已取得了重要的進展，一些儀器已經在行業應用中發揮了重要作用。此外，在空間衛星重力測量方面，“天琴一號”和“天繪-4”等國產衛星的成功發射，已經實現了對地球重力場的自主觀測。
“十三五”時期，我國提出向地球深部進軍，全面實施深地探測、深海探測、深空對地觀測戰略，這對重力學特別是重力學的應用領域提出了更高的要求，也為我國重力學的發展創造了良好的契機。如何使重力學的發展為我國在探測未知領域的進程中發揮更大的作用，是一個急需思考的戰略和戰術問題。重力學并不是一個獨立發展的學科，因此，首先需要解決的是，在現有的理論和技術的基礎上，如何與其他相關學科和先進技術進行有效融合彌補現有技術的不足，如何發展新的理論指導技術的進步，從而推動重力學更好地向前發展，服務于國家需求。
重力學未來發展方向
近年來，隨著國家大量人力物力投入的增加，我國地球重力場領域的研究與應用發展迅速，在綜合定位、導航、授時（PNT）系統，中國探月工程和航空航天等重大工程的實施中，地球重力場顯示出了更加至關重要的作用。重力學的未來發展具有從區域重力走向聚焦全球重力發展態勢，從地表重力走向聚焦海洋與空間重力發展態勢，在應用方面有從靜態重力場走向動態時變重力場的發展態勢。因此，重力學的戰略布局應強調技術發展和科學應用，需要針對相關重大基礎與應用科學問題，進一步集中優勢力量，深化重力學與其他學科的交叉融合，打造海陸天空一體化的重力場觀測與研究體系，服務社會發展及國家戰略需求。建議我國未來20年重力學發展方向的重要領域包括：
海陸天空一體化的立體重力觀測技術。衛星重力、地表重力和海空重力測量技術是未來獲得高精度重力數據的必備條件，是學科發展的必然趨勢，而其中自主技術的研發是關鍵。突破西方的重力測量技術壟斷，優先支持絕對重力儀、海洋及航空重力儀的自主研發，推動下一代重力衛星任務，即通過引入多組多星座重力衛星來提升當前單組雙星模式重力衛星的能力，聯合我國的北斗系統為獲取全球高分辨率的時變重力場奠定堅實的基礎；加速陸地慣性重力、超導重力和全張量重力梯度測量等新測量技術的研發，提高重力觀測精度，特別是高精度重力梯度儀的自主研制，為資源勘探服務，為增強我國的能源安全提供重要保障和支撐。在海空重力測量方面，一方面要結合人工智能和我國的先進無人機技術，大力發展高自動化、小型化的無人機載重力儀和重力梯度聚會儀，發展我國的航空重力測量技術；另一方面，發展高精度的船載海洋重力儀、海底方艙式、游曳式重力儀、重力梯度儀。大力發展量子重力儀，也包括大力發展原子鐘與光鐘技術，以廣義相對論大地測量為基礎實現亞厘米級大地水準面與全球高程基準的統一。
海陸天空統一的大地測量重力基準網。推進重力學與大地測量學、海洋學、地震學、地磁學等的交叉與融合，發揮學科交叉的優勢，構建綜合立體多物理場觀測基準觀測網絡，建立我國陸海統一的大地測量重力基準。加快推進衛星、航空、海面、陸地和海底重力的立體探測布局和體系建設，抓住下一代衛星重力任務的機遇，依托國際合作與自主發射衛星，獲取高精度高分辨率全球和區域靜態和時變重力場，滿足地球科學和全球變化領域的應用需求，加快推進全球大地水準面確定、陸地和海洋重力基準及高程基準體系建設，在綜合定位、導航、授時體系框架下，通過聲學、量子等手段更快更好地建立海底基準網，從而構建全球1′×1′分辨率厘米級精度海洋大地水準面，并在陸海交界區域通過航空、地面、船載數據融合實現大地水準面精化，實現我國內海與陸地無縫銜接和覆蓋極地、大洋和全球區域。
地球系統質量遷移與青藏高原動力學問題研究。推進地球系統的物質分布與循環、地球圈層耦合運動、構造活動、極地冰川、地震災害、陸地水儲量、海平面上升、資源勘探和環境監測等前沿科學問題的應用研究。發展海底重力場變化的變形理論與建模和信號分離教學場地的方法。發展海陸天空重力數據及其他地球物理數據融合的處理技術與方法，推進物理大地測量邊值問題嚴密化理論。推進超高階地球重力場、時變重力場建模的理論與方法研究。青藏高原作為地球的第三極，其活躍的地質構造使得該地區成為地球科學研究的熱點區域，因此對此區域開展深入的重力學研究可以很好的增強我國在相關科學研究中的影響力。布設青藏高原地區重力觀測網，進行重力持續觀測與復測，取得對青藏高原動力學深入的科學認知與理論突破。
面向國防安全的重力學。重點布局基于重力技術的軍事航天、地表測繪與空間基準、水下無源導航與海洋環境保障、海洋重力基準、海底靜態和近海底動態測量、海洋重力場變化的探測、建模和分離的理論與方法。發展面向軍事需求的重力學應用，重點發展矢量重力測量技術、全張量重力梯度測量和探測技術（包括垂線偏差）、慣性重力一體化測量技術、彈道導彈的重力保障技術、長航時潛艇水下重力輔助導航等技術，爭取在重力場國防應用方面達到國際先進水平。
面向月球和火星的重力學。重點布局地月系統引潮力場演變及其地質與地球物理效應，依托我國月球和火星探測任務，發揮重力學在月球及火星的圈層耦合、質量遷移、內部結構研究中的作用。發展月球和火星重力衛星探測技術與實施方案，為資源能源勘探服務。發展在不同力源耦合作用下的行星變形理論，建立適用于月球和火星的形變改正模型，服務國家深空探測的戰略需求。隨著我國載人登月和月球科學站建設計劃的有序推進，開展月表原位多物理場探測是對月球進行勘探、開發，推動科學研究的必要途徑。重力測量將在月球重力場、固體潮、垂直基準建設，以及資源開發等方面發揮重要作用，而相關設備在國內仍是空白，因此月球重力儀研發也顯得非常迫切。
發展人工智能等新技術在重力學研究中的應用。人工智能作為一個新興的數據處理手段得到了越來越廣泛的應用。隨著技術的提高，未來將會產生海量的重力測量數據及輔助觀測資料。因此，發揮人工智能在大數據處理上的優勢能有效提升重力數據的應用及相關研究的開展。因此，大力發展與人工智能在重力學中的應用相關的理論方法尤為重要。
（作者：孫和平，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院 中國科學院大學地球與行星科學學院。《中國科學院院刊》供稿）