一、重力的概念

從物理概念上來講，重力是萬有引力和離心力的合力。

通常情況下我們所說的重力，是指狹義的重力。狹義的重力是指在萬有引力為靜態地球總質量的引力且離心力僅為地球自轉的離心力的情況下的重力。狹義的重力還假定地球的總質量不變且地球上的物質不存在質量遷移（靜態地球），假定地球的自轉軸和自轉速度都不發生變化（一般取地球的平均自轉軸和平均自轉速度）。由定義可知，狹義的重力是不變的。

實際上我們觀測的重力是變化的，這種變化引起的原因按上面的重力定義來講應該有兩種，即萬有引力和離心力的變化，但實際上還應該包括觀測儀器方面的變化。首先說明萬有引力的變化。萬有引力的變化包括太陽、月亮和其他的地球附近星球的引力，因為地球和這些星球之間位置一刻不停的在變動，從而引起了萬有引力的變化，這種變化為引潮力的兩個主要組成部分之一。其次來說明離心力的變化，為了簡明起見，用月亮和地球組成的地月系來說明。當地球和月亮一起旋轉時，地球和月亮組成的地月系會有一個共同質心，地球和月亮都繞著這個共同質心做平動，因此地球上所有的質量都會有一個相對于這個共同質心的離心力，這就是引潮力兩個主要組成部分中的另一個主要部分。實際上這個共同質心是地球和月亮、太陽、金星等宇宙中所有天體的共同質心。萬有引力和離心力的變化之和為引潮力，就是這個力引起地球上各種潮汐現象，如海潮、大氣潮、固體潮等，地球上任意一點觀測到的重力中主要是引潮力引起的重力變化，我們稱之為重力固體潮。

離心力的變化還應當包括地球自轉的變化引起了離心力的變化，從而導致了重力的變化。地球自轉的變化通常分為自轉軸的變化和自轉速度的，自轉軸的變化我們用極移來表示，自轉速度的變化一般用日長的變化來表示。因此，通常情況下地球自轉變化引起的重力變化分成極移引起的重力變化（稱為重力極潮）和日長引起的重力變化兩部分來考慮，并且大多數情況下都采用理論潮汐因子計算其大小。

狹義的重力假定地球上的物質不存在質量遷移（靜態地球），實際上地球上的物質無時無刻不在變動，如地殼運動、降雨降雪、海洋潮流、大氣運動等等，引起了地球上物質的質量遷移。相對于地球上的一定點來講，質量的遷移引起的重力變化我們用負荷重力來表示。在計算負荷重力時，一方面要考慮質量的牛頓引力項（也稱為直接項），另一方面還要考慮質量遷移后地球的粘彈性形變產生的重力，稱之為附加項（也稱為間接項）。負荷重力在高精度重力測量中必須考慮。

最后來說明儀器的重力影響。安裝在地表上的儀器，要考慮儀器隨地球表面的粘彈性形變的重力影響。另外，儀器的觀測環境的影響，如溫度、濕度、降雨、植被、地下水、背景噪聲、磁場等等，這些影響也需要考慮。

因此，實測重力是地球引力和離心力、引潮力、負荷重力以及儀器的重力影響的總和，如何從實測重力中精確地分離出你所感興趣的信號，并對其進行研究和應用是從事重力場研究的地球物理學家的主要工作內容。

二、重力的用處、目前的應用方向

地球上所用有質量的物體都受到重力的影響，因此重力的用處是非常廣泛的，例如在超市里稱東西，稱的就是該物體的所受的重力的大小，稱之為重量。在此我們所要講的重力的用處，是指高精度的重力觀測研究在國民經濟、軍事、科學等方面的用處。重力測量的目的就是研究地球的重力場。重力場的研究有助于人們研究地球形狀、地球內部物質分布、地球內部構造等，因此重力研究主要有以下用處：

（1）太空探索

從地球上發射太空探測器，最為重要的就是探測器的所受的重力的大小，發射推進器的能量大小限定了探測器的質量范圍。另外，其他星球上也有與地球類似的重力場，如月球重力場。因此，重力場的研究為探索太空提供了至關重要的前提和依據。

（2）軍事

既然所有有質量的物體都受到重力影響，導彈也不例外，因為地球重力場在地球表面上的大小是變化的，因此導彈如何才能精確命中目標是必須要考慮重力的影響。另外，軍事衛星的發射和精確觀測都要用到重力場的知識。所以重力在軍事方面的重要性是顯而易見的。

（3）科學

在科學研究中，重力提供了除地震學之外認知地球內部的唯一的另外一種手段，對于精化地球模型和研究地球深內部物理有重要的研究意義。另外，在地震、火山等自然災害的檢測和預報方面，重力研究也提供了眾多的有實際應用價值的研究成果。還有，所有的觀測儀器，不管是地面上的，還是空間中的，都會受到重力的影響，觀測結果的重力影響改正是需要考慮的。

（4）國民經濟

與地質、地磁、地化學等其他手段，探測地球表層中的物質分布情況，為資源勘探提供有力的手段，促進國民經濟的發展。

總之，重力有眾多的應用范圍，目前的地球模型可以較為精確的確定重力潮汐的變化，加上人類對地球結構、密度等參數的確定越來越精確，使重力的研究向著高精度（微伽或更高的量級）方向逐步前進。

三、重力的測量歷史、目前的觀測儀器，精度

最早關于地球重力的測量要追溯到1590年意大利物理學家伽利略的比薩斜塔實驗，粗略的測得地球的重力加速度的大小為9.8 m/s2。到1672年，法國天文學家J. Richer發現赤道的重力要小于巴黎。后來，牛頓指出地球是赤道膨脹兩極略扁的扁球，經過實踐測量的證實，重力隨緯度而變才為人們所公認。1792年，法國的J. Borda和J. Cassini用線擺較為精確的測量了重力，是后來重力測量的主要方法。其后的重力測量中又出現了更為復雜的復擺和可倒擺。上面所講到的重力測量都是絕對重力測量，即觀測值為測點的絕對重力值。

只測量測點的重力變化的重力測量稱為相對重力測量。地球表面上的重力變化僅在250～350個微伽之間，因此相對重力測量要求觀測儀器要非常靈敏而且觀測精度要高。最早的相對重力測量是匈牙利的R.Sterneck在1887年進行的，用一個擺長固定的擺在AB兩地分別測量得到了兩地的重力差。1901年，德國的Hecker用氣壓計在海上進行了重力測量。利用彈簧來平衡重力進行相對重力測量從19世紀30年代發展起來的，稱為后來乃至現在相對重力測量的主要方法。

我國的重力測量開展的比較晚，在19世紀30年代才開始，50年代開始用四擺儀觀測絕對重力。1956-1957年，在前蘇聯的幫助下建立了第一條重力基線和一定重力觀測。

目前國內外的絕對重力觀測主要是美國Micro-g LaCoste公司生產的FG5型重力儀，當然許多國家都有自己研制絕對重力儀，但是FG5型重力儀是應用最為廣泛的重力儀，觀測精度在微伽的量級。相對重力測量大部分用的是彈簧重力儀，精度最高為微伽量級，類型有許多，如LCR-ET型重力儀、Gphone等；另外是精度最高的超導重力儀，觀測精度為0.1個微伽的量級。

四、超導重力儀

超導重力儀是目前相對重力場觀測中精度最高的儀器，觀測精度可達0.1微伽或更高。其觀測原理非常簡單，簡述如下：在超導狀態下的一個帶恒定電量的小球，用同樣處于超導狀態下帶恒定電流的線圈（懸浮線圈）產生的磁場懸浮在一個固定的位置上，當小球受到的重力變化時，小球就會偏離平衡位置，這時用另一個線圈（反饋線圈）產生的磁場力將小球推回固定位置（這個過程稱之為反饋），反饋線圈兩端的電壓變化就是小球的重力變化。從觀測原理中可以看到，因為小球和懸浮線圈處于超導狀態，沒有能量損耗，懸浮線圈產生的磁場非常恒定，因此超導重力的儀器漂移非常小，一年僅幾個微伽。超導小球的質量非常小，在幾克（g）到幾十克之間，因此超導重力儀的靈敏度非常高。用超導重力儀可以高精度地觀測出地球上一定點的重力變化，從而為精密研究潮汐、負荷重力、重力極潮等一系列研究工作取得了非常寶貴的資料。另外，目前用重力資料研究深內部物理特征也只有用超導重力儀的觀測資料才可用，因為地球深內部的信號太弱，其他的重力儀由于靈敏度和精度太低觀測不到或淹沒在儀器噪聲之中。

(陳曉東供稿)