南極: 地球重力在南極凹陷:研究發現冰原下藏著一個重力空洞

2026-03-07 | 來源: DeepTech深科技 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

在我們日常的直覺中，重力似乎是地球上最恒定、最可靠的力量。然而，現實卻遠比直覺奇妙：地球並非一個完美的球體，其重力場就像一顆表面凹凸不平的“土豆”。如果在重力較弱的地方稱體重，你甚至會比在重力強的地方輕上幾克。

目前，從地球動力學的角度來看，地球上最極端的“重力空洞”（Gravity Hole）就潛伏在冰天雪地的南極洲之下。近期，一項發表在《科學報告》（Scientific Reports）上的突破性研究，利用地震波和超級計算機“倒轉時間”，首次重現了南極重力異常區在過去 7,000 萬年間的演化史。這一發現不僅揭示了地球深部岩石運動的歷程，更為我們理解地球內部動力學與地表氣候的聯動提供了一個令人驚歎的全新視角。

什麼是南極重力低點？

地球重力場並非完美球形，而是呈現出“土豆”般的凹凸不平。之所以存在這種差異，是因為地球內部的物質分布並不均勻。密度較大、較冷的岩石會產生更強的引力；而密度較小、較熱或具有浮力的地幔物質產生的引力則較弱。

圖 | 直觀展示南極的“重力空洞”（來源：GReD）

嚴格來說，所謂“重力空洞”並不是地面上有一個真實的物理坑洞，也不是指重力在那個區域完全消失。它的科學名稱是南極大地水准面低谷（Antarctic Geoid Low, AGL）。假設地球被一個沒有風浪和洋流的平靜海洋所覆蓋，海水會純粹在重力的作用下形成起伏的丘陵和山谷，這個由重力定義的等位面就被稱為“大地水准面”（Geoid）。

在常見大地測量參考框架中，若僅考慮自轉的靜水橢球體，全球的重力低點位於印度洋；但從地球動力學視角出發，即在測量時扣除地球自轉產生的離心力，南極大陸下方隱藏著地球上最強烈的非靜水壓大地水准面低谷，特別是羅斯海附近的羅斯海灣（Ross Embayment）。

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對於人類而言，這種差異微乎其微——一個重 90 公斤的人站在那裡，體重只會減輕約 5 到 6 克。然而，這種微小的引力差異對海洋的影響卻是巨大的。在重力較弱的南極洲，海水會向重力更強的區域流去。因此，據衛星數據和模型，南極洲周圍由重力定義的海平面，比全球平均水平竟然低了 120 米。

用地震波給地球做“CT 掃描”

多年來，科學家一直通過衛星任務測量並繪制地球的重力場，但他們並不清楚南極下方的這個重力低谷是如何形成的，也不知道它隨著歷史氣候的變遷發生了怎樣的改變。

為了解開這個謎團，美國佛羅裡達大學（University of Florida）的地球物理學教授亞歷山德羅·福特（Alessandro Forte）與法國巴黎地球物理研究所（Paris Institute of Earth Physics）的地球物理學家佩塔爾·格利索維奇（Petar Gli?ovi?）聯手開展了這項研究。

他們無法直接深入地下數千公裡進行觀測，於是借用了穿透地球的自然力量——地震波。“想象一下，給整個地球做一次 CT 掃描，但我們沒有醫院裡的 X 射線。”福特教授用一個形象的比喻解釋道，“我們有地震。地震波提供了照亮這顆行星內部的‘光’。”

當地震波穿過地球內部時，遇到不同溫度和密度的岩石，其傳播速度和方向會發生改變。研究團隊利用全球幾十年來的地震記錄網絡，構建了當今地球地幔的三維密度模型：GyPSuM 聯合地震-地球動力學-礦物物理反演模型。結合物理學模型，他們成功重構了整個星球的重力地圖。這張計算出的地圖與當今高精度衛星捕獲的“黃金標准”重力數據高度吻合，證明了其底層模型的極高准確性。

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