2017年1月3日

國家重力基準與重力測量

作者/彭淼祥(國立交通大學土木博士,專長空間資訊學,任職工研院量測技術發展中心,主要研究參與國家度量衡標準實驗室計畫及重力基準建置研究計畫。)、李瓊武(國立中央大學地球物理博士,81 年服務於工研院量測技術發展中心迄今,從事大地測繪儀器校正追溯及重力基準建置之服務與研究。)



圖一:(上)戰備坑道勘查。 (下)國家重力基準站現況。(國家重力基準站提供)

現代化國家在科學經濟發展中,舉凡航空太空技術、土木工程、海洋科學、度量衡力量標準等領域,皆需應用地球重力場(Gravity Field)資料,並且重力也是國土監測、資源探勘及環境變遷評估等之重要參數。內政部於新竹市十八尖山建立「國家重力基準站」,站內設置高精密重力設備,包括奈米級超導式重力儀、絕對重力儀及各型相對重力儀,另也設置衛星定位儀、氣壓計、溫度計、雨量計及水位計等多項之環境感測器,有效評估與監測微量重力值變化。



國家的測繪基準(Datum)指的是國家測繪體系的參考標準,測繪基準包含有參考標準值、參考框架、坐標系統等參數,是實施國家建設、規劃土地利用及保障人民權利之重要依據。內政部自1993 年起陸續引進高科技技術及設備,完成測繪基準,包括大地基準、高程基準以及重力基準。其中,大地基準以衛星追蹤站來架構基準的實踐,高程基準以臺灣水準原點為計算基礎,作為實施全國測繪之依據。

重力隨著時間與空間位置而變化
重力學是研究地球重力場隨著時間而變化,以及研究在地球上不同位置重力場變化的一門科學。舉例而言,重力學應用在資源探勘的原理,常用方法即用重力測量方法來分析地球形狀及地球內部物質密度分布,進而推斷地殼運動與礦產分布等相關發現。

地球表面或附近空間任何物體都會同時受到二個力的作用:一是地球整個質量對它的引力F,二是地球自轉引起的慣性離心力C。引力F 可用牛頓萬有引力定律表示:F=G×M×m/r2,其中萬有引力常數G=6.67×10-11m3×kg-1×s-2,地球質量M(=6.0×1024 kg)及物體質量m,距離r=6371 km 代入,那麼,地球質量作用在地面上(或地球附近空間)單位質量物體的引力g0,可表示為g0 =G×M/r2= 9.8 m/s2。值得注意,9.8 m/s2 是理論計算的近似值,精密度只估計在10-1 m/s2,現代化的精密重力儀器,儀器的精密度可達10-9 m/s2(=1 nm/s2)。

地球自轉引起的慣性離心力C,在赤道處最大,約為引力之1/300。這二力之合力就是物體所受的「重力」,而地球周圍的重力作用空間稱為「重力場」。

地球上任一點的重力表示為P=F+C,當質量m 的物體在地球重力作用下自由落下時,產生重力加速度g,根據牛頓第二運動定律P=mg,所以作用於物體單位質量(m=1) 的力應為P/m=g,這顯示在重力場,單位質量所受的力與重力加速度一樣。為表達方便,常用重力加速度即代表重力。

重力隨著不同緯度、不同地表高度、不同時間而有差異,差異大小舉例而言:

‧ 地球兩極的重力大於在赤道的重力,差異約5×10-2 m/s2
‧ 每升高1 公尺,重力數值減小約3×10-6 m/s2,地球上1000 公尺高山與海平面重力,差異約3×10-3 m/s2
‧ 同一位置地點,重力在不同時間因受週期性潮位引起重力變化量,每日最大可達3×10-6 m/s2

建置「國家重力基準站」
臺灣早期以臺北松山機場內所設置的國際重力基點,作為臺灣重要的絕對重力基準。於1909 年時,波茨坦重力基準以單點型式出發,傳遞重力參考值成為國際性系統;1971 年國際重力基準網(IGSN-71)以重力網型式取代波茨坦重力基準,重力量測的精密度約5×10-7m/s2。由於近期絕對重力儀(Absolute Gravimeter)在儀器設備發展成熟、廣為應用,絕對重測量技術精密度可優於1×10-7 m/s2,應用絕對重力儀進行測量可直接量得高精密度的重力加速度值,無需以相對方式連測到已知重力點參考值據以傳遞重力測量,絕對重力儀測量在技術上是重力基準構建的要素。

內政部國家重力基準構成包括有2 個絕對重力點,一為新竹的「國家重力基準站」絕對重力點,以及「國家度量衡標準實驗室」新竹副點。

內政部「國家重力基準站」位於新竹的十八尖山,由軍方使用的戰備坑道改建而成,這其實並不是一個突發奇想的大膽挑戰。原來,在盧森堡的歐洲地體動力地震中心(http://www.ecgs.lu/),它的原址就是一個廢棄的礦坑通道,經過改建成為一個地下實驗室。而這個經驗造就十八尖山「國家重力基準站」的靈感來源。

第二次世界大戰期間,十八尖山是管制區,有大批日軍駐守,作為指揮所與儲藏軍事物資之用。戰後,在臺灣戒嚴時期,演習部隊曾經進駐一個月。之後,歷經國防部、新竹團管區再交回國防部管理。雖然中間曾因多次想加以利用而有所整修,但一直面臨被塵封的命運,如今卻意外成了「國家重力基準站」的據點。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第565期】

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