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科学家将利用原子钟测量地球内部结构

国外媒体报道,近日苏黎世大学一支国际科学家小组声称可以利用原子钟解决地球上的结构问题,例如发现矿藏或者隐蔽的水资源。这支由苏黎世大学的天体物理学家菲利普·吉特泽尔(Philippe Jetzer)和鲁桑德拉·邦达勒苏(Bondarescu Ruxandra )带领的国际小组认为,在未来十年内能够将这些变为现实,科学家认为现在的原子钟的精确度已经达到了地球物理测量所要求的程度。这种原子钟能够提供大地水准面——也即地球真正的形态——最直接的测量数据。同时科学家还能结合原子钟测量数据和现存的地球物理学方法探索地球的内部结构。

确定广义相对论中的大地水准面

目前只能间接的确定地球的大地水准面——延伸到平均海平面的恒定引力势表面。在大陆上,大地水准面是通过追踪在轨卫星的高度而计算出来的。选择合适的表面是一个非常复杂、涉及多方面的问题。通过这种方式计算出来的大地水准面的空间分辨率非常低——大约只有100千米。

利用原子钟测定地球大地水准面是基于广义相对论的概念。原子钟与沉重天体,诸如地球,的不同距离会导致它的运转速率也不尽相同。原子钟距离沉重的地下结构越近,它运转的时间越慢——位于铁矿石上的钟可能比位于空洞穴的钟转的更慢。

“2010年超精密原子钟已经测量了两个不同时钟的时差,其中一个位于另一个上方33厘米,” 邦达勒苏接着补充说道,“利用原子钟对相当于1厘米高度的大地基准面的当地测绘并不是个小工程,但一切都在原子钟的能力范围之内。”

利用原子钟进行地球物理测量

如果一个原子钟被放在某一海平面上,例如恰好为大地基准面的精确高度的海平面,而第二个原子钟放在大陆上任何位置,只要它与前者保持时间上的同步。两个钟之间的连接将通过光导纤维电缆或者通信卫星(只要信号传输可靠)实现。第二个钟运转的或快或慢完全取决于它位于大地基准面之上或者之下。对大地基准面的当地测量可以结合其它地球物理学测量方法,例如测量引力场加速的比重计,而获得关于地下结构更精确的信息。

深度测绘

原则上来说,利用原子钟进行深度测绘是可能的,只要被研究的地下结构足够大,能够明显影响原子钟运转的速率,并且这些速率的差异是在可测量范围之内。原子钟测量精确到相当于1厘米的大地水准面高度的最小结构是深埋在地下2千米的半径为1.5千米的球体,并且球体与周围上地壳的密度差异要在20%以上。然而,科学家预估计,在同样的环境密度差异下,原子钟也能够测量到深埋在地下30千米处半径为4千米的同等球体。

目前超精度原子钟只能用于实验室,也即它不方便传输因此不适用于野外测量。然而,在未来几年这将不会是大问题:一些公司和研究机构,包括位于纳沙泰尔的瑞士电力中心, 已经致力于研发便携式超精度原子钟。“最早到2022年,这样的可携带的超精度原子钟将发射入太空。”这项名为STE-Quest的卫星任务旨在精确的测试广义相对论。

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