假如你指的是某個(gè)區(qū)域沒(méi)有重力或者重力相反,這種異常在地球上是不存在的,在任何星球上也都不可能存在。
不過(guò),在測(cè)繪學(xué)中確實(shí)有“重力異常”這個(gè)說(shuō)法,且重力異常現(xiàn)象在地球上是無(wú)處不在的,其數(shù)值的求定與修正也是大地測(cè)量學(xué)中的一項(xiàng)十分重要的工作。
“重力異常”的英文是“gravity anomaly”,指的是在排除掉各種外界因素的影響后,由于地球自身構(gòu)造不均勻所引起的引力垂直分量的變化。
地球的密度差異導(dǎo)致了地表的重力異常。
眾所周知,地球表面山巒疊嶂、溝壑縱橫,且地球內(nèi)部構(gòu)造以及地底礦產(chǎn)的分布也并不均勻,這意味著地球不同區(qū)域的物質(zhì)密度是不同的,密度不同則質(zhì)量不同,質(zhì)量不同則引力不同,也即地球各處的重力值存在差異。
地質(zhì)的密度差異存在于地球的任意位置,因此重力差異也普遍存在于地表的任意位置,而地質(zhì)密度引起的重力差異,就叫重力異常。

▲EGM2008地球重力場(chǎng)模型中的全球重力異常分布圖
重力異常通常被分為兩種:一種叫“純重力異常”,指的是某一地點(diǎn)的實(shí)際重力值和正常重力值的差異。這很好理解,就是你站在某個(gè)地點(diǎn)測(cè)量出來(lái)的重力值,與該地點(diǎn)應(yīng)有的正常重力值之間的差異。
另一種叫“混合重力異常”,是指一個(gè)面上某一點(diǎn)的實(shí)際重力值與另一個(gè)面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的正常重力值之差——這個(gè)描述可能就不好理解了,它涉及到了大地測(cè)量學(xué)中的兩個(gè)十分重要的概念。
一、大地水準(zhǔn)面
你可能不知道,地球有三種形狀,一種是它的真實(shí)形狀,那就是一個(gè)表面波瀾起伏、地形無(wú)比復(fù)雜的壯麗星球;另一種是大地測(cè)量學(xué)中,通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算出來(lái)的不規(guī)則閉合曲面,它的“丑陋面貌”你或許不會(huì)感到陌生——

▲大地水準(zhǔn)面
上面這個(gè)“歪瓜裂棗”的模型曾被不少別有用心或不明就里的人解釋成了“抽干海水后的地球形狀”,這純粹就是在信口開(kāi)河,實(shí)際上這張圖就是高差及細(xì)節(jié)被放大了1萬(wàn)倍的大地水準(zhǔn)面的3D模型。
通過(guò)這個(gè)夸張的模型,我們可以更清晰地看出大地水準(zhǔn)面并不與地球的表面形狀相同,它是以自由靜止?fàn)顟B(tài)的平均海平面(MSL)為基準(zhǔn)參考點(diǎn)計(jì)算而來(lái)的重力等位面。
也就是說(shuō),當(dāng)我們以平均海平面的重力為基準(zhǔn)時(shí),地球只有在這種形狀下各區(qū)域的重力才是相等的。或者說(shuō),我們?nèi)サ舻厍虻钠溆嗖糠郑槐A襞c平均海平面重力值相等的部分,地球就成了這個(gè)形狀。而這個(gè)閉合曲面就被稱為“大地水準(zhǔn)面”。
大地水準(zhǔn)面最初是1828年,由德國(guó)數(shù)學(xué)家卡爾·弗里德里希·高斯提出的,之后經(jīng)過(guò)了多次的修改及完善。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),它指的就是將地球各區(qū)域重力相等的點(diǎn)連接而成的曲面。
當(dāng)然,你也千萬(wàn)別忘了前文提到的“高差被放大了1萬(wàn)倍”。
事實(shí)上,真正的大地水準(zhǔn)面看起來(lái)也幾乎是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的球體,其正極值(最高點(diǎn))為+85.4米;負(fù)極值(最低點(diǎn))為?107.0米,最大高差僅有192.4米,相較于地球12742公里的平均直徑,這微不足道的差異完全可以忽略不計(jì),所以它的真實(shí)形狀其實(shí)是下面這樣的。

假如不是夸張了一萬(wàn)倍的話,你根本看不出它與真實(shí)的地球有什么差別,對(duì)么?
二、參考橢球體
前文說(shuō)了地球有三種形狀,除了真實(shí)形狀和大地水準(zhǔn)面之外,它的第三種形狀就是“參考橢球體”,也叫“平均地球橢球”。
參考橢球體是以地球的實(shí)際幾何數(shù)據(jù)為主要參考,同時(shí)又與大地水準(zhǔn)面的各向半徑最吻合的一個(gè)表面完全光滑的理想橢球,我們通常所說(shuō)的地球的形狀和半徑,實(shí)際上就是參考橢球體的扁率和半徑。
換言之,我們說(shuō)地球赤道半徑6378.137千米,或者極半徑6356.752千米的時(shí)候,其實(shí)是忽略了兩端的山峰或溝壑,完全視為理想的橢球來(lái)定義的,這個(gè)理想化的形狀就是參考橢球體,它顯然是無(wú)法與歪瓜裂棗的大地水準(zhǔn)面完全貼合的。

在赤道方向,大地水準(zhǔn)面(紅線)相對(duì)于參考橢球體(黑線)的形狀差異。
現(xiàn)在,你應(yīng)該很容易理解“混合重力異常”的描述,也就是“一個(gè)面上某一點(diǎn)的實(shí)際重力值與另一個(gè)面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的正常重力值之差”這句話了。譬如某個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)在參考橢球體上的重力值,與大地水準(zhǔn)面上的重力值的差異,就叫“混合重力異常”。
當(dāng)然,地表的重力異常是極其微弱的,在日常生活中完全可以忽略不計(jì),但是在研究地球形狀、分析地質(zhì)構(gòu)造、勘探礦物,或修正人造衛(wèi)星與遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈軌道時(shí),卻是極其重要數(shù)據(jù)。
換言之,科學(xué)領(lǐng)域所稱的“重力異常”,無(wú)論哪種異常,都是指的特定地點(diǎn)的特定重力值,異于該地點(diǎn)在特定條件下的重力值,而不是指某個(gè)地區(qū)的重力存在反常現(xiàn)象。