在地球上，海洋占据了大约71%的面积，通常大家都认为全球海面一样高的，但有研究表明：海洋表面和陆地一样，也存在高低差别。事实到底是什么？

在弄清这个问题之前，我们要先了解几个基本概念：

1.地球的形状：地球接近一个正球体，是一个两极稍扁、赤道略鼓的不规则球体。

2.大地水准面：假设海平面（图1①）向陆地（图1④）延伸，最终形成一个围绕地球的曲面，在这个面上海水是静止不流动的，面上的所有点都具有相同的重力（图1③），称该曲面为“水准面”。

我们把与平均海平面最接近的闭合曲面，称为“大地水准面”（图1⑤），地球的形状也即大地水准面所包围的地球形体。

3.参考椭球体：由于地球引力大小和其内部质量分布有关，因此大地水准面实际上是有一个起伏且不规则的曲面，在复杂曲面上进行测量工作是非常困难的。

为了解决这个问题，选取一个表面非常接近大地水准面的标准几何形体来代替，通常选取合适的椭圆绕其短轴旋转一周得到椭球体，其表面又称为“参考椭球面”（图1②）。大地水准面的地形起伏是指相对于参考椭球体的偏离值（图1⑥）。

图1 大地水准面、参考椭球体与实际地形的相对关系

1-  海水、2-椭球体、3-重力方向、4-实际地形、5-大地水准面、6大地水准面相对于椭球体的起伏

（引自：https://en.wikipedia.org/wiki/Geoid）

地球的重力场取决于地球内部质量的分布，由于岩浆、山脉及深海海沟的不均匀分布，地球的重力场并非处处均匀，比如在海底山脉处重力值高，在深海海沟处重力值低，相应的海平面将根据重力值而升高或降低。在大洋中，大地水准面基本代表了平均海平面，因此全球海平面是否一样高的问题变成了全球大地水准面是否一样高的问题。

全球海平面，全球大地水准面是否一样高？

当存在正重力异常（质量过剩）时，大地水准面高于参考椭球面，也即海水在较大重力作用下聚集于某处，使得该处的海平面高于平均海平面；当存在负重力异常（质量亏损）时，大地水准面低于参考椭球面，也即海水在向周围扩散，使得该处的海平面低于平均海平面（图1⑥）。尽管在近200年的大地测量和地球物理学史上，大地水准面一直是一个重要的概念，但直到20世纪末卫星大地测量的发展才被高精度测量。

众所周知，地球的最高峰珠穆朗玛峰（+8843米）和最深的海沟马里亚纳海沟（-11034米）的高差近20000米，但根据最新卫星测量数据计算得出：大地水准面的最大偏移量为+85米（新几内亚以东）到-107米（印度南部），总共不到200米（图2）。大地水准面虽然起伏达到200m，但是相较于地球6000余公里的半径来说，其起伏完全可以忽略，因此地球仍可以看作一个正球体。

图2 全球大地水准面起伏情况

（引自：https://en.wikipedia.org/wiki/Geoid）

地球重力场的应用领域

一般来说大地水准面（地球重力场）在数百年内是保持稳定的，但最新的重力监测卫星（GOCE和GRACE卫星）已经能够观察到某地区水准面（重力场）随时间的轻微变化，应用这些高精度数据，科学家在地震预测和气候变化研究方面有了一些突破性的进展。地震准确预测是世界级的难题，但通过对地震地区的大地水准面和精细重力场的观测，科学家比以往任何时候都更接近准确预测地震。

目前我们可以恢复大地水准面的细小变化，就像恢复地震信号一样。研究表明，大地水准面变化与98%以上的9级以上地震有关，与8.8级地震的相关度约为60%，与8.6级地震的相关度约为40%，与8.3级地震的相关度约为33%。假以时日，曾经被视为不可预测的地震难题也有望获得进展。

在气候变化方面，通过研究高分辨率卫星测量数据，科学家们现在可以观察冰川系统中的实时变化，从而对极地冰量有更深入的了解。

据欧空局的CRYOSAT卫星监测，2009年至2012年间，南极洲西部的冰层融化导致该地区的重力场下降，自2009年以来，从南极西部冰盖每年消失速度增加了三倍。2011年到2014年之间，南极冰川每年减少体积约125立方公里。所有这些观测结果都将有助于我们研究全球气候变化。

由“全球海平面真的一样高吗？”这个问题引申出来的许多海洋观测、气候环境变化等科学问题正逐渐成为科研前沿。随着观测手段的不断进步，这些前沿科学的研究也将深刻地改变人类的宇宙观和生活方式。

图文：廖   晶  

      （中国地质调查局 青岛海洋地质研究所）

排版：谭   阳

责编：戴怡茹

审核：潘文霞