在地球的不同区域，重力是不一样的。如果让我们赖以生存的地球向内塌陷到各点质量均一，会形似一颗看上去其貌不扬的土豆。地球表面质量分布存在着差异，是什么造就了这种差别？人类又是用什么方法来获知这些差别的？通过对地球重力场的研究，科学家们将揭示出某些与环境变化和自然灾害有关的秘密。
牛顿的发现
公元17世纪，牛顿从苹果落地中发现万有引力的传说，成为科学史上脍炙人口的经典传奇，可谓是伟人灵感推动全人类进步的最好注脚。英国人布雷斯特在其撰写的牛顿传记中称，“艾萨克爵士的头部当年为一只苹果所袭，并未悲剧，而是得出了苹果从停止状态达到了某一速度、必有重力存在的推论。考虑到从其他的物体中（如花盆等）虽然也能得出相似结论，但增加了问题的危险性（送花带盆，必有刺客）和复杂性（花盆由刺客手中掷出，已经具有一定的初速度，推论也许会止步于伽利略的惯性原理）。因此，不得不让人心生感叹，惟有苹果才能改变这个世界。”
牛顿时代的科学家认为，在同一地点，物体的重力加速度g是个常量。为什么要强调是同一地点呢？这是因为在当时人们已经知道，地球有可能不是圆的：重力是万有引力和地球自转离心力的合力，越靠近赤道，离心力越大，重力就越小些。牛顿通过研究地球自转对地球形态的影响，认为地球应该是赤道略为隆起、两极略为扁平的椭球体，这一推测也于1733年为巴黎天文台派出的两个分别前往南纬2°的秘鲁和北纬66°的拉普林进行大地测量的考察队所证实：地球的极半径的确比赤道半径短约21公里。关于地球形状的猜想，从古代中国与古希腊的“天圆地方”、“圆盘”等蒙昧的答案中一路行来，经过“圆球”，最终人类逐渐认识到地球是太阳系中的大鸭梨。
谁动了地球重力场？
除了地球的形状会影响重力场，影响地球表面重力分布的因素还有很多，其中，地球内部物质的分布对整个地球重力场的差异起着决定性作用。然而，在几年或更短时间尺度内，地球重力场的变化主要是因为大气压力、海底压力和陆地水储量的变化而造成的，洋流、地壳下的岩浆流和冰川的运动全都会使这颗行星的质量重新分布，虽然变化的范围非常小，但对于研究陆地冰川消融、海平面与环流变化、陆地水量变化、强地震等现象非常重要。
任何物体都存在一个吸引周围物体的引力场，引力的强弱取决于物体的质量。由于地球复杂的地质结构，地球的质量在每个角落都有着微妙的不同—玄武岩的密度明显大于水，同体积的玄武岩与水比起来则质量悬殊—这使得地球表面各处的重力也强弱不一。如果能够记录某一时间段内地球重力场的变化情况，通过对其分析研究，我们就能够了解到冰川消融的速度、趋势，以及对地球的影响等。
通过研究，科学家们发现，历史上大片的陆地曾被广阔的冰川所覆盖，当最后一次冰期结束之时，大地在失去了冰川的压覆后，发生反弹，地球水准面（假设海水面处于静止平衡状态下，并将其延伸到大陆下面，构成一个包裹全球的闭合曲面）越来越圆。但约在20年前，由于一些未知因素的作用，又抵消了这种反弹，目前科学家还不知道其中的原因。研究表明，格陵兰岛和南极洲的冰川融水已明显改变了地球的重力场。曾以冰川形式聚集在地球两极的质量，正迅速流入海洋中，并分散到世界各地。通过对地球反弹抵消量（rebound）的计算，科学家或能确定抵消效果何时开始产生，冰川何时开始融化，进而预测未来可能发生的各种变化。
GOCE卫星拍摄的大地水准面地图，用来演示无海流或潮汐的海洋的面貌。最明亮黄色区域重力场最强，而蓝色区域则代表重力场最弱。
地球重力场如何测量
要了解冰川何时融化、怎样变化，我们必须知道地球重力场实时的变化，但是这个变化相对来说只有那么一点点，要怎么做才能够测量出这一微小差异呢？要知道，探测地球重力场的实时变化，就像是要知道巨轮泰坦尼克号上杰克与露丝相遇时，为烘托气氛缓缓而降的某片雪花的加速度中有多少是因为受到泰坦尼克号的引力造成的一样困难。
经过科学家的长期努力，在地球上的一些地方，重力已经通过大地重力计精确测得：安装在地下坑道实验室的绝对重力仪，是利用自由落体原理，以雷达干涉仪测量真空管中落体的位移，同步精确记录下落时间，继而推算出重力加速度g值。超导重力仪则在超导线圈内产生一个永久性闭合电流，然后在其产生的一次磁场中放置一个超导小球，由于超导体的抗磁性，磁场不能穿入小球内部。小球表面感应电流所产生的二次磁场与线圈的永久电流所产生的一次磁场互斥使小球浮起，达到平衡位置，而环境重力的变化将引起小球平衡位置的改变，准确测定小球位置的变化，就可以求出重力的变化量。
而航载／船载的重力仪则主要是通过重力仪和高精度的导航定位设备来完成的，航载重力仪主要由高灵敏度的加速度计组成，用于测量重力矢量的变化。导航定位设备通常采用高精度的GPS接收机，用于确定各种扰动加速度，并将其从重力矢量中减去，获得所需的地球重力场信息。
重力场随时间变化的尺度从几小时到上百万年不等，存在长期变化、十年尺度的变化、季节性变化、年际尺度的变化和不规则变化等，而要能测量整个地球重力场的实时变化，则必须要发展出卫星重力测量技术，它被国际大地测量学界公认为是当前地球重力场探测研究中最高效、最经济和最有发展潜力的方法之一。
1999年，德国发射了一颗叫做CHAMP的卫星，它携带有全球定位系统（GPS），从而使人们能够能精确追踪它的位置，并从中获取有关重力的信息。而真实意义上的地球重力卫星则是由美国宇航局（NASA）同德国航空与航天中心（DLR）合作，于2002年3月发射升空的GRACE卫星（重力恢复与气候试验）。它的使命是绘制牛顿时代以来，最为精确的地球重力图，并且显示地球的重力是如何随着时间变化的。
GRACE由距离地面500公里高空轨道上，围绕地球飞行的前后两颗卫星组成。在美国得克萨斯大学的空间研究中心（CSR），人们称前面的一颗星为Jerry，紧跟其后220公里的自然就是Tom了。当Jerry飞越引力反常的区域（如珠穆朗玛峰）后，它便会加速；而飞过反常地带后，Jerry的速度就会降下来。这时，Tom则开始加速，并再次接近Jerry。每30天，Tom和Jerry就能扫过地球上的大部分地区，Jerry与Tom之间的距离变化会被安装在卫星上的微波测距仪精确测量记录下来，通过重复飞越相同地区，就可以发现地球引力的细微变化，从而绘制出一定时间间隔内（30天）的完整行星重力场。GRACE最显赫的功绩便是记录到了冰原的收缩，同时还探测到了洋流的迁移和湖泊的干涸。
GRACE包含两个完全相同的卫星—Tom和Jerry，Tom追逐着Jerry，却始终保持着220公里左右的距离。
利用近5年重力卫星GRACE的时变重力场观测数据研究了我国中长空间尺度陆地水储量变化趋势。结果显示，我国陆地水量变化趋势幅度较大的主要有5个典型区域：A华北京津冀地区、D青藏高原区域、C三峡库区、B青川甘交界区域以及新疆阿尔金山自然保护区。前两个区域，陆地水（冰）储量存在明显的减少趋势。
如果要获得地球实时重力场的准确信息，还需要在卫星记录的数据中去除各种外力的影响，包括月亮潮汐引力、风和洋流。受技术的限制，GRACE还不能研究时间跨度小于一个月的变化或循环，也不能探测出小于28亿吨的重量变化，并且，重力卫星检测的是传感器下方区域整体的重力，包括水、冰和岩石。为了从信号中区分出这两种不同的物质，科学家们研发了能够区分出重力的变化到底是由于蓄水层水位涨落还是深层熔岩运动的算法。时间尺度的不同也被考虑进来：河流的变化比洋流快；洋流的变化又比深层熔岩流快；而陆地水储量的变化与区域的降雨量又会有一定的关系，这可以帮助科学家区分出不同的重力变化成因。
2009年3月，欧洲空间局发射了地球重力场和海洋环流探测卫星GOCE，其极地轨道距地面只有254公里，是目前在太空中的所有科学研究卫星中，轨道高度最低的，它能够感知10万亿分之一的地球重力变化。在使用GOCE卫星数据绘制三维地图重力图时，科学家们以不同颜色标出了不同重力大小的区域，并放大了地区间的引力差异，地球看起来就像是一颗形如土豆的行星，在太空中穿梭行走。
重力场和稳态海洋环流探测器在低轨道飞行，它能察觉到小至10万亿分之1的重力场变化。
数据背后的科学发现
科学家们使用重力卫星多年积累的逐月地球时变重力场资料，进行了中长空间尺度陆地水量变化趋势分析。由于地球内部密度差异，使重力卫星的运行轨道在受到地球重力场及其他因素的影响下产生扰动，其运动轨道为摄动轨道，摄动轨道与正常轨道之差称为摄动量。重力卫星根据轨道摄动来推算出地球外部空间的重力场。并进而推算出地球内部不同深度范围的密度不均匀的情况。假设其他因素都一样，那么，地下水丰沛的地区密度会更大些。除了冰原的损耗之外，全世界最大的由于地下水损耗而引起的引力下降的区域，是在印度次大陆北部，一块以新德里为中心的东西走向面积达270万平方公里的狭长区域。这里有着全世界最密集灌溉的水田——50%〜75%的土地都需利用地下水或蓄水池灌溉，6亿人口的生活工业用水也需要抽取地下水。21世纪的头10年，印度地下水开采速度比此前加快了70%。这样规模的开采量使得地下水位很难恢复，而生产需要又迫使人们使用更深的机井和更大的泵来采集地下水，获得的水有相当一部分还是含盐或被污染的地下水。
我国科学家利用2002〜2007年GRACE的时变重力场观测数据研究了我国中长空间尺寸陆地水储量变化趋势。通过分析华北京津冀地区逐月的时变重力场，再对比前后的变化，发现由于地下水的连年超采，京津冀地区已经形成约5万平方公里的地下水“漏斗”，陆地水量也以大约2.4厘米/年的速率下降，相当于每年流失52亿吨的水量。
除此之外，GRACE还能帮助科学家们分析全球的土壤湿度变化，或反映地壳遮蔽的厚厚熔岩下，神秘地壳内部密度的变化。科学家们甚至利用卫星数据研究强烈地震的影响。苏门答腊-安达曼地震发生在印度洋，强度为9.1级。它引起的海啸造成大约23万人死亡，超过100万的人口撤离。震中位置在北苏门答腊岛的西海岸。两块大陆板块在海底沿着一条地质断层滑动。印度板块在1200公里的长度上滑到缅甸板块下，地震使这个区域数千平方公里范围内的海底被抬高了几米，同时，海底的岩石密度也发生了改变，这些变化都可以从重力卫星的数据资料上得到解释。目前，重力卫星的分析技术还只能用于探测大型地震，即超过9级的地震，而这是非常罕见的。探测强度在7〜8.9级之间的强烈地震的模型正在研究中。NASA正在设计的GRACE 2计划将增强GRACE的探测能力，使研究强烈地震成为可能。
我国2002～2007年来陆地水量变化
利用近5年重力卫星GRACE的时变重力场观测数据研究了我国中长空间尺度陆地水储量变化趋势。结果显示，我国陆地水量变化趋势幅度较大的主要有5个典型区域：A华北京津冀地区、D青藏高原区域、C三峡库区、B青川甘交界区域以及新疆阿尔金山自然保护区。前两个区域，陆地水（冰）储量存在明显的减少趋势。
Tom与Jerry的未来
Tom与Jerry至今仍在太空飞行，已经远远地超出了5年的设计寿命。作为重力卫星，它们需要处在远低于静止气象轨道（高35800公里）以及太阳同步轨道卫星（高800〜1000公里）的低轨道上（GRACE为500公里，GOCE为254公里）运行，以获得最佳的仪器灵敏度。由于轨道较低，它们会遇到大气阻力，轨道会逐渐降低，最终被拉入大气层烧毁，这就是重力卫星的特殊宿命。发射9年以来，Tom与Jerry的轨道高度已经下降了约160公里。每次仰望星空，都会让人想到：在苍穹之中，有两个小点在一前一后地追逐奔跑，因为它们的经年跋涉，让我们更加了解所处的地球家园。
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