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地球是什麼形狀，如果把她的起伏誇張地放大來看，真的像顆梨子嗎？這疑惑是諸多地球物理學家與充滿好奇心的人都想知道的！你或許疑惑：地球的形狀不就是地球儀那樣，一顆圓球，有高山、高原、洋脊凸出來，有裂谷、洋盆以及海溝凹進去呀！咳，誰會拿表面那薄薄一層、塗抹不勻的蠟來描述一顆蘋果的形狀呢？同樣地，地殼表面的起伏是不能盡述地球形狀的。

與時漸進，現今地球物理學家認為「大地水準面」（geoid），或又被稱作「地球重力等位面」，能更貼近地描述地球的形狀——除去（短時間內）地球表面的大氣、海水運動，以及日– 月引力等等會對地表質量造成擾動的因素後，地球表面各地的重力位能便由地球內部物質的實際分布情形來決定！假設地表全由海水所覆蓋，這時海水面所包絡的形貌就是大地水準面。當然，這個面與地心的距離不同而「有高有低」，但是在「高處」放置的海灘球不會往「低處」滾去——大地水準面上，各處的重力位能皆同，各處都是「水平面」。

量測地球重力

換句話說，我們可以由重力來推知地球內部物質的分布情形、知道地球的形狀。重力，或稱萬有引力、引力，其大小我們以重力加速度（g）來表示；早在十七世紀，牛頓見蘋果下落得到啟發後，奠基於前人（可追溯至亞里斯多德、哥白尼、克卜勒等偉大的行星科學家）的研究工作上，整理出重力的定量公式：g = G‧m/r2 （G：重力常數；m：另一物體的質量；r：距離）——儘管牛頓當年還不知G的數值是多少。

今日，我們主要利用繞極衛星在飛行軌道上的位置變化，再加上精準的定位，準確推算出全球各地的重力大小。美國航太總署（NASA）與德國合作，在2002年3月發射了GRACE衛星（Gravity Recovery and Climate Experiment），這是個雙胞胎衛星，兩個子衛星相隔約200公里、一同飛行在約485 公里的高空上；子衛星之間以微波通聯，利用都卜勒原理量測它們彼此間的距離變化，再以其它GPS衛星精準定位其飛行路徑，推算出衛星下方重力的變化（圖一）並建立全球平均重力場。GRACE對全球重力的長期連續觀測，使我們能進一步比對出各種地質、氣候事件對全球重力場所造成的細微變化。

圖一：GRACE 衛星是雙胞胎衛星，藉由量測兩個子衛星間的距離來推算重力變化。
例如，當飛越一個質量較大、重力較強的區域時，兩個子衛星因為與該區域的距離不同，
會使兩者距離先被拉長①、縮短②，最後又被拉長③。（作者提供）

不讓GRACE 專美於前， 歐洲太空總署（ESA） 在2009年3月發射了GOCE衛星（Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer）。這衛星本身就是個精密的重力儀，它最主要的任務便是提供高解析的全球平均重力資料，除了衛星本身的各項精密設計外（例如：由三對高靈敏度加速儀組成的重力梯度儀），為增強測量的空間解析能力，其飛行軌道高度僅約250公里，是飛行軌道最低的研究用衛星！ GOCE重力測量的空間解析可小於100公里，重力值的誤差約10-5 m/s2，大地水準面的誤差僅1~2 公分；結果告訴我們：把地球的重力等位面的變化誇張化之後，也許比較像顆馬鈴薯。……【更多內容請閱讀科學月刊第520期】