井中重力仪

从比萨斜塔上抛下两个不同大小的铁球，它们以相同的速度同时落地——400多年前，意大利科学家伽利略完成这个著名的自由落体实验后的感受，今天的中国计量科学研究院重力仪研究团队也能体会到。不过，与伽利略不同，他们观察的落体不是铁球，而是原子团。重力仪研究团队是中国计量院九个计量基础前沿研究团队之一，团队的工作是精准地测量重力加速度，建立国家重力加速度计量基标准体系，并为此研制自主可控的精密测量仪器——绝对重力仪。重力加速度的测量分为绝对重力测量和相对重力测量。中国计量院对绝对重力仪的研究已有半个多世纪。2013年以来，他们开展了新一代激光干涉型绝对重力仪和第一代原子干涉型绝对重力仪的集中攻关，突破十余项“卡脖子”技术，大幅提升了重力加速度的测量水平。这两种绝对重力仪测量结果的合成标准不确定度，分别达到3.0和4.6微伽。伽，即重力加速度的单位，其命名正是为了纪念伽利略。与伽利略那时候相比，3.0和4.6微伽的测量不确定度，相当于将重力加速度的测量精度提高了将近7个数量级，也就是10的7次方、上千万倍。这是时代的发展，是科技的进步。伽利略可能不会想到，几百年后的人们可以通过原子干涉绝对重力仪，将自由下落物体从宏观物体换成微观原子团，在超高真空环境下采用激光冷却和操控技术来测量重力加速度。不止于此。中国计量院还利用自主研制的激光干涉型和原子干涉型绝对重力仪，通过主办国际比对和超导重力观测技术，建立了不同技术体制相互旁证的国家重力加速度计量基准，其测量不确定度优于1微伽。2017年，14个国家的32台重力测量仪器齐聚中国计量院开展“大比武”——计量比对。中国计量院的绝对重力仪表现优异，使得全球重力计量基准原点落户中国。所谓原点，即全球重力加速度测量精度最高的点位，也是全球重力加速度量值的源头。此前，全球重力计量基准原点一直在欧洲。“这意味着中国成为全球重力加速度量值溯源地，为全世界开展重力加速度的量值溯源和传递，彰显了我国科技实力和在全球计量界的国际影响力。”中国计量院时间频率所副所长、重力仪研究团队带头人吴书清很自豪。科研人员总是追求极致，对更高精度的追求既是一种自我突破，也是一种现实需要。如此高精度的重力仪，在现实生活中大也有用处。受地球引力影响，物体下落时具有近乎相同的重力加速度，但在不同纬度、地层中矿藏变化等因素的影响下，重力加速度会有细微变化。这种变化是进行辅助导航、资源勘探、地震预报、海洋监测等的重要依据。比如，利用不同位置的重力信号与标准重力地图匹配，可以获取定位和导航手段。根据重力场的异常或突变，可以勘探资源并确定是何种资源。科研人员曾通过重力测量，探明北京明十三陵地下陵墓的形状、位置和埋深。我们生活中用的电子秤，其准确性也建立在精准的重力测量基础上… … 作为国家的基础数据、战略数据，重力加速度的精准测量从未停止。近年来，在“中国大陆科学钻探工程”“中国大陆构造环境监测网”“极地科学研究”“精密重力测量国家重大科技基础设施建设”等国家重大工程项目中，都可以看到绝对重力仪的身影。“它们正在给地球更加精准地‘做CT’，让我们愈发了解人类的家园。”中国计量院重力仪研究团队如此形容。

2023年9月22日，“空间科学+”应用研讨会暨微重力仪器新品发布会在北京隆重举行。会议由中国出入境检验检疫协会作为指导单位，国际可持续发展实验室分会、北京戴纳实验科技有限公司、青岛大学空间应用工程与技术研究院共同主办，并仪器信息网视频号等多家媒体进行线上同步直播。研讨会以“太空空间和微重力环境下的生物技术开发”为主题，主要包括外太空实验室发展、太空空间的医药研发、微重力环境下生物医药科技等内容。会议邀请到的专家有：第十三届全国政协副秘书长、中国药学会副理事长、中国出入境检验检疫协会首席专家；中国国际旅行卫生保健协会首席专家 曲凤宏 主席中国空间科学学会/微重力科学与应用研究专委会主任委员、青岛大学博士生导师 赵建福 主任中国科学院力学研究所 高级工程师；青岛大学博士生导师 孙树津 主任北京领柯生物科技有限公司 总经理；原军事科学院专业技术大校、副研究员 凌焱 北京戴纳实验科技有限公司 董事长；青岛大学兼职教授、博士后导师 迟海鹏北京戴纳实验科技有限公司 技术总工、研究员、硕士生导师 奚晓鹏北京戴纳实验科技有限公司 微重力共享实验室中心主任 黎春盈曲凤宏主席为研讨会致辞，并表示空间站实验和微重力技术的研究将会成为未来科技发展的热点话题，科研工作者们要保持对微重力环境下的生物技术开发和应用的关注，以便获取新的创新思路和技术突破。赵建福主任进行《中国空间站时代微重力重点实验室建设》主题演讲，分享了中国微重力实验室的发展历程以及微重力科学相关研究的重要意义。孙树津主任分享了《回转器微重力生物学效应模拟的原理问题》，为我们分析了在地面模拟达到微重力环境的工作原理。凌焱在《微重力与细胞工程》的分享中解答了微重力环境对于细胞生长的影响。奚晓鹏研究员在《微重力实验室场景的应用》分享了地面微重力实验室场景在科研行业的应用以及微重力产品的解决方案和实验进展。黎春盈主任围绕《微重力实验共享中心规划》，分享了戴纳科技公司微重力系列产品的推广计划和建设微重力实验共享中心的规划。在微重力仪器新品发布环节，北京戴纳实验科技有限公司董事长迟海鹏先生进行致辞，并邀请各位专家共同为微重力仪器新品揭幕。这款微重力仪器是由北京戴纳实验科技有限公司的具有自主知识产权的微重力设备，可以模拟10-3-10-5g的微重力环境，未来可以为各领域开展空间实验前的实验设计、模拟以及落地后的验证提供技术支撑。戴纳科技微重力系列产品宣传片

p style="text-align: justify text-indent: 2em "近日，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院地震与地球内部物理学研究团队基于全球分布的高精度超导重力仪网络观测资料，在地球运动微弱信号提取方面取得进展。研究人员成功提取到高信噪比的地球长周期面波，这是利用重力技术的首次尝试。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "地球内部结构问题一直是地球科学前沿基础领域关注的焦点。最近十几年来，利用地震背景噪声提取到的面波信号在地壳和上地幔结构研究中得到了广泛应用，宽频带地震仪在长周期信号提取方面存在频带限制问题，因此利用该技术进行地球深部结构的研究相对较少。20世纪80年代发展起来的超导重力仪具有很高的灵敏度、稳定度和观测精度，它类似于垂直分量的地震仪，能够有效记录到各类地震波信号，并在研究长周期地球内部动力学方面具有其它类型仪器无法比拟的优势，可弥补地震技术缺陷。如果能够从超导重力仪背景噪声中取到高信噪比的长周期面波和自由振荡信号，则可探索地球深内部结构与动力学信息。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "基于以上考虑，地震与地球内部物理学研究团队利用全球分布的超导重力仪和同址观测的STS-1地震仪长时间积累的观测资料，实施了精细的数据预处理与分析，并采用自相关方法提取了长周期面波（2-7.5mHz，即133.3-500s）和地球自由振荡，并对提取到的面波信号进行了群速度频散曲线的测量，通过对两种不同观测技术得到的结果进行对比，验证了超导重力仪提取结果的可靠性。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 2em "图1给出了利用背景噪声数据提取到的长周期面波波形，可以看出超导重力仪与地震仪都能清晰记录到绕地球传播一周（R1+R2）和两周（R3+R4）的面波信号。图2为利用背景噪声观测资料检测到的自由振荡信号，由图可知，尽管在4.5-7mHz频段受减采样滤波器振幅衰减的影响，结果形态略差外，但在2-4.5mHz频段，超导重力仪能够像STS-1地震仪那样清晰显示高信噪比的自由振荡信号。图3为面波群速度频散曲线的测量结果，使用的是图1中由相位自相关方法（PAC）提取到的R1+R2面波信号（蓝线），从图中可以看出，超导重力仪与同址观测的地震仪结果，以及由PREM（Preliminary Reference Earth Model）地球模型计算得到的理论值之间均较为一致。本项研究成果可拓展到沿两个台站间传播的长周期面波信号的提取，为联合重力与地震技术开展地球深内部结构与动力学问题探索提供了有效途径。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "该研究成果近日以Extracting Long‐Period Surface Waves and Free Oscillations Using Ambient Noise Recorded by Global Distributed Superconducting Gravimeters为题发表在国际期刊Seismological Research Letters上。该研究得到了国家自然科学基金委项目资助。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "a href="https://pubs.geoscienceworld.org/ssa/srl/article-abstract/91/4/2234/586589/Extracting-Long-Period-Surface-Waves-and-Free?redirectedFrom=fulltext" target="_self" style="color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline "span style="color: rgb(0, 112, 192) "论文链接 /span/a/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/0baba778-f0a9-49c1-8aef-9b035a744ede.jpg" title="图1.png" alt="图1.png"//pp/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "图1 不同台站超导重力仪与地震仪同址观测到的地球长周期面波信号（SG表示超导重力仪，STS-1表示地震仪；红线表示未扣除地震影响的结果，蓝线表示扣除地震影响后的结果；PAC表示相位自相关方法，CAC表示传统自相关方法；CAN和CB、SUR和SU、BFO和BF_L表示各同址观测台站） /pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/23149ab6-57bc-4df9-9eab-bdebba5632f1.jpg" title="图2.png" alt="图2.png"//pp/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "图2 利用扣除地震影响后的背景噪声数据提取到的自由振荡信号（红色竖线为自由振荡理论频率，各字符缩写含义同图1） /pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/60d74da6-0a80-489f-93e5-ec5d004b2405.jpg" title="图3.png" alt="图3.png"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "图3 群速度频散曲线结果对比（（a）中黑色实线表示由PREM地球模型计算得到的理论频散曲线，各字符缩写含义同图1） 　/ppbr//p