GRACE项目测得的地球重力异常分布图，图中蓝色代表负重力异常，红色代表正重力异常（图片来源：wikipedia）
撰文 | 二七
审校 | 王昱
2002年3月，两颗卫星从俄罗斯普列谢茨克航天发射基地升空。虽然它们的外观一模一样，却常常被分别称为汤姆（Tom）和杰瑞（Jerry），灵感来自经典动画片《猫和老鼠》。
在动画里，汤姆猫一直追在杰瑞鼠的身后，而在太空中，这两颗卫星也一直保持着大约220千米的间距，在同一轨道上一前一后地飞行。与此同时，一套精密的微波测距系统，时刻监视着两颗卫星之间的距离。这对卫星共同组成了一项名为重力恢复与气候实验（Gravity Recovery and Climate Experiment，GRACE）的重要任务，负责监测地球重力场的变化。
如果地球是一个均匀、完美的球体，那么地球表面任意一处的重力加速度都应当是相同的。但事实上，地貌的起伏、潮水的涨退，还有板块运动等等因素，都会导致地球内部的质量分布不均匀。这样的质量变化也会体现在地球的重力场上，让重力场不断随时间和空间而波动。这些变化也被称为“重力异常”，GRACE的任务，正是监测地球重力场的变化。
图片来源：NASA
原理非常巧妙，当卫星杰瑞飞过一处质量集中的地区，比如一处巨大的山脉，它受到的引力变大，就会被突然“拉”一把，与卫星汤姆的距离会被暂时拉大。反之亦然。因此，通过精确记录两颗卫星之间的距离变化，科学家就能反推出下方地球的质量分布。
自2002年升空到2017年退役，GRACE为观察全球水循环提供了一个全新的视角（2018年5月，GRACE-FO发射升空，延续了GRACE的使命）。它帮助我们追踪地下水的变化、冰盖的融化、全球海平面的波动，甚至海洋环流的变化。
然而，一组地球物理学家在梳理GRACE的数据时，意外发现了一个截然不同的重力异常信号。这个信号很可能并非来源于地球表面的水体，反而揭露了一场发生在地球深处的地幔波动。相关研究已发表于《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）。
范围过大
最剧烈的变化出现在2007年的1月，GRACE的数据显示，在大西洋与非洲大陆交界处，出现了一个明显的正重力异常信号。这个异常区域的覆盖范围极其广阔，延伸了7000千米。更令人困惑的是，这个正异常数据在一年多后迅速消失了。
蓝框圈出的即为此次研究的重力异常区域（图片来源：原论文）
正如前文所说，地球重力场的变化往往会被用来反演水资源分布的变化，这项研究也一样——研究团队首先采用了全球5个水文模型和5个海洋环流模型，将这个重力异常信号与水文、海洋，甚至大气的变化做了对比。
但结果完全对不上，原因很简单，这处重力异常的规模太大了。“即使假设整个非洲和南美大陆都被水体完全覆盖的不现实情景，”论文中写道，“即使是这两个大陆级水体的波动共同作用，也无法在大西洋区域产生7000千米尺度的显著信号。”这促使研究者向地球更深处追溯信号的源头。
向更深处
巧合的是，在此之前，科学家曾经发现，就在2007年前后，在大西洋同一区域，地球磁场也曾出现过一个清晰的异常波动。这成为了另一条指向地球深处的线索，研究者认为，他们发现的重力观测数据或许能与地磁异常相互印证，揭示出故事的全貌。
GRACE卫星监测到的亚马孙地区2004年各月水资源分布图（图片来源：NASA）
故事的核心是一种叫“布里奇曼石”（bridgmanite）的矿物，这也是地球上最丰富的矿物——虽然它基本只存在于下地幔。布里奇曼石通常以钙钛矿结构存在，但在2004年，科学家通过高温高压实验发现，当压力超过120Gpa，温度超过2500开尔文时，布里奇曼石会发生相变，形成一种晶体结构更紧密的形态，这被称为“后钙钛矿结构”（post-perovskite ）。而这种条件通常存在于地核与地幔的交界处。
结构的变化还会导致密度的明显改变。后钙钛矿结构密度更大，这会导致该区域的密度明显增加。同时，周边岩石也会发生轻微位移，最终波及核幔边界。据研究者计算，核幔边界的变形幅度可能会达到10厘米左右。这样的微小变化可能会影响地核中的对流运动，最终引发地磁场异常。
在非洲一个大型低剪切波速带省（LLSVP）底部，研究者观察到了类似的核幔边界和重力变化。（图片来源：原论文）
虽然做出了大胆的猜测，但研究者对这一结论依然非常谨慎。在接受《自然》新闻（Nature news）采访时，这项研究的通讯作者、法国古斯塔夫·埃菲尔大学的地球物理学家伊莎贝尔·潘内特（Isabelle Panet）表示，仍然需要开展更深入的调查，才能确定这一推测是否可靠。
目前，潘内特和同事并没有在GRACE数据中发现其他类似的重力异常信号。但她们相信，这项研究可以帮助地球物理学家更好地理解地球各圈层之间的关系，从地表的流水，到深层的地核。
封面图片来源：Unsplash
参考链接： https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025GL116408 https://en.wikipedia.org/wiki/GRACE_and_GRACE-FO#Instruments https://www.nature.com/articles/d41586-025-03007-6 https://www.sciencealert.com/vast-anomaly-in-earths-gravity-field-signals-shifts-deep-beneath-the-surface