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1883年法国人动工修建巴拿马运河， 但没成想， 当时只修了个半拉子工程。 只因他们埋头修了四年后才发现一件事： 运河西侧的东太平洋水面， 竟然高出东侧的西大西洋水面5～6米！ 两边的海平面高度不同， 怎么联通就成了难题。 后来，人们发动集体智慧， 终于想到了让海平面高度一致的办法 ——加通湖和船闸。 加通湖湖水平面的海拔约为26米，运河通过船闸，升高到和加通湖湖水平面相同的高度，通过加通湖及相连水道后，再利用船闸降低到海平面高度，从而联通运河东西两侧的海洋。 那么，为什么四大洋虽然联通， 但全球海平面却不一样高呢？ 地球：你们眼中的我，并不是真正的我 地理课本里的地球： 网络图库里的地球： 地球眼里的自己：  点击播放 GIF 1.8M 地球表面并非网络图片上那样“光滑” 在我们生活的这颗星球上，海洋大约占据了总面积的71%。 通常，大家都认为陆地有高低起伏，而海面都是一样高的。 其实不然，研究表明：海洋表面和陆地一样，都存在高低差别，并且主要受重力影响。 既然说海洋表面的高低差别主要受重力影响，那就不得不搬出两个专业名词—— 大地水准面 参考椭球体 大地水准面： 假设海平面（）向陆地（）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（）。 那么，我们就称这个曲面为“水准面”；把与平均海平面最接近的闭合曲面称为“大地水准面”（）。 大地水准面、参考椭球体与实际地形的相对关系 -海水、-椭球体、-重力方向、-实际地形 -大地水准面、-大地水准面相对于椭球体的起伏 参考椭球体： 由于地球引力大小和内部质量的分布有关，所以，大地水准面实际上是一个起伏且不规则的曲面。 想必大家都知道，测量复杂曲面是非常困难的，为了解决这个问题，通常会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。 选择一个合适的椭圆，绕其短轴旋转一周得到椭球体，其表面又称为“参考椭球面”（）。大地水准面的地形起伏也就是相对于参考椭球体的偏离值（）。 参考椭球面和大地水准面的关系 地球的重力场取决于地球内部质量的分布 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。 因此，海底山脉处（重力值高）与深海海沟处（重力值低）的海平面就会根据重力值的不同而升高或降低。 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”的问题也就等同于“全球大地水准面是否一样高”的问题。 卫星大地测量技术帮我们进一步看清“真相” 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，随着卫星大地测量技术的发展，这个重要概念才被高精度测量。 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却是+85米（新几内亚以东）到-107米（印度南部），总共不到200米。 也就是说，全球海平面的高低差约200米。 全球大地水准面起伏情况 大地水准面的研究价值超乎想象 在预测地震方面： 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%。 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。 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。 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： 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年间，南极冰川每年减少体积约125立方公里。 …… 通过研究高分辨率卫星测量数据，科学家们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。 应用这些有关大地水准面（地球重力场）的高精度数据， 能够帮助科学家在地震预测和气候变化研究方面取得突破性的进展。 由“全球海平面一样高吗？”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我们的宇宙观和生活方式。 本文由国家重点研发计划(2018YFC0310001)、国家地质调查专项（DD20190581）资助 |
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