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地球的质心并非固定不动。随着水、冰和大气在地球上随季节迁移，它们重新分配了足够大的重量，使地球质心相对于其几何中心来回移动，幅度可达数毫米。这一微小运动对卫星导航和地表高程测量至关重要，因为地球质心是这些测量的基本参考点。然而，精确测定这一运动的幅度一直是个难题——2017年和2023年两次国际估算结果相差0.27英寸（7毫米），几乎与科学家试图测量的运动本身一样大。

为缩小这一不确定性，NASA喷气推进实验室（JPL）地球科学家Donald Argus领导团队开发了一种新方法，相关成果发表于《Geophysical Journal International》。该研究不仅精确量化了地球质心的季节性振荡，还追溯了其三大主要来源：海洋、大气和大陆水（包括陆地冰、积雪、湖泊河流水、土壤水分和地下水）。

卫星激光测距与多源数据融合突破精度瓶颈

科学家长期利用卫星确定地球质心的位置。1976年和1992年发射的两颗密集金属卫星——激光地球动力学卫星（LAGEOS 1和2）——就是专门为此设计的。它们形似900磅（408公斤）的迪斯科球，表面覆盖反射棱镜。遍布20多个国家的地面站向卫星发射激光，并精确测量返回信号。

然而，激光跟踪站全球分布不均，这限制了测量精度。新方法从两方面解决了这一局限：首先，研究人员将激光测量与GPS跟踪及多颗低地球轨道卫星的轨道信息相结合，扩大了可跟踪物体的范围；其次，他们考虑了水和冰的重量变化如何使地壳弯曲，这意味着地面站本身也会随着其下方地表的变化而轻微移动。

Argus与JPL卫星轨道确定团队、内华达大学、蒙大拿大学和德国亥姆霍兹地球科学中心的科学家合作开发了这项技术。Argus表示：“我们现在估算地球质心每年来回运动的幅度约为八年前我们认为的一半。我们的发现表明，地球水和大气在半球间迁移的质量比之前认为的要小。”

尽管涉及的距离极小，但其重要性远超实验室范畴。研究共同作者、JPL的Felix Landerer指出：“虽然这些运动看似微小，但我们的现代世界依赖于极其精确的定位测量。通过解开和理解改变参考系统的机制，我们可以构建更好的参考系统，最终惠及测绘和导航——从全球航运物流到精准农业。”

积雪、降雨与海洋驱动地球质量平衡

研究人员追踪了地球质心的季节性运动，并将其追溯到三大来源：海洋、大气和大陆水。这些效应随着水和空气在全球不同地区的积累而全年变化。

北美和欧亚大陆的积雪在3月达到最大积累量。这些增加的质量使地球质心向北极偏移约3毫米。4月，亚马逊河流域的雨水达到季节性峰值，蓄水约2400吉吨。这一巨大的水集中使地球质心向南美偏移2.2毫米。另一个贡献出现在下半年：东南亚季风降水在11月达到600吉吨的峰值，比亚马逊最大值晚六个月，为年度运动增加了较小的量。

海水在季节性偏移中也扮演重要角色。从8月到10月，融水和降雨为海洋增加质量，推动地球质心向南太平洋移动。由于太平洋极其广阔，其质量变化可能超过其他海盆的增减。即便如此，地中海、红海、北海、波罗的海和巴伦支海的季节性变化各自对地球质心运动也有较小贡献。

大气为这一循环增添了另一层影响。研究人员使用欧洲中期天气预报中心创建的模型来估算季节性大气变化如何改变地球质心。分析发现，寒冷稠密的冬季空气在每年12月21日左右将平衡推向阿拉伯半岛、亚洲和北非。在6月21日左右，相应的效应发生在南美和南非上空。

GRACE-FO卫星验证质量变化估算

新分析产生的质量估算与重力恢复和气候实验后续任务（GRACE-FO）的观测结果一致。GRACE-FO于2018年发射，由两颗卫星组成，测量地球引力场的月度变化。这种变化的引力很大程度上由地表上下移动的水引起。

这两颗卫星以极其精确的编队飞行。当前导航天器经过一个含有额外质量的区域（如蓄满水的河流流域）时，更强的引力会以微小但可检测的量改变两颗卫星之间的距离。GRACE-FO是NASA与德国地球科学研究中心（GFZ）的合作项目。

科学家已在准备下一代测量任务。GRACE-Continuity（GRACE-C）任务计划于2028年底发射，旨在延续近25年的GRACE系列记录，继续追踪水和质量如何在地球周围移动。这项研究不仅深化了我们对地球动态系统的理解，也为未来更精确的全球参考框架奠定了基础。