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問題與回答

關於國家重力基準站與重力量測的常見問題

問題與回答

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Q1 為何要建置國家重力基準站?有何儀器設備?
A: 內政部主管國家測量發展業務,負責建置國家水平、高程及重力等測量基準。自 92 年起陸續引進高科技設備及技術,完成大地(衛星追蹤站)、高程(台灣水準原點)及重力(國家重力基準站)等國家測量基準,作為全國測量實施之基本依據。主要儀器設備包含超導重力儀、相對重力儀、絕對重力儀、空載/船載重力儀、速度地震計、GPS 衛星定位儀及各環境感測儀器(包括資料擷取器、風速風向計、溫溼度計、大氣壓力計、雨量計、水位水溫計與土壤水份計等)。
Q2 為何國家重力基準站建置在新竹十八尖山坑道內?
A: 以盧森堡歐洲重力基準站為例,利用廢棄礦坑擴建完成(http://www.ecgs.lu/)。新竹十八尖山博愛路主坑道,因結構完整、地下水位低、振動相對小及容易到達等特點,並邀請德籍及日籍等多位重力專家會勘評估,意見一致正面。經內政部向國防部商借同意後,辦理「國家重力基準站建置及其儀器設備購置工作」服務建議徵求書,於 93 年 8 月與工研院簽約,95 年 12 月驗收完成。
Q3 如何得到「國家重力基準站」內絕對重力值作為國家重力基準?
A: 使用絕對重力儀在固定重力基台進行至少 12 小時的絕對重力觀測,得到高度 100 公分位置之絕對重力值。其數據皆須改算至特定條件下,才能提供不隨時間改變之絕對重力值。一般測站特定條件為標準大氣壓、無極移、平均地下水位與平均土壤濕度等環境,並移除固體潮及海潮負載等地表時變之重力影響量。在固定重力基台上,再利用相對重力儀量測重力梯度,將高度 100 公分位置之絕對重力值化算至固定重力基台頂面,作為各界引測重力值之依據。
Q4 台灣地區常地震,如何確保「國家重力基準站」內絕對重力值正確?
A: 定期在固定重力基台實施絕對重力觀測,繪製管制圖查核,分析重力異常來源,並定期更新絕對重力值。同時利用超導重力儀的連續重力資料,分析環境變遷所造成的相對重力變化,亦為重要研究課題與佐證。
Q5 「國家重力基準站」組織運作方式?
A: 國家重力基準站最高管理階層為內政部。計畫主持人受內政部委託,負責推動大地測量及地動監測實驗室各項業務,並執行長期重力監測。目前國家重力基準站組織任務詳如組織架構圖。
Q6 相對重力儀與絕對重力儀有什麼差別?
A: 兩者的量測原理不同,所量測獲得之重力值的物理意義也不同。簡單來說,相對重力儀量測到的是測站間重力值的相對差值(或是同一測站不同時間的相對重力差值);絕對重力儀量測到的則是該測站的加速度值,也就是絕對重力值。
Q7 相對重力儀量測原理為何?
A: 以相對重力儀 Graviton-EG 為例,儀器內部有一傾斜的零長彈簧,透過量測彈簧的伸長量(伸長量與重力值成正比),便可量得不同測站(或不同時間)的相對重力差值。
Q8 絕對重力儀量測原理為何?
A: 以絕對重力儀 FG5 為例,絕對重力量測是以量測加速度的距離和時間兩個基本量作為基礎。透過自由落體實驗,並利用精密儀器量測距離與時間的變化關係,即可推求加速度值,亦即絕對重力值。
Q9 相對重力儀使用上有何限制?
A: 以 Graviton-EG 為例,儀器的感應器(彈簧組件)必須保持在約 50 ℃ 的恆溫狀態,因此即使不使用時也須接上電源,量測時則須使用電池供電以維持熱機狀態。若感應器溫度下降,必須熱機 48 小時以上,讓感應器達到穩定工作環境。
Q10 絕對重力儀使用上有何限制?
A: 以 FG5 為例,絕對重力量測必須在 15 ℃ 至 30 ℃ 的環境下進行,並提供 100–240 伏特的穩定電流。此外,強風與微震都會影響觀測數據品質,因此必須盡可能提供防風(室內環境或擋風工具)與防震(穩定地盤或隔震平台)的量測環境。
Q11 什麼是固體潮、海潮?
A: 地球可以視為一個固體,在日、月的引力作用下會產生周期性形變。雖然太陽質量比月球大,但月球距離地球較近,因此月球的引潮力比太陽大(兩者約 2.25 倍的差別)。隨著日、月相對地球的位置變化,地球的形狀也會跟著改變,這就是所謂的固體潮。海邊每日可見的海水漲落同樣受日、月影響,因此海潮也會隨日月位置而改變。
Q12 什麼是超導,它對重力有什麼影響?
A: 超導是指某一物體於低於某一溫度時,電阻變為零的現象,該溫度稱為超導轉變溫度,特徵是零電阻與完全抗磁性。超導重力儀利用此一現象,在無電阻情形下,杜瓦瓶(鋼瓶)內部因超導現象使物體可懸浮於空中;當地底有擾動或質量有變動時,杜瓦瓶內的超導球會產生偏移,外部以線圈圍繞之超導儀便會自動記錄下這種變化。超導重力儀提供之解析力可優於 10⁻¹¹ m/s²,因此能偵測到周圍極微小的變化。
Q13 什麼是海潮模式?有那些海潮模式?
A: 由於不同週期所引起的海潮並不相同,因此可以從週期來分辨不同的海潮模式。例如利用 FES02 海潮模型所繪出的 M2 海潮圖形中,黑色實線為振幅、紅色虛線為相位。除 FES 之外,常見的海潮模式還包括 CSR、TPXO、GOT、ORI 等,主要是利用衛星測高的結果結合週期性的數學模式所組合而成。