1883年法國人動工修建巴拿馬運河，
但沒成想，
當時只修了個半拉子工程。
只因他們埋頭修了四年後才發現一件事：
運河西側的東太平洋水面，
竟然高出東側的西大西洋水面5～6米！
兩邊的海平面高度不同，
怎麼聯通就成了難題。
後來，人們發動集體智慧，
終於想到了讓海平面高度一致的辦法
——加通湖和船閘。
加通湖湖水平面的海拔約為26米，運河通過船閘，升高到和加通湖湖水平面相同的高度，通過加通湖及相連水道後，再利用船閘降低到海平面高度，從而聯通運河東西兩側的海洋。
那麼，為什麼四大洋雖然聯通，
但全球海平面卻不一樣高呢？
地球：你們眼中的我，並不是真正的我
地理課本里的地球：
網絡圖庫裡的地球：
地球眼裡的自己：
地球表面並非網絡圖片上那樣“光滑”
在我們生活的這顆星球上，海洋大約佔據了總面積的71%。
通常，大家都認為陸地有高低起伏，而海面都是一樣高的。
其實不然，研究表明：海洋表面和陸地一樣，都存在高低差別，並且主要受重力影響。
既然說海洋表面的高低差別主要受重力影響，那就不得不搬出兩個專業名詞——
大地水準面
參考橢球體
▶ 大地水準面：
假設海平面（①）向陸地（④）延伸，最終形成一個圍繞地球的曲面，在這個面上海水是靜止不流動的，面上的所有點都具有相同的重力（③）。
那麼，我們就稱這個曲面為“水準面”；把與平均海平面最接近的閉合曲面稱為“大地水準面”（⑤）。
大地水準面、參考橢球體與實際地形的相對關係
①-海水、②-橢球體、③-重力方向、④-實際地形
⑤-大地水準面、⑥-大地水準面相對於橢球體的起伏
▶ 參考橢球體：
由於地球引力大小和內部質量的分佈有關，所以，大地水準面實際上是一個起伏且不規則的曲面。
想必大家都知道，測量複雜曲面是非常困難的，為了解決這個問題，通常會選取一個表面非常接近大地水準面的標準幾何形體來代替。
選擇一個合適的橢圓，繞其短軸旋轉一週得到橢球體，其表面又稱為“參考橢球面”（②）。大地水準面的地形起伏也就是相對於參考橢球體的偏離值（⑥）。
參考橢球面和大地水準面的關係
地球的重力場取決於地球內部質量的分佈
當存在正重力異常（質量過剩）時，大地水準面高於參考橢球面，也即海水在較大重力作用下聚集於某處，使得該處的海平面高於平均海平面。
當存在負重力異常（質量虧損）時，大地水準面低於參考橢球面，也即海水在向周圍擴散，使得該處的海平面低於平均海平面。
因此，海底山脈處（重力值高）與深海海溝處（重力值低）的海平面就會根據重力值的不同而升高或降低。
在大洋中，大地水準面基本代表了平均海平面，因此，“全球海平面是否一樣高”的問題也就等同於“全球大地水準面是否一樣高”的問題。
衛星大地測量技術幫我們進一步看清“真相”
儘管在近200年的大地測量和地球物理學史上，大地水準面一直是一個重要的概念。
但直到20世紀末，隨著衛星大地測量技術的發展，這個重要概念才被高精度測量。
眾所周知，地球的最高峰珠穆朗瑪峰（+8843米）和最深的海溝馬裡亞納海溝（-11034米）的高差近20000米。
但根據最新衛星測量數據計算得出：大地水準面的最大偏移量卻是+85米（新幾內亞以東）到-107米（印度南部），總共不到200米。
也就是說，全球海平面的高低差約200米。
全球大地水準面起伏情況
大地水準面的研究價值超乎想象
▶ 在預測地震方面：
研究表明，
大地水準面變化與98%以上的9級以上地震有關，
與8.8級地震的相關度約為60%，
與8.6級地震的相關度約為40%，
與8.3級地震的相關度約為33%。
地震準確預測是世界級的難題，但通過對地震地區的大地水準面和精細重力場的觀測，科學家比以往任何時候都更接近準確預測地震。
最新的重力監測衛星（GOCE和GRACE衛星）已經能夠觀察到某地區水準面（重力場）隨時間的輕微變化。
假以時日，曾經被視為不可預測的地震難題也有望獲得進展。
▶ 在氣候變化方面：
據歐空局的CRYOSAT衛星監測，
2009年至2012年間，南極洲西部的冰層融化導致該地區的重力場下降。
自2009年以來，從南極西部冰蓋每年消失速度增加了三倍。
2011年到2014年間，南極冰川每年減少體積約125立方公里。
……
通過研究高分辨率衛星測量數據，科學家們可以觀察冰川系統中的實時變化，從而對極地冰量有更深入的瞭解。
應用這些有關大地水準面（地球重力場）的高精度數據，
能夠幫助科學家在地震預測和氣候變化研究方面取得突破性的進展。
由“全球海平面一樣高嗎？”這個問題引申出來的許多海洋觀測、氣候環境變化等科學問題正逐漸成為科研前沿。
隨著觀測手段的不斷進步，這些前沿科學的研究也將深刻地改變我們的宇宙觀和生活方式。
本文由國家重點研發計劃(2018YFC0310001)、國家地質調查專項（DD20190581）資助
圖文：廖 晶（中國地質調查局 青島海洋地質研究所）
排版：譚 陽
審核：潘文霞
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