Гравиметрия — это измерение силы гравитационного поля . Гравиметрия может использоваться, когда интерес представляют либо величина гравитационного поля, либо свойства материи, ответственной за его создание. Изучение изменений гравитации относится к геодинамике .
Гравитация обычно измеряется в единицах ускорения . В системе единиц СИ стандартной единицей ускорения является метр в секунду в квадрате (м/с 2 ). Другие единицы включают галлон СГС (иногда известный как галилео , в обоих случаях с символом Гал), который равен 1 сантиметру в секунду в квадрате, и g ( g n ), равный 9,80665 м/с 2 . Значение g n определяется как приблизительно равное ускорению свободного падения на поверхности Земли , хотя фактическое ускорение немного варьируется в зависимости от местоположения.
Гравиметр — это прибор, используемый для измерения гравитационного ускорения . Каждая масса имеет связанный с ней гравитационный потенциал. Градиент этого потенциала — это сила. Гравиметр измеряет эту гравитационную силу.
Для малого тела общая теория относительности предсказывает гравитационные эффекты, неотличимые от эффектов ускорения по принципу эквивалентности . Таким образом, гравиметры можно рассматривать как акселерометры специального назначения . Многие весы можно рассматривать как простые гравиметры. В одной общей форме пружина используется для противодействия силе тяжести, тянущей объект. Изменение длины пружины может быть откалибровано по силе, необходимой для уравновешивания гравитационного притяжения. Результирующее измерение может быть выполнено в единицах силы (например, ньютон ), однако гравиметры отображают свои измерения в единицах гал (см/с 2 ), [a] и частях на миллион, частях на миллиард или частях на триллион среднего вертикального ускорения относительно Земли.
Хотя по конструкции они похожи на другие акселерометры, гравиметры обычно разрабатываются с расчетом на большую чувствительность. Их первым применением было измерение изменений гравитации из-за различных плотностей и распределения масс внутри Земли, из-за временных приливных изменений в форме и распределении масс в океанах, атмосфере и на Земле.
Разрешение гравиметров может быть увеличено путем усреднения образцов за более длительные периоды. Основными характеристиками гравиметров являются точность единичного измерения (единичного образца ) и частота дискретизации .
например:
Помимо точности , стабильность также является важным свойством гравиметра, поскольку она позволяет отслеживать изменения гравитации . Эти изменения могут быть результатом смещения масс внутри Земли или вертикальных движений земной коры, на которой проводятся измерения. [c]
Первые гравиметры были вертикальными акселерометрами , специализированными для измерения постоянного нисходящего ускорения силы тяжести на поверхности Земли. Вертикальная сила тяжести Земли меняется от места к месту на ее поверхности примерно на ±0,5%. Она меняется примерно на ±1000 нм/с 2 (нанометров в секунду в квадрате) в любом месте из-за изменения положения Солнца и Луны относительно Земли.
Большинство современных гравиметров используют специально разработанные металлические или кварцевые пружины нулевой длины для поддержки испытательной массы. Особое свойство этих пружин заключается в том, что естественный резонансный период колебаний системы пружина-масса может быть сделан очень длинным — приближающимся к тысяче секунд. Это отстраивает испытательную массу от большинства локальных вибраций и механических шумов, увеличивая чувствительность и полезность гравиметра. Кварцевые и металлические пружины выбираются по разным причинам; кварцевые пружины меньше подвержены влиянию магнитных и электрических полей, в то время как металлические пружины имеют гораздо меньший дрейф из-за удлинения с течением времени. Испытательная масса запечатана в герметичный контейнер, так что небольшие изменения барометрического давления от дующего ветра и других погодных условий не изменяют плавучесть испытательной массы в воздухе. Пружинные гравиметры на практике являются относительными приборами, которые измеряют разницу в гравитации между различными местоположениями. Относительный прибор также требует калибровки путем сравнения показаний прибора, снятых в местах с известными абсолютными значениями гравитации.
Абсолютные гравиметры обеспечивают такие измерения путем определения гравитационного ускорения тестовой массы в вакууме. Тестовая масса свободно падает внутри вакуумной камеры, а ее положение измеряется лазерным интерферометром и синхронизируется с атомными часами . Длина волны лазера известна с точностью ±0,025 ppb , а часы стабильны с точностью ±0,03 ppb. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы минимизировать влияние возмущающих сил, таких как остаточное сопротивление воздуха (даже в вакууме), вибрация и магнитные силы. Такие приборы способны обеспечивать точность около 2 ppb или 0,002 мГал [1] и соотносят свои измерения с атомными стандартами длины и времени. Их основное применение — калибровка относительных приборов, мониторинг деформации земной коры и геофизические исследования, требующие высокой точности и стабильности. Однако абсолютные приборы несколько больше и значительно дороже относительных пружинных гравиметров и, таким образом, встречаются относительно редко.
Относительный гравиметр обычно относится к дифференциальным сравнениям силы тяжести от одного места к другому. Они разработаны для автоматического вычитания средней вертикальной силы тяжести. Их можно калибровать в месте, где сила тяжести известна точно, а затем транспортировать в место, где сила тяжести должна быть измерена. Или их можно калибровать в абсолютных единицах в месте их эксплуатации.
Исследователи используют более сложные гравиметры, когда необходимы точные измерения. При измерении гравитационного поля Земли измерения проводятся с точностью до микрогалов, чтобы обнаружить изменения плотности в породах, составляющих Землю. Существует несколько типов гравиметров для проведения этих измерений, включая некоторые, которые по сути являются усовершенствованными версиями пружинных весов, описанных выше. Эти измерения используются для количественной оценки гравитационных аномалий .
Гравиметры могут обнаруживать вибрации и изменения гравитации, вызванные деятельностью человека. В зависимости от интересов исследователя или оператора, это может быть нейтрализовано интегральной виброизоляцией и обработкой сигнала .
Гравиметры были разработаны для установки на транспортных средствах, включая самолеты (обратите внимание на область аэрогравитации [2] ), корабли и подводные лодки. Эти специальные гравиметры изолируют ускорение от движения транспортного средства и вычитают его из измерений. Ускорение транспортных средств часто в сотни или тысячи раз сильнее, чем измеряемые изменения гравитации.
Гравиметр ( Lunar Surface Gravimeter ), установленный на поверхности Луны во время миссии Apollo 17 в 1972 году , не сработал из-за ошибки проектирования. Второе устройство ( Traverse Gravimeter Experiment ) функционировало так, как и предполагалось.
Гравиметры используются для разведки нефти и полезных ископаемых , сейсмологии , геодезии , геофизических исследований и других геофизических исследований, а также для метрологии . Их основная цель — картирование гравитационного поля в пространстве и времени.
Большинство текущих работ проводится на Земле с несколькими спутниками вокруг Земли, но гравиметры также применимы к Луне, Солнцу, планетам, астероидам, звездам, галактикам и другим телам. Эксперименты с гравитационными волнами отслеживают изменения со временем самого гравитационного потенциала, а не градиент потенциала, который отслеживает гравиметр. Это различие несколько условно. Подсистемы экспериментов с гравитационным излучением очень чувствительны к изменениям градиента потенциала. Локальные гравитационные сигналы на Земле, которые мешают экспериментам с гравитационными волнами, пренебрежительно называют «ньютоновским шумом», поскольку расчеты ньютоновской гравитации достаточны для характеристики многих локальных (земных) сигналов. [ необходима цитата ]
Существует множество методов отображения полей ускорения, также называемых полями гравитации . Это включает в себя традиционные 2D-карты, но все чаще 3D-видео. Поскольку гравитация и ускорение — это одно и то же, «поле ускорения» может быть предпочтительнее, поскольку «гравитация» — часто неправильно используемый префикс.
Гравиметры для измерения силы тяжести Земли с максимально возможной точностью становятся все меньше и портативнее. Распространенный тип измеряет ускорение небольших масс, свободно падающих в вакууме , когда акселерометр прочно прикреплен к земле. Масса включает ретрорефлектор и завершает одно плечо интерферометра Майкельсона . Подсчитывая и хронометрируя интерференционные полосы, можно измерить ускорение массы. [3] Более поздняя разработка — это версия «подъема и падения», которая подбрасывает массу вверх и измеряет как восходящее, так и нисходящее движение. [4] Это позволяет устранить некоторые погрешности измерений ; однако гравиметры «подъема и падения» пока не получили широкого распространения. Абсолютные гравиметры используются для калибровки относительных гравиметров, обследования гравитационных аномалий (пустот) и для создания вертикальной контрольной сети .
Методы атомной интерферометрии и атомного фонтана используются для точного измерения гравитации Земли, а атомные часы и специально созданные приборы могут использовать измерения замедления времени (также называемые общей теорией относительности) для отслеживания изменений гравитационного потенциала и ускорения свободного падения на Земле.
Термин «абсолютный» не передает стабильность, чувствительность, точность, простоту использования и пропускную способность прибора. Слова «абсолютный» и «относительный» не следует использовать, когда можно дать более конкретные характеристики.
Наиболее распространенные гравиметры — пружинные . Они используются в гравитационных исследованиях на больших территориях для установления фигуры геоида на этих территориях. По сути, они представляют собой груз на пружине, и, измеряя величину, на которую груз растягивает пружину, можно измерить локальную силу тяжести. Однако сила пружины должна быть откалибрована путем размещения прибора в месте с известным ускорением свободного падения. [5]
Текущим стандартом для чувствительных гравиметров являются сверхпроводящие гравиметры , которые работают путем подвешивания сверхпроводящей ниобиевой сферы в чрезвычайно стабильном магнитном поле ; ток, необходимый для создания магнитного поля, которое подвешивает ниобиевую сферу, пропорционален силе гравитационного ускорения Земли. [6] Сверхпроводящий гравиметр достигает чувствительности 10–11 м·с − 2 (один наногал ), приблизительно одна триллионная (10−12 ) силы тяжести на поверхности Земли. Демонстрируя чувствительность сверхпроводящего гравиметра, Виртанен (2006), [7] описывает, как прибор в Метсахови, Финляндия, обнаружил постепенное увеличение силы тяжести на поверхности, когда рабочие очищали снег с крыши лаборатории.
Наибольшая составляющая сигнала, регистрируемого сверхпроводящим гравиметром, — это приливная гравитация Солнца и Луны, действующая на станцию. Это примерно ±1000 нм/с 2 (нанометров в секунду в квадрате) в большинстве мест. «SG», как их называют, могут обнаруживать и характеризовать земные приливы , изменения плотности атмосферы, влияние изменений формы поверхности океана, влияние давления атмосферы на Землю, изменения скорости вращения Земли, колебания ядра Земли, далекие и близкие сейсмические события и многое другое.
Многие широкополосные трехосевые сейсмометры, которые широко используются, достаточно чувствительны, чтобы отслеживать Солнце и Луну. При работе для регистрации ускорения они являются полезными гравиметрами. Поскольку у них три оси, можно определить их положение и ориентацию, либо отслеживая время прибытия и характер сейсмических волн от землетрясений, либо ссылаясь на приливную гравитацию Солнца и Луны.
Недавно SG и широкополосные трехосевые сейсмометры, работающие в режиме гравиметра, начали обнаруживать и характеризовать слабые гравитационные сигналы от землетрясений. Эти сигналы поступают в гравиметр со скоростью света , поэтому имеют потенциал для улучшения методов раннего оповещения о землетрясениях. Ведется некоторая деятельность по разработке специально разработанных гравиметров с достаточной чувствительностью и полосой пропускания для обнаружения этих быстрых гравитационных сигналов от землетрясений. Не только событий магнитудой 7+, но и более мелких, гораздо более частых событий.
Новые гравиметры MEMS, атомные гравиметры – гравиметры MEMS предлагают потенциал для недорогих массивов датчиков. Гравиметры MEMS в настоящее время являются вариациями акселерометров пружинного типа, где движения крошечной консоли или массы отслеживаются для сообщения об ускорении. Большая часть исследований сосредоточена на различных методах определения положения и движений этих малых масс. [8] В атомных гравиметрах масса представляет собой совокупность атомов.
Для заданной восстанавливающей силы центральная частота инструмента часто определяется как
Термин «силовая константа» изменяется, если восстанавливающая сила является электростатической, магнитостатической, электромагнитной, оптической, микроволновой, акустической или любым из десятков различных способов удержания массы в неподвижном состоянии. «Силовая константа» — это просто коэффициент смещения в уравнении движения:
F — измеряемая сила, а Ф/м — ускорение.
Точные станции GPS могут использоваться в качестве гравиметров, поскольку они все чаще измеряют трехосные положения с течением времени, которые при двойной дифференциации дают сигнал ускорения.
Спутниковые гравиметры GOCE , GRACE в основном работали в режиме гравитационного градиентометра . Они давали подробную информацию о временном гравитационном поле Земли. Модели сферического гармонического гравитационного потенциала постепенно улучшаются как в пространственном, так и во временном разрешении. Взятие градиента потенциалов дает оценку локального ускорения, которое и измеряется массивами гравиметров. Сверхпроводящая сеть гравиметров использовалась для проверки спутниковых потенциалов. Это должно в конечном итоге улучшить как спутниковые, так и наземные методы и взаимные сравнения.
Существуют также переносные относительные гравиметры; они используют чрезвычайно стабильную инерциальную платформу для компенсации маскирующих эффектов движения и вибрации, что является сложным инженерным подвигом. Первые переносные относительные гравиметры, как сообщается, были секретной военной технологией, разработанной в 1950–1960-х годах в качестве навигационного средства для атомных подводных лодок . Впоследствии, в 1980-х годах, переносные относительные гравиметры были реверсивно спроектированы гражданским сектором для использования на судах, затем в воздухе и, наконец, в спутниковых гравиметрических исследованиях. [9]
Микрогравиметрия — важная отрасль, разработанная на основе классической гравиметрии. Микрогравитационные исследования проводятся для решения различных задач инженерной геологии, в основном для определения местоположения пустот и их мониторинга. Очень подробные измерения с высокой точностью могут указывать на пустоты любого происхождения, при условии, что их размер и глубина достаточно велики, чтобы оказывать гравитационное воздействие сильнее, чем уровень достоверности соответствующего гравитационного сигнала.
Современный гравиметр был разработан Люсьеном Лакостом и Арнольдом Ромбергом в 1936 году.
Они также изобрели большинство последующих усовершенствований, включая гравиметр, установленный на судне, в 1965 году, термостойкие приборы для глубоких скважин и легкие переносные приборы. Большинство их разработок используются и по сей день с усовершенствованиями в сборе и обработке данных.
В настоящее время статические и изменяющиеся во времени параметры гравитационного поля Земли определяются с помощью современных спутниковых миссий, таких как GOCE , CHAMP , Swarm , GRACE и GRACE-FO . [10] [11] Параметры низшей степени, включая сплюснутость Земли и движение геоцентра, лучше всего определяются с помощью спутниковой лазерной локации . [12]
Крупномасштабные гравитационные аномалии могут быть обнаружены из космоса, как побочный продукт спутниковых гравитационных миссий, например, GOCE . Эти спутниковые миссии направлены на восстановление подробной модели гравитационного поля Земли, обычно представленной в форме сферически-гармонического расширения гравитационного потенциала Земли, но также производятся альтернативные представления, такие как карты волнистости геоида или гравитационных аномалий.
Эксперимент по восстановлению гравитации и климату (GRACE) состоял из двух спутников, которые обнаружили гравитационные изменения по всей Земле. Также эти изменения можно было представить как временные вариации гравитационной аномалии. Лаборатория по восстановлению гравитации и внутреннему строению (GRAIL) также состояла из двух космических аппаратов, вращающихся вокруг Луны, которые вращались вокруг нее в течение трех лет, прежде чем сойти с орбиты в 2015 году.
Аэрогравитация — это интегрированная система гравиметрических измерений и навигации в реальном времени. При определенных обстоятельствах, как в горных районах, аэрогравитация успешно конкурирует с наземной гравиметрией; последняя страдает от неопределенностей эффектов ближнего поля рельефа. С другой стороны, воздушные гравиметры менее чувствительны к движению платформы и теперь достигают высокой точности [...].
