Гравиметр - Gravimeter

Эксплуатация гравиметра Autograv CG-5

Гравиметр представляет собой инструмент , используемый для измерения гравитационного ускорения . С каждой массой связан гравитационный потенциал. Градиент этого потенциала - это сила. Гравиметр измеряет эту гравитационную силу.

Первыми гравиметрами были вертикальные акселерометры , предназначенные для измерения постоянного ускорения силы тяжести, направленного вниз на земной поверхности. Вертикальная гравитация Земли меняется от места к месту над поверхностью Земли примерно на ± 0,5%. Он варьируется примерно на ± 1000 нм / с ² (нанометров в секунду в квадрате) в любом месте из-за изменения положения Солнца и Луны относительно Земли.

Переход от названия устройства "акселерометр" к названию его "гравиметром" происходит примерно в той точке, где оно должно делать поправки на земные приливы.

Хотя гравиметры похожи по конструкции на другие акселерометры, они обычно гораздо более чувствительны. Их первое использование состояло в том, чтобы измерить изменения силы тяжести по изменяющейся плотности и распределению масс внутри Земли, по временным « приливным » изменениям формы и распределения массы в океанах, атмосфере и на Земле.

Гравиметры могут обнаруживать колебания и изменения силы тяжести в результате деятельности человека. В зависимости от интересов исследователя или оператора этому может противодействовать встроенная виброизоляция и обработка сигналов .

Разрешающую способность гравиметров можно увеличить за счет усреднения образцов за более длительные периоды. Основными характеристиками гравиметров являются точность единичного измерения (единичный «образец») и частота дискретизации (отсчетов в секунду).

${\ displaystyle {\ text {Resolution}} = {{\ text {SingleMeasurementResolution}} \ over {\ sqrt {\ text {NumberOfSamples}}}}}$

Например:

${\ displaystyle {\ text {Разрешение в минуту}} = {{\ text {Разрешение в секунду}} \ over {\ sqrt {60}}}}$

Гравиметры отображают свои измерения в единицах галлов (см / с ² ), нанометрах в секунду в квадрате и частях на миллион, частях на миллиард или частях на триллион среднего вертикального ускорения относительно Земли. Некоторые новые единицы измерения - пм / с ² (пикометры на секунду в квадрате), фм / с ² (фемто), ам / с ² (атто) для очень чувствительных инструментов.

Гравиметры используются для разведки нефти и полезных ископаемых , сейсмологии , геодезии , геофизических исследований и других геофизических исследований, а также для метрологии . Их основная цель - нанести на карту гравитационное поле в пространстве и времени.

Большинство текущих работ основаны 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 во времени самого гравитационного потенциала, а не градиента потенциала, который отслеживает гравиметр. Это различие несколько произвольно. Подсистемы экспериментов по гравитационному излучению очень чувствительны к изменениям градиента потенциала. Местные гравитационные сигналы на Земле, которые мешают экспериментам с гравитационными волнами, пренебрежительно называются «ньютоновским шумом», поскольку расчетов ньютоновской гравитации достаточно для характеристики многих местных (наземных) сигналов.

Термин « абсолютный гравиметр » чаще всего используется для обозначения гравиметров, которые сообщают о местном вертикальном ускорении, создаваемом землей. Относительный гравиметр обычно относится к дифференциальным сравнениям силы тяжести от одного места к другому. Они предназначены для автоматического вычитания средней вертикальной силы тяжести. Они могут быть откалиброваны в месте, где сила тяжести точно известна, а затем транспортированы в место, где должна быть измерена сила тяжести. Или они могут откалиброваться в абсолютных единицах на своем рабочем месте.

Существует множество методов отображения полей ускорения, также называемых полями силы тяжести . Сюда входят традиционные 2D-карты, но все чаще 3D-видео. Поскольку сила тяжести и ускорение одинаковы, «поле ускорения» может быть предпочтительнее, поскольку «гравитация» часто используется неправильно.

Коммерческие абсолютные гравиметры

Иллюстрация влияния различных подземных геологических особенностей на местное гравитационное поле. Объем с низкой плотностью 2 снижает g, а объем 3 с высокой плотностью увеличивает g.

Гравиметры для максимально точного измерения силы тяжести Земли становятся все меньше и портативнее. Обычный тип измеряет ускорение свободного падения небольших масс в вакууме , когда акселерометр прочно прикреплен к земле. Масса включает в себя ретрорефлектор и ограничивает одно плечо интерферометра Майкельсона . Подсчитывая и синхронизируя интерференционные полосы, можно измерить ускорение массы. Более поздняя разработка - это версия «подъем и падение», которая подбрасывает массу вверх и измеряет как восходящее, так и нисходящее движение. Это позволяет устранить некоторые ошибки измерения , однако гравиметры с функцией подъема и опускания еще не получили широкого распространения. Абсолютные гравиметры используются при калибровке относительных гравиметров, съемке аномалий силы тяжести (пустот) и для создания сети вертикального контроля .

Методы атомного интерферометра и атомного фонтана используются для точного измерения силы тяжести Земли, а атомные часы и специальные инструменты могут использовать измерения замедления времени (также называемые общерелятивистскими) для отслеживания изменений гравитационного потенциала и ускорения свободного падения на Земле.

Термин «абсолютный» не передает стабильность, чувствительность, точность, простоту использования и полосу пропускания прибора. Таким образом, это слово и слово «относительный» не следует использовать, когда можно дать более конкретные характеристики.

Относительные гравиметры

Самые распространенные гравиметры - пружинные . Они используются при гравиметрических съемках больших площадей для определения фигуры геоида на этих площадях. По сути, это груз на пружине, и, измеряя величину, на которую груз растягивает пружину, можно измерить местную силу тяжести. Однако силу пружины необходимо откалибровать , поместив инструмент в место с известным ускорением свободного падения.

В настоящее время стандартом для чувствительных гравиметров являются сверхпроводящие гравиметры , которые работают, подвешивая сверхпроводящую ниобиевую сферу в чрезвычайно стабильном магнитном поле ; ток, необходимый для создания магнитного поля, удерживающего ниобиевую сферу, пропорционален силе гравитационного ускорения Земли. В сверхпроводящем гравиметре достигает чувствительность 10 ^-11 м · ^{с -2} (один nanogal ), примерно один триллионными (10 ^-12 ) поверхность Земли тяжести. Демонстрируя чувствительность сверхпроводящего гравиметра, Виртанен (2006) описывает, как прибор в Метсахови, Финляндия, обнаружил постепенное увеличение поверхностной силы тяжести, когда рабочие убирали снег с крыши лаборатории.

Самая большая составляющая сигнала, регистрируемого сверхпроводящим гравиметром, - это действующая на станцию ​​приливная гравитация Солнца и Луны. 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 изменения формы поверхности океана, влияние давления атмосферы на землю, изменения в скорость вращения Земли, колебания земного ядра, удаленные и близкие сейсмические события и многое другое.

Многие широко используемые широкополосные трехосные сейсмометры достаточно чувствительны, чтобы отслеживать солнце и луну. При работе с сообщением об ускорении они полезны в качестве гравиметров. Поскольку они имеют три оси, их положение и ориентацию можно определить, отслеживая время прибытия и характер сейсмических волн от землетрясений, или соотнося их с приливной гравитацией Солнца и Луны.

Недавно SG и широкополосные трехосные сейсмометры, работающие в гравиметрическом режиме, начали обнаруживать и характеризовать слабые гравитационные сигналы от землетрясений. Эти сигналы поступают в гравиметр со скоростью света , поэтому они могут улучшить методы раннего предупреждения о землетрясениях. Ведется работа по разработке специальных гравиметров с достаточной чувствительностью и шириной полосы для обнаружения этих быстрых гравитационных сигналов от землетрясений. Не только события с магнитудой 7+, но и более мелкие, гораздо более частые события.

Новые МЭМС-гравиметры , атомные гравиметры - МЭМС-гравиметры обладают потенциалом для недорогих массивов датчиков. Гравиметры MEMS в настоящее время представляют собой разновидности акселерометров пружинного типа, в которых движения крошечного кантилевера или массы отслеживаются для определения ускорения. Большая часть исследований сосредоточена на различных методах определения положения и движений этих небольших масс. В атомных гравиметрах масса - это совокупность атомов.

Для заданной восстанавливающей силы центральная частота инструмента часто определяется выражением

${\ displaystyle \ omega = 2 \ pi \ times {\ text {Frequency}} = {\ sqrt {{\ text {ForceConstant}} \ over {\ text {Эффективная масса}}}}}$ (в радианах в секунду)

Термин «силовая постоянная» меняется, если восстанавливающая сила является электростатической, магнитостатической, электромагнитной, оптической, микроволновой, акустической или любым из десятков различных способов удержания массы в неподвижном состоянии. «Силовая постоянная» - это просто коэффициент члена смещения в уравнении движения:

m a + b v + k x + константа = F ( X , t )

м масса, ускорение, б вязкость, v скорость, к постоянной силе, х смещение

F внешняя сила как функция местоположения / положения и времени.

F - измеряемая сила, а F / м это ускорение.

g ( X , t ) = а + б в / м + k x / м + постоянный / м + высшие производные возвращающей силы

Точные GPS-станции могут использоваться как гравиметры, поскольку они все чаще измеряют положения трех осей с течением времени, которые при двукратном дифференцировании дают сигнал ускорения.

Спутниковые гравиметры GOCE , GRACE в основном работают в режиме гравитационного градиентометра . Они дают подробную информацию о гравитационном поле Земли, изменяющемся во времени. Модели сферического гармонического гравитационного потенциала постепенно улучшаются как в пространственном, так и во временном разрешении. Определение градиента потенциалов дает оценку местного ускорения, которое измеряется решетками гравиметров. Сеть сверхпроводящего гравиметра использовалась для подтверждения спутниковых потенциалов. В конечном итоге это должно улучшить как спутниковые, так и наземные методы и взаимные сравнения.

Существуют также переносные относительные гравиметры; в них используется чрезвычайно устойчивая инерционная платформа для компенсации маскирующих эффектов движения и вибрации, что является сложным инженерным подвигом. По сообщениям, первые переносные относительные гравиметры были секретной военной технологией, разработанной в 1950–1960-х годах в качестве средства навигации для атомных подводных лодок . Впоследствии, в 1980-х годах, передвижные относительные гравиметры были реконструированы гражданским сектором для использования на кораблях, затем в воздухе и, наконец, для гравиметрических съемок со спутников.

Смотрите также

• Геофизические исследования
• GOCE Современный спутниковый градиентометр, содержащий пары гравиметров (акселерометров).
• Гравитационная градиентометрия
• Эластогравитация
• Феликс Андриес Венинг Майнес

использованная литература