Гравиметрия - Gravimetry
Гравиметрия - это измерение силы гравитационного поля . Гравиметрию можно использовать, когда интересуют либо величина гравитационного поля, либо свойства материи, ответственные за его создание.
Меры измерения
Сила тяжести обычно измеряется в единицах ускорения . В системе единиц СИ стандартной единицей ускорения является 1 метр в секунду в квадрате (сокращенно м / с 2 ). Другие единицы включают cgs gal (иногда известный как галилей , в любом случае с символом Gal), который равен 1 сантиметру в секунду в квадрате, и g ( g n ), равный 9,80665 м / с 2 . Значение g n определяется приблизительно равным ускорению свободного падения на поверхности Земли (хотя значение g зависит от местоположения).
Гравиметры
Инструмент, используемый для измерения силы тяжести, известен как гравиметр . Для небольшого 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 из распространенных форм используется пружина, чтобы противодействовать силе тяжести, притягивающей объект. Изменение длины пружины может быть откалибровано по силе, необходимой для уравновешивания гравитационного притяжения. Результирующее измерение может производиться в единицах силы (например, в ньютонах ), но чаще всего производится в галлонах или см / с 2 .
Когда необходимы точные измерения, исследователи используют более сложные гравиметры. При измерении гравитационного поля Земли измерения проводятся с точностью до микрогалов, чтобы найти изменения плотности в горных породах, составляющих Землю. Для проведения этих измерений существует несколько типов гравиметров, в том числе некоторые из них, которые являются существенно усовершенствованными версиями описанной выше пружинной шкалы. Эти измерения используются для определения аномалий силы тяжести .
Помимо точности , важным свойством гравиметра также является стабильность , поскольку она позволяет отслеживать изменения силы тяжести . Эти изменения могут быть результатом смещения масс внутри Земли или вертикальных движений земной коры, на которой производятся измерения: помните, что сила тяжести уменьшается на 0,03 мГал на каждый метр высоты . Изучение гравитационных изменений относится к геодинамике .
В большинстве современных гравиметров используются специально разработанные металлические или кварцевые пружины нулевой длины для поддержки испытательной массы. Пружины нулевой длины не подчиняются закону Гука ; вместо этого у них есть сила, пропорциональная их длине. Особое свойство этих источников является то , что естественный резонансный период от колебаний системы пружина-масса может быть очень долго - приближается тысячу секунд. Это отстраивает испытательную массу от большинства местных вибраций и механических шумов , повышая чувствительность и полезность гравиметра. Кварцевые и металлические пружины выбирают по разным причинам; кварцевые пружины меньше подвержены влиянию магнитных и электрических полей, в то время как металлические пружины имеют гораздо меньший дрейф (удлинение) со временем. Испытательная масса запечатана в герметичном контейнере, так что крошечные изменения барометрического давления из-за дующего ветра и других погодных условий не изменяют плавучесть испытательной массы в воздухе.
Пружинные гравиметры на практике являются относительными приборами, которые измеряют разницу в силе силы тяжести в разных местах. Относительный прибор также требует калибровки путем сравнения показаний прибора, снятых в местах с известными полными или абсолютными значениями силы тяжести. Абсолютные гравиметры обеспечивают такие измерения, определяя ускорение свободного падения испытательной массы в вакууме. Пробная масса может свободно падать внутри вакуумной камеры, и ее положение измеряется лазерным интерферометром и синхронизируется с атомными часами. Известная длина волны лазера составляет ± 0,025 частей на миллиард, и часы также стабильны до ± 0,03 частей на миллиард. Следует проявлять особую осторожность, чтобы минимизировать влияние возмущающих сил, таких как остаточное сопротивление воздуха (даже в вакууме), вибрация и магнитные силы. Такие инструменты обладают точностью около двух частей на миллиард, или 0,002 мГал, и соотносят свои измерения с атомными стандартами длины и времени . В основном они используются для калибровки соответствующих инструментов, мониторинга деформации земной коры и в геофизических исследованиях, требующих высокой точности и стабильности. Однако абсолютные инструменты несколько больше и значительно дороже, чем относительные пружинные гравиметры, и поэтому относительно редки.
Гравиметры были разработаны для установки в транспортных средствах, включая самолеты (обратите внимание на область аэрогравитации ), 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 превышает измеряемые изменения.
Гравиметр ( Lunar Surface Gravimeter ), развернутый на поверхности Луны во время миссии Apollo 17 , не работал из-за ошибки конструкции. Второе устройство ( эксперимент с гравиметрическим траверсом ) функционировало, как и предполагалось.
Дальнейшая информация
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 .
Разрешение 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).
Например:
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 - pm / s 2 (пикометры на секунду в квадрате), fm / s 2 (femto), am / s 2 (atto) 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 градиент 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 . Это включает в себя традиционные 2D-карты, но все чаще и чаще 3D-видео. Поскольку сила тяжести и ускорение одинаковы, «поле ускорения» может быть предпочтительнее, поскольку «гравитация» часто используется неправильно.
Коммерческие абсолютные гравиметры
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 «взлета и падения», 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 означает стабильности, чувствительности, точности, простоты использования и полосы 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 гравиметрической съемке 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 ± 1000нм/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 трехосевые 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 полосой пропускания 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
- (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, аF/м это ускорение.
- g ( X , t ) = а +б в/м + k x/м + постоянный/м + высшие производные возвращающей силы
Точные GPS-станции можно использовать 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.
Микрогравиметрия
Микрогравиметрия - важная отрасль, развивающаяся на основе классической гравиметрии. Микрогравитационные исследования проводятся для решения различных задач инженерной геологии, в основном, определения пустот и их мониторинга. Очень подробные измерения с высокой точностью могут указывать на пустоты любого происхождения при условии, что размер и глубина достаточно велики, чтобы вызвать гравитационный эффект сильнее, чем уровень достоверности соответствующего гравитационного сигнала.
История
Современный гравиметр был разработан Люсьеном Лакостом и Арнольдом Ромбергом в 1936 году.
Они также изобрели большинство последующих усовершенствований, включая установленный на корабле гравиметр в 1965 году, термостойкие инструменты для глубоких скважин и легкие переносные инструменты. Большинство их проектов по-прежнему используются с уточнениями в сборе и обработке данных.
Спутниковая гравиметрия
В настоящее время статические и изменяющиеся во времени параметры гравитационного поля Земли определяются с помощью современных спутниковых программ, таких как GOCE , CHAMP , Swarm , GRACE и GRACE-FO . Параметры с наименьшей степенью, включая сжатие Земли и движение геоцентра, лучше всего определяются с помощью спутниковой лазерной локации .
Крупномасштабные гравитационные аномалии могут быть обнаружены из космоса как побочный продукт спутниковых гравитационных миссий, например, GOCE . Эти спутниковые миссии направлены на восстановление детальной модели гравитационного поля Земли, обычно представленной в виде сферически-гармонического расширения гравитационного потенциала Земли, но альтернативные представления, такие как карты волн геоида или гравитационных аномалий, также являются произведено.
Гравитация восстановление и климат Эксперимент (GRACE) состоит из двух спутников , которые могут обнаружить гравитационные изменения по всей Земле. Также эти изменения могут быть представлены как временные вариации аномалии силы тяжести. Космический корабль GRAIL также состоял из двух космических кораблей, вращающихся вокруг Луны, которые находились на орбите в течение трех лет до своего ухода с орбиты в 2015 году.
Смотрите также
- Феликс Андриес Венинг Майнес
- Геофизические исследования
- GOCE Современный спутниковый градиентометр, содержащий пары гравиметров (акселерометров).
- Гравитация Земли
- Гравитационная градиентометрия
- Космический аппарат Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) запущен в марте 2002 г.
- Исследователь гравитационного поля и устойчивой циркуляции океана (GOCE), космический аппарат запущен в марте 2009 г.
- Физическая геодезия