Гравиметрия

Гравитационные аномалии Земли (по данным спутниковой миссии GRACE)

Гравиме́трия (от Шаблон:Lang-la — «тяжёлый» и Шаблон:Lang-el — «измеряю»); геодезическая гравиметрия, гравитационное зондирование) — наука об измерении величин, характеризующих гравитационное поле Земли и других небесных тел.

История

Первое измерение силы тяжести выполнил Галилей, измерив путь, пройденный падающим телом за первую секунду падения.

Задачей ранних измерений было определение гравитационной постоянной (g) как фундаментальной константы. О том, что сила тяжести на Земле изменяется в зависимости от широты места, стало известно в 30-х годах XVII века. Измерения выполняли нитяными маятниками длиной 1-2 метра. Замечательное свойство маятника выполнять колебания длительное время, позволяющее найти с приемлемой точностью период колебаний, стало причиной господства маятникового метода в гравиметрии вплоть до середины XX века.

Теоретические основы

Сила тяжести, то есть сила, действующая на единичную массу на Земле, складывается из сил тяготения и силы инерции (центробежной силы), вызванной вращением Земли:

$\overrightarrow{F}=-G\mu \underset{M}{\int }\frac{dm}{R^2}\frac{\overrightarrow{R}}{R}+\mu (\overrightarrow{\omega }\times \overrightarrow{r})\times \overrightarrow{\omega }$,

где $G$ — гравитационная постоянная, $\mu$ — единичная масса, $dm$ — элемент массы Земли, $\overrightarrow{R}=\overrightarrow{r}-{\overrightarrow{r}}^{\prime };\overrightarrow{r},{\overrightarrow{r}}^{\prime }$ — радиус-векторы точки измерения и элемента массы, $\overrightarrow{\omega }$ — угловая скорость вращения Земли; интеграл берётся по всем массам.

При гравиметрических наблюдениях посредством спутников объектом измерения является лишь поле тяготения Земли или другой планеты, то есть первый член.

Потенциал поля силы тяжести $\mathrm{\Omega }$ определяется соотношением:

$\mathrm{\Omega }=G\underset{M}{\int }\frac{dm}{R}+\frac{{\omega }^2{r}^2}{2}{\cos }^2\phi$,

где $\phi$ — широта точки измерения.

Условие постоянной силы тяжести $\mathrm{\Omega }=const$ определяет множество эквипотенциальных поверхностей — т. н. уровненных поверхностей; уровненная поверхность, для которой сила тяжести совпадает с силой тяжести на среднемноголетнем (невозмущённом) уровне моря называется геоидом.

Для удобства представления, не зависящего от локального распределения масс, силу тяжести делят на два компонента: нормальную часть $\gamma$, представляющую силу тяжести однородного референц-эллипсоида (то есть эллипсоида вращения с массой и скоростью вращения, равным земным, и максимально соответствующего геоиду), и аномальную $\mathrm{\Delta }g$, равную разнице между наблюдаемой $g$ и нормальной силами тяжести $\mathrm{\Delta }g=g-\gamma$.

В международной гравиметрической системе IGSN 71 для нормальной силы тяжести принята формула с поправочными коэффициентами, определёнными по совокупности гравиметрических данных на 1967 г.:

$\gamma =9,780318(1+0,005302{\sin }^2\phi -0,0000059{\sin }^{2}2\phi )$ м / с².

Предмет и применение гравиметрии

Гравиметрия рассматривает теории и методы измерения силы тяжести для решения различных задач геодезии, геофизики и других наук о Земле.

Гравиметрия в геодезии

Основное содержание гравиметрии в геодезии — теории и методы определения внешнего поля потенциала и силы тяжести Земли (g) по измерениям на земной поверхности и по астрономо-геодезическим данным. Гравиметрия в геодезическом контексте включает в себя теорию нивелирных высот и обработку астрономо-геодезических сетей. Одно из основных геодезических приложений гравиметрии — построение моделей геоида. Точное знание геоида необходимо, в частности, в навигации — для пересчёта геодезических (эллипсоидальных) высот, непосредственно измеряемых GPS-приёмниками, в высоты над уровнем моря, а также в физической океанологии — для определения высот морской поверхности.

Гравиметрия в геофизике

В геофизике гравиметрия используется в целях исследования внутреннего строения Земли, а также других планет. В контексте разведочной геофизики гравиметрия обычно называется гравиразведкой.

Гравиметрия в других науках о Земле

С запуском спутниковой миссии GRACE в 2002 г. впервые появилась возможность измерять временны́е изменения земного поля тяготения в региональном масштабе. Эти измерения позволяют, в частности, получать дополнительную информацию о процессах, связанных с изменением климата.

Единицы измерения и стандарты

Единицей измерения в гравиметрии является гал (русское обозначение: Гал; международное: Gal), равный 1 см/с². Названа в честь итальянского учёного Галилео Галилея. В начале XX века был определён абсолютный стандарт силы тяжести Земли, основанный на гравиметрических измерениях в Потсдаме (сила тяжести в Потсдаме — 981 274 мГал), однако уже в 30-е годы XX века были получены данные о том, потсдамский стандарт завышен на 13—14 мГал. Результатом стало создание единой мировой опорной гравиметрической сети International Gravity Standardization Net (IGSN), в 1971 г. она была принята вместо потсдамской системы (стандарт IGSN 71), в которой абсолютный стандарт силы тяжести Земли, не привязанный к координате, составляет 978 031,8 мГал.

Оборудование

Наземные гравиметрические наблюдения производятся с помощью гравиметров или акселерометров. В гравиметрических наблюдениях посредством спутника используются, как правило, высокоточные измерения его орбиты.

См. также

• Геофизическое исследование
• Изостазия
• Гравиразведка

Литература

• Шаблон:БРЭ
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Хаббард У. Б., Спэттери В. Л. Внутреннее строение Юпитера. Теория гравитационного зондирования // Юпитер. — М., 1978.
• Сукач М. К. Гравитационное зондирование грунтов. — Киев: Наукова думка, 1998. — ISBN 966-00-0462-1.
• Шаблон:Книга

Ссылки

• International Gravimetric Bureau (Международное гравиметрическое бюро)
• Гравиразведка. Магниторазведка (обзор литературы)
• Спутниковая гравитационная разведка (НАСА)
• Лаборатория гравиметрии Московского Государственного Астрономического Института им. Штернберга Московского Государственного Университета им. Ломоносова