Гравіметр абсолютно ідеальний

Гравіметр — це прилад, за допомогою якого можна дуже точно виміряти силу тяжіння Землі. Існує багато типів гравіметрів. Їх розміщують на землі, на борту кораблів, літаків, супутників і навіть дронів. «Найточніші (лабораторні) гравіметри досягають точності менше ніж 10 нм/с.²тобто 10 у ступені -9 м/с². Це приблизно відповідає силі тяжіння людей, що стоять на відстані 1 метра один від одного. Підняття такого точного гравіметра лише на один сантиметр викликає вимірну зміну показань, коли прилад віддаляється від центру маси Землі», – пояснює доктор Пшемислав Диковський з Інституту геодезії та картографії в інтерв’ю Nauka w Polsce.

Коли в лютому минулого року два сильні землетруси сталися в центральній Туреччині, два гравіметри в геодезичній і геофізичній обсерваторії Борова Гура (на північ від Варшави) – як квантовий гравіметр AQG-B07, так і надпровідний гравіметр iGrav-027 – зафіксували зміни в прискоренні сили тяжіння, спричинені сейсмічними хвилями. . «(…) гравіметричні записи були спотворені протягом багатьох годин до межі вимірювальних можливостей обох приладів», — повідомляє ІГіК на своєму сайті.

ПРИТЯЖЕННЯ ЗЕМЛІ – ЧИ ЗМІНЮЄТЬСЯ ВОНО?

Сила тяжіння Землі — професійно звана «прискоренням тяжіння» — це сума гравітаційного тяжіння Землі та відцентрової сили, викликаної її обертанням навколо власної осі. Відцентрова сила, що діє на будь-який об’єкт на Землі, тим більше, чим більше відстань від осі обертання – вона дорівнює нулю на полюсах і максимальна на екваторі. Це не змінює тяжіння на полюсах, але спричиняє його зменшення на екваторі.

Додатковим ефектом відцентрової сили є незначне сплощення тіла Землі (полярний радіус приблизно на 21 км менший за екваторіальний), що в свою чергу означає, що на екваторі сила гравітаційного тяжіння дещо менша, оскільки сила тяжіння зменшується. з відстанню від центра Землі. «Результуюча сила тяжіння, що діє на поверхню Землі, тому не є постійною, вона сильно залежить від широти та висоти над рівнем моря. Сила тяжіння Землі (на рівні моря) змінюється від значення приблизно 9,78 м/с.² (на екваторі) приблизно до 9,83 м/с² (на полюсах). Кожна маса важить приблизно 0,5% на екваторі. менше, ніж важив би на полюсах, тобто приблизно 0,5 кг на кожні 100 кг маси тіла», – пояснює д-р Марцін Сенковський з Центру геодезії та геодинаміки IGiK.

Точні вимірювання також дозволяють спостерігати вплив на величину притягання Землі: положення Місяця відносно Землі та Землі відносно Сонця, зміни атмосферного тиску, зміни рівня ґрунтових вод, зміни висоти над рівнем моря. рівень моря та антропогенні фактори – кар’єри, споруди або штучні водойми.

ЯК І ЯК ТОЧНО ВИМІРЮЄТЬСЯ СИЛА ЗЕМНОГО ТЯЖІННЯ

Сучасні технології дозволяють дуже точно вимірювати силу тяжіння. Їх вимірюють за допомогою гравіметрів. За способом вимірювання їх поділяють на т. зв абсолютний і відносний. Перші вимірюють значення прискорення сили тяжіння в певному місці, другі вимірюють лише різницю в силі тяжіння між різними місцями або відстежують її зміну в часі в одному місці. За конструкцією розрізняють механічні гравіметри (абсолютні за методом вільного падіння, відносні пружинні гравіметри) і «немеханічні» — надпровідні та квантові.

Серед абсолютних гравіметрів переважають механічні гравіметри, які використовують вільне падіння у вакуумі, т.зв. тестова маса – невелике дзеркало, положення якого відстежується в просторі та часі за допомогою лазерного інтерферометра та атомного еталона часу з точністю до нанометрів (10 в степені -9 м) і наносекунд (10 в степені -9 с) , відповідно. Вже кілька років з’являються перші комерційні абсолютні квантові гравіметри, в яких тестовою масою є хмара атомів, охолоджена до температури в кілька мікрокельвінів (-273,15 градусів С, близька до так званого абсолютного нуля), і значення прискорення визначається на основі “явища інтерференції хвиль матерії, описаного квантовою механікою”, повідомляє доктор Диковскі.

Переважна більшість відносних гравіметрів — це пружинні гравіметри, принцип роботи яких, простіше кажучи, полягає у зчитуванні довжини пружини, навантаженої масою. Незважаючи на те, що вони дуже точні, вони мають недолік, який полягає в «старінні» самої пружини – швидкої поступової зміни її механічних параметрів – що впливає на результат вимірювання. «Ефект «старіння» зведений до мінімуму в надпровідних гравіметрах, в яких роль пружини бере на себе надзвичайно стабільне магнітне поле. Воно генерується надпровідними котушками, поміщеними в контейнер, занурений у рідкий гелій при температурі близько 4 К ( 269 ​​C). Завантажувальною масою в цьому випадку є куля, що левітує, зроблена з ніобію», – каже д-р Сенковскі.

Зараз у Польщі є чотири прилади, за допомогою яких можна виконувати найточніші вимірювання сили тяжіння:

– Гравіметр абсолютний А10 (S/N 020) – механічний, Інституту геодезії та картографії (ІГіК),

– абсолютний гравіметр FG5 (S/N 230) – механічний, що належить факультету геодезії та картографії Варшавського технологічного університету,

– абсолютний квантовий гравіметр AQG (S/N B07), що належить ІГіК,

– Надпровідний гравіметр iGrav (S/N 027), що належить IGiK, постійно встановлений у Геодезичній та Геофізичній Обсерваторії Борова Гура.

НАВІЩО ВИМІРЮВАТИ ЗЕМНУ ГРАВІТАЦІЮ?

«У геодезії одним із ключових застосувань вимірювання сили тяжіння є визначення так званого геоїда, який у найпростішому розумінні є поверхнею, яка є продовженням рівня океану нижче поверхні суші. Геоїд є основою глобальної висоти Щоб досягти цього, значення прискорення сили тяжіння встановлюється в опорних точках так званої гравіметричної матриці. Польська гравіметрична матриця має майже 200 точок, у яких вимірювання абсолютними гравіметрами повторюються кожні кілька років», – каже доктор англ. Диковський.

У геофізиці та геології гравіметри використовують для т. зв неінвазивні пошуки з виявленням ділянок із іншою щільністю підземних структур, ніж очікувалося, що, у свою чергу, може вказувати на наявність покладів сировини. У метрології гравіметричні вимірювання важливі для еталонів одиниць вимірювання, таких як маса, сила або тиск. У повсякденному житті ми використовуємо знання про гравітацію, наприклад, використовуючи ваги, калібрування яких вимагає знання прискорення сили тяжіння.

“Точне знання поля сили тяжіння також важливе в обороні – воно дозволяє точно розрахувати траєкторію польоту балістичних об’єктів. У наукових дослідженнях вимірювання сили тяжіння дозволяють розширити знання в галузі гідрології (моніторинг змін мас підземних вод, як на локального, регіонального та глобального масштабу), вулканології (підземні рухи гірських масивів – магми) або сейсмології. Надпровідні гравіметри не менш чутливі, ніж сейсмометри вищого класу. Іноді трапляється, що сильні землетруси серйозно заважають інтерпретації результатів гравіметричних вимірювань. . З іншого боку, це дозволяє проводити дослідження, які використовують гравіметричні записи для сейсмічного аналізу», – зазначає д-р Сенковскі.

У 2017-2022 роках в Інституті геодезії та картографії було створено Науково-дослідний інфраструктурний центр гравіметричних спостережень (CIBOG), який реалізується в рамках європейського проекту EPOS-PL. Його мета – зібрати й проаналізувати точні вимірювання прискорення сили тяжіння, виконані в Польщі, і зробити їх доступними для дослідницьких і наукових цілей.

Наука в Польщі

бар/ зан/