Русская Википедия:Гравиметрия
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:
- <math>{\vec F} = - G\mu \int\limits_M {{{dm} \over {R^2 }}} {{\vec R} \over R} + \mu ({\vec \omega} \times {\vec r}) \times {\vec \omega}</math>,
- где <math>G</math> — гравитационная постоянная, <math>\mu</math> — единичная масса, <math>dm</math> — элемент массы Земли, <math>\vec R = {\vec r} - {\vec r'}; {\vec r}, {\vec r'}</math> — радиус-векторы точки измерения и элемента массы, <math>{\vec \omega}</math> — 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 <math>\Omega</math> определяется соотношением:
- <math>\Omega = G \int\limits_M {{{dm} \over R} + {{\omega ^2 r^2 } \over 2}\cos ^2 \varphi }</math>,
- где <math>\varphi</math> — широта точки измерения.
Условие постоянной силы тяжести <math>\Omega = const</math> 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 <math>\gamma</math>, представляющую силу тяжести однородного референц-эллипсоида (то есть эллипсоида вращения с массой и скоростью вращения, равным земным, и максимально соответствующего геоиду), и аномальную <math>\Delta g</math>, равную разнице между наблюдаемой <math>g</math> и нормальной силами тяжести <math>\Delta g = g-\gamma</math>.
В международной гравиметрической системе IGSN 71 для нормальной силы тяжести принята формула с поправочными коэффициентами, определёнными по совокупности гравиметрических данных на 1967 г.:
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
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
Шаблон:Выбор языка Шаблон:Разделы геологии Шаблон:Геодезия
