Гравиметрия. Гравитационное поле

1.

Гравиметрия
Гравиметрия – наука об измерении величин, характеризующих гравитационное
поле Земли. Гравиметрия используется для измерения и определения геометрических
параметров Земли, геологического строения ее поверхности, изучения ее общего
внутреннего строения и для решения других задач.
Наш соотечественник М.В. Ломоносов, интересуясь проблемами тяготения,
высказал идею измерения силы тяжести. Им был предложен газовый гравиметр –
«универсальный барометр», в котором сила тяжести компенсировалась упругостью
пружины или газа.
Эта идея была воплощена в жизнь только в 20-м веке. Трудность состояла в том,
чтобы точно измерить упругие деформации весьма малой величины. В данный
период для этих целей применяют индукционные, емкостные, фотоэлектрические и
другие методы регистрации.

2.

Чувствительность лучших гравиметров достигает нескольких микрогал.
Напряжённость гравитационного поля на экваторе Земли равна примерно 978 Гал,
на полюсах – 982,5 Гала.
Единицы измерения сила тяжести:
g ≈ 9.8 m s-2
1 Гал = 1 см с-2 = 10-2 м с-2 ≈ 0.001 g
1 мГал = 10-3 см с-2 = 10-5 м с-2 ≈ 10-6 g
1 mГал = 10 нм с-2
Гравитационное поле, или поле тяготения — физическое поле, через которое
осуществляется гравитационное взаимодействие.
В рамках классической физики гравитационное взаимодействие описывается
«законом всемирного тяготения» Ньютона, согласно которому сила
гравитационного притяжения между двумя материальными точками с
массами и пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна
квадрату расстояния между ними:

3.

Здесь
— G гравитационная постоянная , приблизительно равная
6.673 ∗ 10−11 м³/(кг с²),
— R расстояние между точками.

4.

Магнитометрия
Магнитометрия применяется при поисках нефти и газа для широких
исследований на крупных территориях. Этот метод помогает выявить крупные
глубоко погребенные зоны поднятий в изверженных и метаморфических породах,
слагающих фундамент, подстилающий осадочную толщу. Выделение в фундаменте
таких крупных элементов помогает разобраться и в основных чертах строения
осадочной толщи пород.
Современная магнитометрия имеет два типа приборов для измерения
наклонения - инклинаторы стрелочный и индукционный. Инклинатор стрелочный
представляет собой магнитную стрелку с горизонтальной осью вращения,
проходящей через центр тяжести стрелки.

5.

При измерении наклонения находят направление оси, при котором стрелка
располагается вертикально, а затем поворотом оси вращения стрелки на 90°
устанавливают стрелку по магнитному меридиану. Угол между направлением
магнитной оси стрелки и горизонтальной плоскостью соответствует магнитному
наклонению в месте измерения. Предельная точность определения наклонения
стрелочным Инклинатор не превышает ± 2¢.

6.

В основу конструкции индукционного инклинатора ( земного индуктора)
положено явление индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле.
Существенной частью прибора является катушка, вращаемая около одного из
своих диаметров. При вращении такой катушки в магнитном поле земли в ней не
появляется эдс лишь в том случае, когда ее ось вращения совпадает с
направлением поля. Это положение оси, отмечаемое отсутствием тока в
гальванометре, на который замкнута катушка, отсчитывается на вертикальном
круге.

7.

Геофизический
и
геодезический
метод,
заключающийся
в
измерении
поля силы тяжести. Как правило, объектом гравиметрии является Земля,
однако спутники, направляемые к Марсу, Венере, Юпитеру и другим планетам
также могут использоваться для гравиметрических наблюдений.
Гравитационные аномалии Земли
(по данным спутниковой миссии GRACE)

8.

Различные концепции измерения, приводящие к трем
методам изучения поля силы тяжести с помощью спутников
• система спутник – спутник (satellite – to – satellite tracking, SST) из
которых, и один высокий, другой низкий, реализованная в проекте
CHAMP (Challenging Minisatellite Payload);
• система спутник – спутник, в которой оба спутника низкие,
реализованная в
проекте GRACE (Gravity Recovery andClimate Experiment);
• спутниковая градиентометрия, реализуемая в проекте GOCE (Gravity
Field and Steady State Ocean Circulation Explorer);

9.

GOCE – научно-исследовательский спутник, проект ЕКА. Запущен
17 марта 2009 года, прекратил существование 11 ноября 2013 года

10.

GOCE
• Стрелообразная форма спутника;
• Высота его орбиты — около 260 км;
• Солнечно-синхронная орбита, наклонение 96.5"
• Точность определения геоида до 1—2 см на масштабах порядка 100 км.
Данные со спутника GOCE нашли многочисленные применения, в том числе при
изучении опасныхвулканических регионов и прояснении поведения океана.
Динамика океана являлась одной из главных целей спутника. Сопоставляя
полученную информацию о форме геоида с информацией о высоте поверхности
океана, полученной высотометрическими спутниками, учёные смогли проследить
направление и скорость геострофических океанских течений.

11.

GOCE: Аномалии Фая

12.

GRACE
GRACE - спутниковая миссия, направленная на
изучение гравитационного поля Земли и его
временных вариаций, связанных, в частности, с
процессами изменения климата

13.

GRACE
GRACE картографирует гравитационное поле, измеряя положение двух
идентичных спутников, находящихся на полярной орбите на высоте
500 км. Спутники были запущены с космодрома Плесецк 17 марта 2002.
Спутники пролетают над каждым участком Земли приблизительно раз в
месяц, что позволяет прослеживать естественные перемещения масс
По данным GRACE была построена наиболее точная на данный момент
карта глобального гравитационного поля Земли.
По наблюдениям с 2002 по 2005 годы было доказано быстрое таяние
льда Гренландии.
В 2006 группа исследователей во главе с Ralph von Frese и Laramie Potts по
данным GRACE обнаружила в Антарктиде геологическое образование
диаметром около 480 км

14. Последние глобальные модели гравитационного поля

Глобальные гравитационные модели
Model ⇅
Data ⇅
Reference ⇅
Year▼
Degree⇅
GGM05G
2015
240
S(Grace,Goce)
Bettadpur et al, 2015
GOCO05s
2015
280
S(see model)
Mayer-Gürr, et al. 2015
GO_CONS_GCF_2_SPW_R4
2014
280
S(Goce)
Gatti et al, 2014
EIGEN-6C4
2014
2190
S(Goce,Grace,Lageos),G,A
Förste et al, 2014
ITSG-Grace2014s
2014
200
S(Grace)
Mayer-Gürr et al, 2014
GO_CONS_GCF_2_TIM_R5
2014
280
S(Goce)
Brockmann et al, 2014
JYY_GOCE04S
2014
230
S(Goce)
Yi et al, 2013
GOGRA04S
2014
230
S(Goce,Grace)
Yi et al, 2013
EIGEN-6C3stat
2014
1949
S(Goce,Grace,Lageos),G,A
Förste et al, 2012
ITG-Goce02
2013
240
S(Goce)
Schall et al, 2014
GO_CONS_GCF_2_TIM_R4
2013
250
S(Goce)
Pail et al, 2011
EIGEN-6C2
2012
1949
S(Goce,Grace,Lageos),G,A
Förste et al, 2012
EIGEN-51C
2010
359
S(Grace,Champ),G,A
Bruinsma et al, 2010
EIGEN-CHAMP05S
2010
150
S(Champ)
Flechtner et al, 2010
ITG-Grace2010s
2010
180
S(Grace)
Mayer-Gürr et al, 2010
EIGEN-5C
2008
360
S(Grace,Lageos),G,A
Förste et al, 2008
2008
2007
2190
180
S(Grace),G,A
S(Grace)
Pavlis et al, 2008
Mayer-Gürr et al, 2007
EGM2008
ITG-Grace03
*
(Data: S = Satellite Tracking Data, G = Gravity Data, A = Altimetry Data)

15.

Наиболее детальные глобальные модели
гравитационного поля
• ITG-GRACE03S – спутниковая (данные GRACE)
Комбинированные
• EGM2008 = ITG-GRACE03S + рельеф ETOPO1 +
осредненные
гравитационные аномалии 5’x5’
• WGM2012 = EGM2008 + DTU10 + рельеф ETOPO1
• EIGEN-6C4 = EGM2008 + DTU10+ LAGEOS + GRACE + GOCE + ETOPO1
Комбинированные морские
• DNSC08, DTU10, DTU13 - EGM2008 , Cryosat, Jason
(альтиметрия 1’х1’)

16.

EGM2008
• Earth Gravitational Model 2008
• Гравитационная модель земли (степени 2160 )
Основные разработчики N.K. Pavlis ,
S.A. Holmes , S.C. Kenyon , J.K. Factor

17.

WGM2012
WGM2012 - глобальная модель гравитационных аномалий
(редукция Буге, изостатическая и редукция в свободном воздухе)
высокого разрешения (2 угловые минуты), вычисленную на сферической
геометрии.
Создатель: Международное Бюро Гравиметрии (BGI)
Сотрудничество с международными организациями
Комиссия по геологической карте Мира (CGMW)
ЮНЕСКО
Международной ассоциации геодезии (IAG)
Международного союза геодезии и геофизики (IUGG),
Международного союза геологических наук (IUGS)
Производная от гравитационных моделей EGM2008 и DTU10 и включают
поправки за рельеф 1-минутного разрешения, полученные с
использованием модели рельефа ETOPO1.