VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

История гравиметрии в мире

Первые измерения ускорения силы тяжести были выполнены в 16 веке Галилеем. Он использовал открытый им закон свободно падающего тела, согласно которому тело в первую секунду падения проходит путь, равный половине ускорения силы тяжести. Найденное значение ускорения силы тяжести оказалось довольно грубым, так как метод Галилея требовал очень точного измерения длины и времени, что в 16 веке было невозможно. Кроме того, Галилей не учитывал такой существенный источник ошибок как сопротивление воздуха.

Маятниковый прибор оказался тем самым простым и удобным прибором, который позволил выполнять измерения ускорения силы тяжести, начиная с 17 века вплоть до настоящего времени.

Однако первые маятниковые измерения выполнялись не с целью определения ускорения силы тяжести, а для задания эталона длины. Ускорение силы тяжести принималось величиной постоянной. Сомнения в этом впервые заложил астроном Рише в 1672 году. Он заметил, что длина секундного маятника в Кайене, вблизи экватора, оказалась на 3 мм короче, чем длина этого же маятника вблизи Парижа. На самом же деле изменилась не длина маятника, а ускорение силы тяжести, что в дальнейшем было доказано Ньютоном (1686 г.) и Гюйгенсом (1691г.), которые показали зависимость ускорения силы тяжести от широты наблюдения, формы Земли и от скорости вращения Земли [2].

Рис.1. Маятниковые механизмы

В 1743 году эта зависимость была подтверждена математически строго доказательством теоремы Клеро, состоящей из двух формул: первая формула дает строгую зависимость изменения ускорения нормальной силы тяжести от широты, а вторая - позволяет вычислить сжатие Земли по гравиметрическим данным.

В дальнейшем развитие гравиметрии определяется как техническими возможностями, так и научными задачами геодезии и геофизики, в которых возрастающее влияние начинают оказывать практические задачи геодезических измерений и геофизических исследований.

Особенность развития гравиметрии за последние три столетия состоит в непрерывном расширении изученных территорий континентов и океанов при постоянном повышении точности измерений.

Таким образом, в соответствии с применяемой аппаратурой и решаемыми задачами выделяют четыре этапа развития гравиметрии:

1.становление теоретических основ (17-18 вв.);

2.совершенствование маятниковых приборов и начало их использования в глобальных задачах геодезии и геофизики (18-19 вв.);

3.развитие вариометров и статических гравиметров, региональные гравиметрические съемки для геофизики (первая половина 20 века);

4.развитие баллистических гравиметров и создание прецизионных гравиметрических сетей для решения задач геодезии, геофизики и геодинамики (начиная со второй половины 20 в.) [2].

Наибольшее развитие гравиметрияполучила уже в двадцатом веке.

К концу 80-х - началу 90-х годов прошлого столетия был достигнут большой прогресс в постановке работ по мировой гравиметрической съемке, в которой активное участие принял Советский Союз. Благодаря этому, за указанный период на его территории с помощью высокоточных маятниковых приборов, статических гравиметров и баллистических абсолютных приборов создана надежная опорная гравиметрическая сеть, отвечающая мировым стандартам и хорошо согласованная с мировой гравиметрической системой. Значительный прогресс достигнут также и в гравиметрическом изучении Мирового океана. Проведена планомерная гравиметрическая съемка Арктики и осуществлен большой объем работ по съемке Антарктиды.

В последние годы в связи с широким развитием в мире спутниковых средств измерений и их привлечением к решению задач высшей геодезии в гравиметрии появился новый раздел, называемый спутниковой гравиметрией. Этот раздел занимается созданием и развитием методики получения карт аномалий силы тяжести в свободном воздухе по данным картирования рельефа поверхности океана посредством стационарных спутников. Существенный прогресс в осуществлении данной идеи преобразования высот поверхности океана в гравитационные карты был достигнут после запуска геодезических спутников GEOSAT и ERS-1 (1995 г.). В настоящее время спутниковая гравиметрия располагает точностью 3-7 мГал и разрешением объектов размером 20-30 км. Точность метода существенно возрастает при совместном использовании результатов спутниковых измерений с данными локальных гравиметрических съемок [3].

После запуска специальных спутников, приспособленных для лазерных и дальномерных измерений, открываются также значительные перспективы в определении глобальных гравитационных моделей, параметры которых устанавливаются путем анализа возмущений орбит этих спутников, наземных гравиметрических данных и данных спутниковой альтиметрии. Потребность в уточнении глобальных гравитационных моделей сохранится в последующие годы и будет связана не только с обеспечением прогноза движения искусственных спутников Земли (ИСЗ) для спутниковой навигации и других баллистических расчетов, но и с решением ряда таких научных и народнохозяйственных задач как:

-построение моделей внутреннего строения Земли, в первую очередь, земной коры;

-изучение вариаций земного гравитационного поля во времени;

-учет влияния дальних зон при точном вычислении высот квазигеоида, уклонений отвеса и других элементов гравитационного поля;

-получение данных для изучения неуровенности поверхности Мирового океана.

Таким образом, в настоящее время в гравиметрии при определении элементов гравитационного поля Земли четко обозначилась тенденция привлечения спутниковых методов, к которым относятся спутниковая альтиметрия, определяющая данные только для морской поверхности, и в перспективе – межспутниковые измерения дальности и радиальной скорости и спутниковая градиентометрия. По предварительным оценкам новые методы представляются весьма эффективными, так как они дают возможность изучать особенности гравитационного поля не только над морем, но и над сушей, тем самым снижая проблему белых пятен в гравиметрической изученности мира.

Известную роль в исследованиях гравитационного поля Земли может сыграть определение высот квазигеоида из совместной обработки спутниковых определений координат и геометрического нивелирования [2].

История гравиметрии в России

Гравиметрия является одним из разделов наук о Земле, в котором рассматривается земное гравитационное поле и способы определения его характеристик. Проблемы, составляющие предмет гравиметрии, лежат на границе наук, изучающих физические свойства и структуру Земли, и наук, изучающих ее форму и размеры. Величина ускорения силы тяжести является одной из важнейших физических констант, широко используемых в самых различных областях науки и техники: в метрологии, астрономия, физике, геодезии, геофизике и во многих других. Изучение гравитационного поля Земли дает возможность получить данные о внутреннем строении Земли и ее форме. Без хорошего знания гравитационного поля Земли невозможен расчет траекторий движений искусственных спутников и ракет.

В геодезии и геофизике результаты гравиметрических определений стали использоваться сравнительно недавно. В дореволюционное время многие русские ученые пытались привлекать методы гравиметрии к решению задач, касающихся влияния неоднородностей строения земной коры на геодезические измерения. Так Б. Я. Швейцер, Ф. Я. Слудский и другие ученые блестяще доказали влияние Московской гравитационной аномалии на уклонение отвеса. Русскими геодезистами накапливались наблюдения за величиной силы тяжести в различных районах России (Н. Д. Павлов, И. И. Стебницкий, П. К. Залесский и др.) и за ее пределами (например, П. Ф. Литке во время его кругосветного путешествия). Все эти работы не были подчинены какой-либо единой задаче, проводились от случая к случаю и имели скорее общепознавательный характер, чем преследовали цель решения какой-либо научной проблемы [4].

Определенную направленность исследования по гравиметрии в нашей стране впервые получили в 1916—1919 гг., когда профессором Московского университета П. К. Штернбергом было предпринято изучение Московской гравитационной аномалии. Этими работами было положено у нас начало использованию методов гравиметрии как в разведочных, так и геодезических целях.

Следующим этапом в развитии советской гравиметрии было изучение Курской магнитной аномалии, возглавлявшееся П. П. Лазаревым. Именно тогда была создана школа советских геофизиков, обогатившая науку решением крупнейших проблем (А. А. Михайлов, П. М. Никифоров, Л. В. Сорокин, Н. Н. Парийский и др.). Там впервые в СССР гравиметрические данные были использованы для решения вполне конкретной задачи — установления основных параметров тела, создающего гравитационную и магнитную аномалии.

Ясные представления о важности гравиметрических определений для целей геодезии, в первую очередь для коррекции астроопределений за влияние местных возмущений гравитационного поля, побудили осуществить крупный государственный акт — провести общую гравиметрическую съемку территории СССР. Впервые в истории гравиметрии территория площадью более 22 млн. км²была покрыта гравиметрической съемкой, выполненной по единой инструкции, едиными, хорошо научно и технически обоснованными методами (рис.2). Эта огромная работа (пункты наблюдения располагались в среднем через каждые 30 км)потребовала весьма больших затрат и времени. Полностью общая гравиметрическая съемка была завершена после окончания Великой Отечественной войны.

Рис.2. Гравиметрическая сеть

К началу 30-х годов стала очевидной большая эффективность применения гравиметрического метода для поисков полезных ископаемых — нефти, газа, угля. Гравиметрический метод давал возможность быстро намечать перспективные районы для детального изучения и поисков месторождений. Именно гравиметрии мы обязаны открытием многочисленных месторождений нефти на Апшероне, в Доссоре, на средней Волге, на Севере, в Западной Сибири, на Сахалине, в Средней Азии и многих других районах.

Выполнение общей гравиметрической съемки и необходимость покрытия больших площадей детальными съемками с разведочными целями потребовали создания большого парка приборов и большого числа высококвалифицированных специалистов. В основном приходилось работать с устаревшими, часто сильно изношенными приборами иностранных фирм. Отечественных приборов практически не было. К концу 30-х годов стало возможным осуществить мелкосерийное производство отечественной гравиметрической аппаратуры. Была выпущена серия маятниковых приборов и вариометров, которые, несмотря на малый опыт нашего приборостроения, не уступали зарубежным образцам.

Особенно широкое развитие гравиметрические работы получили в период Отечественной войны и после нее. Нужно было форсировать разведку на нефть и газ. К тому времени гравиметрические исследования заняли прочное место в геодезии, создав новое направление — физическую геодезию. Удовлетворение все возрастающих требований к повышению точности гравиметрических измерений могло быть обеспечено только применением новых, быстродействующих гравиметров, начавших входить в практику зарубежных стран [4].

Первые опытные серии отечественных гравиметров были изготовлены в 1946—1947 гг. Это был первый крупный успех советского приборостроения, связанный с огромной работой, проделанной В. В. Федынским, М. С. Молоденским, А. М. Лозинской. В 1949 г. С. А. Поддубным и Н. Н. Самсоновым на одном из ленинградских заводов был начат выпуск отечественных кварцевых гравиметров, которые по тому времени обладали хорошей стабильностью и по точности почти не уступали аналогичным приборам, выпускаемым западноевропейскими фирмами.

Несколько позже в Москве в результате интенсивных исследований, развернутых во Всесоюзном научно-исследовательском институте разведочной геофизики группой К. Е. Веселова, были разработаны кварцевые гравиметры высокой чувствительности и налажено их серийное производство. Эти приборы в настоящее время широко используются для гравиметрических съемок самого различного направления (рис.3).

Рис.3. Гравиметр ГАК-7Т. 1969 г.

Развитие детальных гравиметрических съемок, покрывающих нередко площади, измеряемые многими сотнями тысяч квадратных километров, потребовало создания единой сети опорных пунктов, с помощью которой все съемки могли бы быть приведены в единую систему. Для решения этой задачи нужно было разработать специальную аппаратуру и методы работы, а также прибегать к авиатранспорту, так как при построении опорной сети требовалось вести измерения в широком диапазоне с большой точностью. Эта задача была осуществлена под руководством Ю. Д. Буланже и М. Е. Хейфица коллективом гравиметристов Института физики Земли Академии наук СССР и Центрального научно-исследовательского института геодезии, аэросъемки и картографии. В короткий срок были созданы широкодиапазонные гравиметры и первоклассные маятниковые приборы. Совместное их использование дало возможность за четыре года создать высокоточную опорную сеть на всей территории Советского Союза и территории дружественных соседних государств. Эти работы полностью были закончены уже в 1958 г., много раньше аналогичных работ, выполняемых на Западе. По своей жесткости опорная сеть Советского Союза не только не уступает, а скорее превосходит лучшие опорные сети, созданные в США и Европе.

Учеными нашей страны внесен немалый вклад в разработку аппаратуры и методов определения силы тяжести на море. Для этой цели еще в 1936 г. Л. В. Сорокиным был создан оригинальный маятниковый прибор, с помощью которого были выполнены определения силы тяжести на Черном, Охотском, Баренцевом морях, а также в Тихом и Атлантическом океанах. В связи с большой важностью изучения гравитационного поля морей и океанов эти работы в послевоенные годы получили широкое развитие. Так, в Институте физики Земли Академии наук СССР под руководством С. Е. Александрова и Ю. Д. Буланже в 1956 г. был создан оригинальный морской шестимаятниковый прибор, предназначенный для работна подводных лодках и надводных кораблях. С этими приборами были выполнены многочисленные определения силы тяжести в Атлантическом океане и в антарктических водах. В последние годы в Центральном научно-исследовательском институте геодезии, аэрофотосъемки икартографии (ЦНИИГАиК) группе специалистов, руководимой М. Е. Хейфицем, удалось создать образцы оригинальных морских маятниковых приборов с автоматизированным управлением и с автоматизацией наиболее трудоемких вычислений. Крупным успехом является создание прибора с четвертьсекундными маятниками с принудительной стабилизацией и компенсацией значительной части горизонтальных ускорений.

Немало сделано и в области создания морских гравиметров. В Институте физики Земли под руководством Е. И. Попова удалось создать несколько образцов морских кварцевых гравиметров. В основу этих разработок были положены оригинальные теоретические соображения, высказанные К. Е. Веселовым, о возможности использования в качестве датчиков кварцевых гравиметров с большим затуханием.

На базе таких систем с принудительной стабилизацией было создано несколько образцов морских гравиметров. Используя современные достижения оптики и электроники, в этих приборах удалось почти полностью автоматизировать наиболее трудоемкие вычислительные процессы.

Разработанная аппаратура дала возможность значительно продвинуть наши знания о гравитационном поле морей и океанов. В частности, определения силы тяжести в комплексе с другими геофизическими методами позволили получить уникальные данные о строении земной коры в Индийском океане.

В период проведения Международного геофизического года советские гравиметристы явились героическими участниками исследования гравитационного поля центральной Антарктиды. Небольшой отряд на трех тягачах «Пингвин», возглавляемый молодым советским специалистом С. Н. Щегловым, впервые выполнил гравиметрическую съемку по маршруту протяженностью более 800 км. Через два года эта эпопея была продолжена под руководством Г. Е. Лазарева. Ему удалось выполнить измерения в наиболее труднодоступных районах Антарктиды — вдоль маршрута к полюсу относительной недоступности (рис.4) [1].

Рис.4. Экспедиция на Антарктиде

Эти работы вместе с сейсмическими исследованиями дали возможность получить уникальные по ценности, данные о характере подледного рельефа Антарктиды и толщине льда. Было доказано, что Антарктида является материком, а не архипелагом.

Советскими учеными впервые были поставлены систематические работы по изучению вековых изменений силы тяжести. Для этой цели использовались высокоточные измерения на сети опорных гравиметрических пунктов. В 30-х годах это были маятниковые определения, с 1950 г.— гравиметровые.

Пункты для изучения вековых изменений выбирались как в сейсмически активных районах (Кавказ, Средняя Азия, Прибайкалье, Камчатка), так и в асейсмических (Европейская часть СССР, Западная Сибирь). Этими работами, выполненными под руководством Н. Н. Парийского и Ю. Д. Буланже, доказано, что на Кавказе за время с 1905 по 1955 г. изменений силы тяжести нет. Если они и есть, то лежат в пределах точности измерений — порядка ± 2—3 мгл. Такой же вывод получен для интервала времени с 1950 по 1965 г. по пунктам, расположенным вдоль 56 параллели северной широты на протяжении от Риги до Петропавловска-Камчатского (Казань, Свердловск, Омск, Красноярск) и по пунктам Средней Азии — Ашхабад, Душанбе, Ташкент, Алма-Ата, Балхаш. В этом случае постоянство силы тяжести характеризуется ошибкой ± 0,08 мгл.

Широкое использование гравиметрии в области прикладных наук, в физике, метрологии выявило настоятельную необходимость в знании абсолютной величины силы тяжести с точностью порядка ± 1 • 10^-6 и даже выше. Перед второй мировой войной определениями, сделанными Куком в Теддингтоне(Англия), была выявлена ошибка в принятом значении g для мирового исходного пункта в Потсдаме. Эта ошибка достигает величины порядка 13-1О~⁶. Это обстоятельство побудило многие страны предпринять новые определения абсолютной величины силы тяжести. Ученые Советского Союза живо откликнулись на эту международную инициативу и провели соответствующие определения одними из первых во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологии в Ленинграде (ВНИИМ). Измерения велись тремя методами: классическим, с помощью оборотных маятников различной массы, и двумя новыми — методом свободного падения жезла в вакууме и свободного падения тела в несвободно падающей камере. Результаты по тому времени (1953 г.) имели весьма высокую точность. По совокупности результатов, полученных этими методами, сила тяжести во ВНИИМе была определена со средней ошибкой всего лишь порядка ±0,4 мгл. Это был крупный успех, получивший широкое международное признание.

За 50 лет существования Советского государства советская гравиметрия прошла большой путь. Наши ученые твердо занимают передовые позиции в теоретических исследованиях; их методические разработки, как правило, на ряд лет опережают аналогичные работы, проводимые в западных странах. Первые 10—15 лет мы не имели своей аппаратуры, теперь мы ее создаем сами. По ряду показателей она не только не уступает лучшим образцам зарубежных фирм, но часто и превосходит их [4].

Литература:

1. Н.П. Грушинский. «Теория фигуры Земли» М. 1976., 512 стр. с илл.

1. http://deloland.com/anoskow/20426

1. http://fizmathim.com/integralnye-metody-aviatsionnoy-gravimetrii

1. http://big-archive.ru/geography/development_of_earth_sciences_in_the_USSR/6.php

Код для цитирования: Скопировать