Знание гравитационного поля Земли даёт возможность решать проблемы фундаментальной науки, практической геолого-геофизической разведки, освоения космоса и обороны страны. Авторы публикуемой ниже статьи рассказывают о методах изучения гравитационного поля Мирового океана.
ИЗУЧЕНИЕ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ МИРОВОГО ОКЕАНА
Л. К. Железняк, В. Н. Конешов
На практике по аномалиям силы тяжести (ACT) выявляются плотностные неоднородности и геологические структуры, скрытые осадками глубинные разломы, оценивается перспективность регионов на наличие рудных и углеводородных месторождений, а также ведётся их поиск и разведка. Космонавтика немыслима без учёта ACT как при запусках искусственных спутников, так и при расчётах траекторий космических аппаратов, при пусках военных межконтинентальных баллистических ракет, при работе инерциальных навигационных систем подводных судов, при об-
it
Авторы работают в Институте физики Земли РАН. ЖЕЛЕЗНЯК Леонид Кириллович - доктор технических наук, главный научный сотрудник. КОНЕШОВ Вячеслав Николаевич - доктор технических наук, заместитель директора института.
нулении ошибок инерциальных навигационных систем на геофизическом ориентире.
Изучение гравитационного поля Земли (ГПЗ) нуждается в проведении планомерных съёмок поля с использованием современных технологий для обработки огромных массивов информации, сбора результатов съёмок в электронных банках данных, визуализации их в виде электронных карт изолиний и графиков на дисплее компьютера или на бумаге. Эти работы ведутся уже не одно десятилетие, что обеспечивает непрерывное совершенствование как модели поля в целом, так и его детализацию в отдельных районах.
Возможности использования гравитационного поля Земли как источника информации зависят от точности измерения и расширяются с повышением последней. Необходимая точность определяется характером решаемой задачи и колеблется в пределах от 0.001 до 10 мГал (от 10-9 g до 10-5 g). При решении отдельных задач, например, коррекции координат инерциальной навигационной системы или подготовки старта мобильной ракеты, требуется знание силы тяжести в режиме реального времени, а не апостериорно, что практикуется при выполнении плановых съёмок.
На акваториях Мирового океана, площадь которых занимает более 70% поверхности нашей планеты, гравитационное поле изучается с помощью прямых измерений с морских и с воздушных судов соответствующими приборами и вычислениями аномалий ГПЗ по спутниковым данным.
По изменению орбиты искусственного спутника Земли (ИСЗ) высчитывается сжатие земного эллипсоида и несколько сотен сферических гармоник потенциала силы тяжести. Альтиметриче-ские измерения с ИСЗ определяют превышения геоида над эллипсоидом относимости на Мировой акватории, по которым вычисляются аномалии ГПЗ.
МОРСКАЯ НАБОРТНАЯ ГРАВИМЕТРИЯ
Аппаратура для таких измерений уникальна, и её создание само по себе является сложной научно-технической задачей. Особенность измерений силы тяжести на море в том, что прибор устанавливается на борту судна, имеющего шесть степеней свободы движения при волновой качке, то есть прибор в процессе измерений подвержен случайным линейным перемещениям и наклонам в пространстве.
Основное уравнение гравиинерциальных измерений таково:
W = Л" - F(R), (1)
где W - вектор кажущегося ускорения объекта, на котором установлен прибор, Л - радиус-вектор объекта в системе координат с началом в центре Земли, F - вектор напряжённости гравитационного поля Земли.
Уравнение выражает принцип эквивалентности гравитационной и инертной масс. Гравитационное и инерционное ускорения невозможно отделить друг от друга физическими методами, но при измерении в движении их частотные характеристики часто не совпадают. Практически задача определения силы тяжести на подвижном основании решается частотной фильтрацией с синхронными вычислениями инерционных ускорений по траекторным измерениям неинерциальными приборами. Кроме того, на практике реализуется относительный метод измерений, то есть вычисляется превышение силы тяжести в одном пункте относительно другого. Метод требует измерения только одной из двух величин (длины или времени), определяющих ускорения. Для его реализации создаётся сеть опорных гравиметрических пунктов, аналогичная геодезической сети триангуляции.
Аппаратно наиболее распространённой является схема, использующая сильно демпфированный гравиметр (вертикальный акселерометр) и гировертикаль. Первый основан на измерении деформации упругого элемента при действии суммы ускорений на пробную массу с одной степенью свободы относительно корпуса, а вторая непрерывно совмещает ось чувствительности (линию перемещения пробной массы) с направлением силы тя-
жести (с местной вертикалью). В такой схеме задействовано минимальное количество измерительных приборов и требуется минимальный объём вычислений. Демпфирование пробной массы - это частотный фильтр для подавления инерционных ускорений по амплитуде. Гировертикаль обеспечивает измерение суммы ускорений только в направлении, совпадающем с силой тяжести, то есть фильтрацию по направлению. В процессе создания морского гравиметра обеспечивается долговременная стабильность параметров и его защита от воздействия электрических и магнитных полей, климатических и физических факторов. Обеспечивается также метрологическое единство измерений, автоматизируются процессы измерений и сбора информации.
В отечественной морской гравиметрии в качестве чувствительного элемента применяется упругая система крутильного типа. Она использует торсионный подвес пробной массы на предварительно закрученных нитях для реализации одной степени свободы движения. Недостатки такого подвеса, обусловленные принципом его построения, устраняются применением двойной упругой системы. Последняя состоит из двух одинаковых систем, развёрнутых в горизонтальной плоскости на 180° друг относительно друга (рис. 1). Степень компенсации принципиальных недостатков торсионного подвеса определяется степенью идентичности двух систем и параллельностью их осей вращения (торсионов). Двойная упругая система из особо чистого кварцевого стекла размещается в одном корпусе. Кварцевое стекло обладает рядом достоинств: технологично в обработке, при деформации соответствует закону Гука вплоть до разрушения, имеет положительный термоэластичный коэффициент, что позволяет простыми способами выполнить термокомпенсацию. Вместе с тем кварцевое стекло, как и другие материалы, обладает ползучестью при нагрузке, что приводит к смещению начала отсчёта гравиметра, которое необходимо учитывать в практической работе. Закон смещения хорошо изучен, что позволяет прогнозировать его величину на достаточно продолжительное время с погрешностью порядка 0.02 мГал/сут.
Для демпфирования, термокомпенсации и ба-роизоляции системы корпус заполнен кремний-органической жидкостью. Демпфирование - это первое апериодическое звено частотного фильтра вертикальных ускорений. Оно позволяет значительно уменьшить динамический диапазон вторичного преобразователя. Постоянная времени упругой системы определяется вязкостью жидкости и её температурой. Для морского гравиметра она выбирается равной ~2 мин.
Рис. 1. Макет двойной упругой системы из кварцевого стекла
Работы по совершенствованию конструкции и технологии дали возможность серийно изготовлять двойную упругую систему с высокой степенью идентичности по чувствительности (свыше 99.7%) и постоянной времени (свыше 98%). Угол между осями вращения крутильных систем не превышает 10 угл. мин. Температурная компенсация выполняется таким образом, что температурный коэффициент не превышает 3 мГал/град. Упругая система из кварцевого стекла исключительно надёжна, так как её конструкция цельносварная, крепится к корпусу в одной точке и не имеет регулировочных элементов.
Конечная точность измерений, кроме упругой системы, определяется ещё рядом узлов и приборов, входящих в состав морского гравиметра. Для исключения обратного влияния на упругую систему вторичного преобразователя применяется оптический съём сигнала. Уделяется особое внимание также термостату и гировертикали. К последней предъявляются жёсткие требования не только по амплитудной, но и по фазовой частотным характеристикам.
Для траекторных измерений и их координатной привязки используются спутниковые навигационные системы ГЛОНАС и GPS. По их данным учитывается ускорение Кориолиса (поправка Этвеша), по спектру перекрывающееся гравитационным полем при движении судна. Разрабатываемые методы и технологии проведения съёмки учитывают как технические характеристики используемой гравиметрической и навигационной аппаратуры, так и особенности района работ.
При научном руководстве и непосредственном участии специалистов Института физики Земли (ИФЗ) с привлечением других организаций (Центральный научный исследовательский институт "Электроприбор" - головная) созданы и запуще-
ны в серийное производство четыре поколения гравиметрической аппаратуры [1]. Первый серийный морской гравиметр с фоторегистрацией МГФ был выпущен в 1975 г. Для первого серийного автоматизированного морского гравиметрического комплекса МГК ("Чета-АГГ") впервые в мировой практике в 1982 г. разработан специализированный цифровой вычислитель, позволяющий получать силу тяжести в реальном времени. Позднее были созданы комплексы "Скалочник", "Чекан М", "Чекан АМ". Каждый последующий отличается от предыдущего элементной базой, весогабаритными характеристиками, энергопотреблением, точностными характеристиками, устойчивостью к возмущающим физическим факторам. Последняя модель - мобильный универсальный аэроморской автоматизированный гравиметрический комплекс, который быстро устанавливается на любом судне или самолете, не обслуживается в процессе измерений и не имеет ограничений по погодным условиям. Комплекс ни в чём не уступает иностранным аналогам, а по устойчивости к возмущающим ускорениям превосходит их.
Аппаратная составляющая современного гравиметрического комплекса дополняется специализированными программами для первичной обработки измерений в реальном времени, регистрации первичных
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.