Gravimetrie - Gravimetry
Gravimetrie ist die Messung der Stärke eines Gravitationsfeldes . Gravimetrie kann verwendet werden, wenn entweder die Größe eines Gravitationsfeldes oder die Eigenschaften der Materie, die für seine Entstehung verantwortlich sind, von Interesse sind.
Maßeinheiten
Die Schwerkraft wird normalerweise in Beschleunigungseinheiten gemessen . Im SI -Einheitensystem ist die Standardeinheit der Beschleunigung 1 Meter pro Quadratsekunde (abgekürzt als m/s 2 ). Andere Einheiten umfassen cgs gal (manchmal als Galileo bekannt , in beiden Fällen mit dem Symbol Gal), was 1 Zentimeter pro Quadratsekunde entspricht, und g ( g n ), gleich 9,80665 m/s 2 . Der Wert von g n ist ungefähr gleich der Schwerkraftbeschleunigung an der Erdoberfläche (obwohl der Wert von g je nach Standort variiert).
Gravimeter
Ein Instrument zur Messung der Schwerkraft wird als Gravimeter bezeichnet . Für einen kleinen Körper sagt die Allgemeine Relativitätstheorie Gravitationseffekte voraus, die nach dem Äquivalenzprinzip nicht von den Beschleunigungseffekten zu unterscheiden sind . Gravimeter können daher als spezielle Beschleunigungsmesser angesehen werden . Viele Waagen können als einfache Gravimeter angesehen werden. In einer gebräuchlichen Form wird eine Feder verwendet, um der Schwerkraft entgegenzuwirken, die an einem Objekt zieht. Die Längenänderung der Feder kann auf die Kraft kalibriert werden, die erforderlich ist, um die Schwerkraft auszugleichen. Die resultierende Messung kann in Krafteinheiten (wie Newton ) erfolgen, wird jedoch häufiger in Einheiten von gal oder cm/s 2 durchgeführt .
Forscher verwenden anspruchsvollere Gravimeter, wenn präzise Messungen erforderlich sind. Bei der Messung des Gravitationsfeldes der Erde werden Messungen mit der Genauigkeit von Mikrogals durchgeführt, um Dichteschwankungen in den Gesteinen der Erde zu finden. Für diese Messungen gibt es verschiedene Arten von Gravimetern, darunter einige, die im Wesentlichen verfeinerte Versionen der oben beschriebenen Federwaage sind. Diese Messungen werden verwendet, um Schwerkraftanomalien zu definieren .
Neben Präzision , Stabilität ist auch eine wichtige Eigenschaft eines Gravimeter, da sie die Überwachung der Schwerkraft ermöglicht Änderungen . Diese Veränderungen können das Ergebnis von Massenverschiebungen im Inneren der Erde sein oder von vertikalen Bewegungen der Erdkruste, an der gemessen wird: Denken Sie daran, dass die Schwerkraft mit jedem Meter Höhe um 0,03 mGal abnimmt . Das Studium der Gravitationsänderungen gehört zur Geodynamik .
Die meisten modernen Gravimeter verwenden speziell konstruierte Metall- oder Quarzfedern mit Nulllänge , um die Prüfmasse zu tragen. Federn mit einer Länge von Null folgen nicht dem Hookeschen Gesetz ; stattdessen haben sie eine Kraft proportional zu ihrer Länge. Die besondere Eigenschaft dieser Quellen ist , dass die natürliche Resonanzperiode der Schwingung des Feder-Masse - Systems kann sehr lang gemacht werden - Annäherung an tausend Sekunden. Dadurch wird die Testmasse von den meisten lokalen Vibrationen und mechanischen Geräuschen verstimmt , wodurch die Empfindlichkeit und der Nutzen des Gravimeters erhöht werden. Quarz- und Metallfedern werden aus verschiedenen Gründen gewählt; Quarzfedern werden weniger durch magnetische und elektrische Felder beeinflusst, während Metallfedern mit der Zeit eine viel geringere Drift (Dehnung) aufweisen. Die Prüfmasse wird in einem luftdichten Behälter verschlossen, damit kleinste Änderungen des Luftdrucks durch Wind und andere Witterungseinflüsse den Auftrieb der Prüfmasse in der Luft nicht verändern.
Federgravimeter sind in der Praxis relative Instrumente, die den Unterschied der Schwerkraft zwischen verschiedenen Orten messen. Ein relatives Instrument erfordert auch eine Kalibrierung durch Vergleichen von Instrumentenablesungen, die an Orten aufgenommen wurden, mit bekannten vollständigen oder absoluten Schwerkraftwerten. Absolute Gravimeter liefern solche Messungen, indem sie die Erdbeschleunigung einer Testmasse im Vakuum bestimmen. Eine Testmasse wird frei in eine Vakuumkammer fallen gelassen und ihre Position wird mit einem Laserinterferometer gemessen und mit einer Atomuhr gemessen. Die Laserwellenlänge ist mit ±0,025 ppb bekannt und der Takt ist auch bei ±0,03 ppb stabil. Es muss große Sorgfalt darauf verwendet werden, die Auswirkungen von Störkräften wie Restluftwiderstand (auch im Vakuum), Vibrationen und Magnetkräften zu minimieren. Solche Instrumente haben eine Genauigkeit von etwa zwei Teilen pro Milliarde oder 0,002 mGal und beziehen ihre Messung auf atomare Längen- und Zeitstandards . Sie werden hauptsächlich zur Kalibrierung relativer Instrumente, zur Überwachung der Krustendeformation und in geophysikalischen Studien verwendet, die eine hohe Genauigkeit und Stabilität erfordern. Absolute Instrumente sind jedoch etwas größer und deutlich teurer als relative Federgravimeter und daher relativ selten.
Gravimeter wurden für die Montage in Fahrzeugen entwickelt, einschließlich Flugzeugen (beachten Sie den Bereich der Luftgravitation ), Schiffen und U-Booten. Diese speziellen Gravimeter isolieren die Beschleunigung von der Bewegung des Fahrzeugs und ziehen sie von den Messwerten ab. Die Beschleunigung der Fahrzeuge ist oft hundert- oder tausendmal stärker als die gemessenen Veränderungen.
Ein während der Apollo 17- Mission auf der Mondoberfläche eingesetztes Gravimeter (das Lunar Surface Gravimeter ) funktionierte aufgrund eines Konstruktionsfehlers nicht. Ein zweites Gerät (das Traverse Gravimeter Experiment ) funktionierte wie erwartet.
Weitere Informationen
Ein Gravimeter ist ein Instrument zur Messung der Gravitationsbeschleunigung . Jede Masse hat ein zugehöriges Gravitationspotential. Der Gradient dieses Potentials ist eine Kraft. Ein Gravimeter misst diese Gravitationskraft.
Die ersten Gravimeter waren vertikale Beschleunigungsmesser , spezialisiert auf die Messung der konstanten Abwärtsbeschleunigung der Erdanziehungskraft . Die vertikale Schwerkraft der Erde variiert von Ort zu Ort über der Erdoberfläche um etwa ±0,5 %. Es variiert um etwa ±1000 nm/s 2 (Nanometer pro Sekunde im Quadrat) an jedem Ort aufgrund der sich ändernden Positionen von Sonne und Mond relativ zur Erde.
Der Wechsel von der Bezeichnung "Beschleunigungsmesser" zum "Gravimeter" erfolgt ungefähr an dem Punkt, an dem es Korrekturen für die Erdgezeiten vornehmen muss.
Obwohl sie im Design anderen Beschleunigungsmessern ähnlich sind, sind Gravimeter in der Regel viel empfindlicher. Ihre ersten Anwendungen bestanden darin, die Änderungen der Schwerkraft aufgrund der unterschiedlichen Dichte und Verteilung der Massen im Inneren der Erde, von zeitlichen „ Gezeiten “-Änderungen in der Form und Verteilung der Masse in den Ozeanen, der Atmosphäre und der Erde zu messen .
Gravimeter können Vibrationen und Schwerkraftänderungen durch menschliche Aktivitäten erkennen. Je nach Interesse des Forschers oder Betreibers kann dem durch eine integrierte Schwingungsisolierung und Signalverarbeitung entgegengewirkt werden .
Die Auflösung von Gravimetern kann durch Mittelung der Proben über längere Zeiträume erhöht werden. Wesentliche Merkmale von Gravimetern sind die Genauigkeit einer einzelnen Messung (eine einzelne "Probe") und die Abtastrate (Proben pro Sekunde).
zum Beispiel:
Gravimeter zeigen ihre Messungen in den Einheiten gal (cm/s 2 ), Nanometer pro Quadratsekunde und Teile pro Million, Teile pro Milliarde oder Teile pro Billion der durchschnittlichen vertikalen Beschleunigung in Bezug auf die Erde an. Einige neuere Einheiten sind pm/s 2 (Pikometer pro Quadratsekunde), fm/s 2 (femto), am/s 2 (atto) für sehr empfindliche Instrumente.
Gravimeter für Erdöl und Mineral verwendet Prospektion , Seismologie , Geodäsie , geophysikalische Untersuchungen und andere geophysikalische Forschung und für Metrologie . Ihr grundlegender Zweck besteht darin, das Gravitationsfeld in Raum und Zeit abzubilden.
Die meisten aktuellen Arbeiten sind erdbasiert, mit einigen Satelliten um die Erde herum, aber Gravimeter sind auch auf Mond, Sonne, Planeten, Asteroiden, Sterne, Galaxien und andere Körper anwendbar. Gravitationswellenexperimente überwachen die zeitlichen Veränderungen des Gravitationspotentials selbst und nicht den Gradienten des Potentials, den das Gravimeter verfolgt. Diese Unterscheidung ist etwas willkürlich. Die Teilsysteme der Gravitationsstrahlungsexperimente reagieren sehr empfindlich auf Änderungen des Potentialgradienten. Die lokalen Gravitationssignale auf der Erde, die Gravitationswellenexperimente stören, werden abfällig als "Newtonsches Rauschen" bezeichnet, da Newtonsche Gravitationsberechnungen ausreichen, um viele der lokalen (erdbasierten) Signale zu charakterisieren.
Der Begriff absolutes Gravimeter wird am häufigsten zur Bezeichnung von Gravimetern verwendet, die die lokale Vertikalbeschleunigung aufgrund der Erde angeben. Relative Gravimeter beziehen sich normalerweise auf differentielle Vergleiche der Schwerkraft von einem Ort zum anderen. Sie sind so konzipiert, dass sie die durchschnittliche vertikale Schwerkraft automatisch subtrahieren. Sie können an einem Ort kalibriert werden, an dem die Schwerkraft genau bekannt ist, und dann an den Ort transportiert werden, an dem die Schwerkraft gemessen werden soll. Oder sie können an ihrem Einsatzort in absoluten Einheiten kalibriert werden.
Es gibt viele Methoden zur Darstellung von Beschleunigungsfeldern, auch Gravitationsfelder genannt . Dazu gehören traditionelle 2D-Karten, aber zunehmend auch 3D-Videos. Da Gravitation und Beschleunigung gleich sind, könnte "Beschleunigungsfeld" vorzuziehen sein, da "Schwerkraft" ein oft missbrauchtes Präfix ist.
Kommerzielle Absolutgravimeter
Gravimeter, um die Schwerkraft der Erde möglichst genau zu messen, werden immer kleiner und tragbarer. Ein üblicher Typ misst die Beschleunigung kleiner Massen, die im Vakuum frei fallen , wenn der Beschleunigungsmesser fest mit dem Boden verbunden ist. Die Masse enthält einen Retroreflektor und schließt einen Arm eines Michelson-Interferometers ab . Durch Zählen und Timing der Interferenzstreifen kann die Beschleunigung der Masse gemessen werden. Eine neuere Entwicklung ist eine "Aufstiegs- und Fall"-Version, die die Masse nach oben schleudert und sowohl Auf- als auch Abwärtsbewegungen misst. Dies ermöglicht es, einige Messfehler zu kompensieren , jedoch sind "Aufstiegs- und Fall"-Gravimeter noch nicht gebräuchlich. Absolutgravimeter werden bei der Kalibrierung von Relativgravimetern, bei der Vermessung von Schwereanomalien (Voids) und zum Aufbau des vertikalen Kontrollnetzes verwendet .
Atominterferometrische und Atomfontänenmethoden werden zur präzisen Messung der Erdanziehung verwendet, und Atomuhren und speziell entwickelte Instrumente können Zeitdilatationsmessungen (auch als allgemeine relativistische Messungen bezeichnet) verwenden, um Änderungen des Gravitationspotentials und der Gravitationsbeschleunigung auf der Erde zu verfolgen.
Der Begriff "absolut" beschreibt nicht die Stabilität, Empfindlichkeit, Genauigkeit, Benutzerfreundlichkeit und Bandbreite des Instruments. Daher sollten es und "relativ" nicht verwendet werden, wenn spezifischere Merkmale angegeben werden können.
Relative Gravimeter
Die am häufigsten verwendeten Gravimeter sind Feder -basierte. Sie werden bei Schwerkraftvermessungen über große Gebiete verwendet, um die Figur des Geoids über diesen Gebieten zu bestimmen . Sie sind im Grunde ein Gewicht auf einer Feder, und durch Messen des Betrags, um den das Gewicht die Feder dehnt, kann die lokale Schwerkraft gemessen werden. Die Federstärke muss jedoch kalibriert werden, indem das Instrument an einem Ort mit bekannter Erdbeschleunigung platziert wird.
Der aktuelle Standard für empfindliche Gravimeter sind die supraleitenden Gravimeter , die arbeiten, indem sie eine supraleitende Niobkugel in einem extrem stabilen Magnetfeld aufhängen ; Der Strom, der erforderlich ist, um das magnetische Feld zu erzeugen, das die Niobkugel aufhängt, ist proportional zur Stärke der Erdbeschleunigung. Das supraleitende Gravimeter erreicht Empfindlichkeiten von 10 –11 m·s –2 (ein Nanogal ), etwa ein Billionstel (10 –12 ) der Erdoberflächengravitation. In einer Demonstration der Empfindlichkeit des supraleitenden Gravimeters beschreibt Virtanen (2006), wie ein Instrument in Metsähovi, Finnland, den allmählichen Anstieg der Oberflächengravitation entdeckte, wenn Arbeiter Schnee von seinem Labordach räumten.
Die größte Komponente des von einem supraleitenden Gravimeter aufgezeichneten Signals ist die Gezeitengravitation von Sonne und Mond, die auf die Station wirken. Dies ist ungefähr ±1000nm/s 2(Nanometer pro Sekunde im Quadrat) an den meisten Standorten. "SGs", wie sie genannt werden, können Erdgezeiten , Änderungen der Dichte der Atmosphäre, die Auswirkungen von Änderungen der Form der Meeresoberfläche, die Auswirkungen des Atmosphärendrucks auf die Erde, Änderungen der die Rotationsgeschwindigkeit der Erde, Schwingungen des Erdkerns, ferne und nahe seismische Ereignisse und mehr.
Viele gebräuchliche Breitband-Dreiachsen-Seismometer sind empfindlich genug, um Sonne und Mond zu verfolgen. Wenn sie betrieben werden, um Beschleunigungen zu melden, sind sie nützliche Gravimeter. Da sie drei Achsen haben, ist es möglich, ihre Position und Ausrichtung zu bestimmen, indem entweder die Ankunftszeit und das Muster seismischer Wellen von Erdbeben verfolgt oder sie auf die Gezeitengravitation von Sonne und Mond bezogen werden.
Vor kurzem haben die SGs und Breitband-Dreiachsen-Seismometer, die im Gravimetermodus betrieben werden, damit begonnen, die kleinen Schwerkraftsignale von Erdbeben zu erkennen und zu charakterisieren. Diese Signale kommen mit Lichtgeschwindigkeit am Gravimeter an und haben daher das Potenzial, die Frühwarnmethoden für Erdbeben zu verbessern. Es gibt einige Aktivitäten, um speziell gebaute Gravimeter mit ausreichender Empfindlichkeit und Bandbreite zu entwickeln, um diese sofortigen Schwerkraftsignale von Erdbeben zu erkennen. Nicht nur die Ereignisse der Größenordnung 7+, sondern auch die kleineren, viel häufigeren Ereignisse.
Neuere MEMS-Gravimeter , Atomgravimeter – MEMS-Gravimeter bieten das Potenzial für kostengünstige Sensorarrays. MEMS-Gravimeter sind derzeit Variationen von Beschleunigungsmessern vom Federtyp, bei denen die Bewegungen eines winzigen Auslegers oder einer winzigen Masse verfolgt werden, um die Beschleunigung zu melden. Ein Großteil der Forschung konzentriert sich auf verschiedene Methoden zur Erfassung der Position und Bewegungen dieser kleinen Massen. In Atomgravimetern ist die Masse eine Ansammlung von Atomen.
Für eine gegebene Rückstellkraft wird die Mittenfrequenz des Instruments oft angegeben durch
- (in Radiant pro Sekunde)
Der Begriff für die "Kraftkonstante" ändert sich, wenn die Rückstellkraft elektrostatisch, magnetostatisch, elektromagnetisch, optisch, mikrowellen-, akustisch oder eine von Dutzenden von verschiedenen Arten ist, um die Masse stationär zu halten. Die "Kraftkonstante" ist nur der Koeffizient des Verschiebungsterms in der Bewegungsgleichung:
- m a + b v + k x + Konstante = F ( X , t )
- m Masse, a Beschleunigung, b Viskosität, v Geschwindigkeit, k Kraftkonstante, x Weg
- F externe Kraft als Funktion von Ort/Position und Zeit.
F die gemessene Kraft ist undF/m ist die Beschleunigung.
- g ( X , t ) = a +b v/m + k x/m + Konstante/m + höhere Ableitungen der Rückstellkraft
Präzise GPS-Stationen können als Gravimeter betrieben werden, da sie über die Zeit zunehmend drei Achspositionen messen, die bei doppelter Differenzierung ein Beschleunigungssignal liefern.
Die satellitengestützten Gravimeter GOCE , GRACE arbeiten meist im Gravitationsgradiometermodus . Sie liefern detaillierte Informationen über das zeitlich variierende Schwerefeld der Erde. Die Modelle des sphärischen harmonischen Gravitationspotentials verbessern sich langsam sowohl in der räumlichen als auch in der zeitlichen Auflösung. Die Messung des Gradienten der Potentiale ergibt eine Schätzung der lokalen Beschleunigung, die von den Gravimeter-Arrays gemessen wird. Der supraleitende Gravimeter Netzwerk hat eingesetzt Grundwahrheit der Satellitenpotentiale. Dies sollte letztendlich sowohl die satelliten- als auch erdgestützten Methoden und Vergleiche verbessern.
Es gibt auch transportable Relativgravimeter; Sie verwenden eine extrem stabile Trägheitsplattform , um die Maskierungseffekte von Bewegung und Vibration zu kompensieren, eine schwierige technische Leistung. Die ersten transportablen Relativgravimeter waren angeblich eine geheime Militärtechnologie, die in den 1950-1960er Jahren als Navigationshilfe für Atom-U-Boote entwickelt wurde . Anschließend wird in den 1980er Jahren wurden transportierbar relativ Gravimeter Reverse Engineering von dem zivilen Sektor für den Einsatz auf dem Schiff, dann in der Luft und schließlich die Schwerkraft Satelliten borne Umfragen.
Mikrogravimetrie
Die Mikrogravimetrie ist ein wichtiger Zweig, der auf der Grundlage der klassischen Gravimetrie entwickelt wurde. Mikrogravitationsuntersuchungen werden durchgeführt, um verschiedene Probleme der Ingenieurgeologie zu lösen, hauptsächlich die Ortung von Hohlräumen und deren Überwachung. Sehr detaillierte Messungen mit hoher Genauigkeit können Hohlräume jeglichen Ursprungs anzeigen, vorausgesetzt, die Größe und Tiefe sind groß genug, um einen Gravitationseffekt zu erzeugen, der stärker ist als das Vertrauensniveau des relevanten Gravitationssignals.
Geschichte
Das moderne Gravimeter wurde 1936 von Lucien LaCoste und Arnold Romberg entwickelt .
Sie erfanden auch die meisten nachfolgenden Verfeinerungen, darunter das schiffsmontierte Gravimeter im Jahr 1965, temperaturbeständige Instrumente für tiefe Bohrlöcher und leichte handgeführte Instrumente. Die meisten ihrer Designs bleiben mit Verfeinerungen in der Datenerfassung und Datenverarbeitung im Einsatz.
Satellitengravimetrie
Derzeit werden die statischen und zeitvariablen Schwerefeldparameter der Erde mit modernen Satellitenmissionen wie GOCE , CHAMP , Swarm , GRACE und GRACE-FO bestimmt . Die Parameter niedrigsten Grades, einschließlich der Abplattung der Erde und der Bewegung des Geozentrums, werden am besten durch Satelliten-Laser-Entfernungsmessungen bestimmt .
Großräumige Gravitationsanomalien können als Nebenprodukt von Satelliten-Gravitationsmissionen, zB GOCE, aus dem Weltraum entdeckt werden . Diese Satellitenmissionen zielen auf die Wiederherstellung eines detaillierten Gravitationsfeldmodells der Erde ab, das typischerweise in Form einer kugel-harmonischen Expansion des Gravitationspotentials der Erde dargestellt wird, aber auch alternative Präsentationen, wie Karten von Geoidwellen oder Gravitationsanomalien, sind möglich produziert.
Das Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) besteht aus zwei Satelliten, die Gravitationsänderungen auf der Erde erkennen können. Auch diese Veränderungen können als zeitliche Variationen der Schwerkraftanomalie dargestellt werden. Die Raumsonde GRAIL bestand auch aus zwei Raumsonden, die den Mond umkreisten, die drei Jahre lang umkreisten, bevor sie 2015 ihre Umlaufbahn verließen.
Siehe auch
- Felix Andries Vening Meinesz
- Geophysikalische Vermessung
- GOCE Ein modernes satellitengestütztes Gradiometer mit Gravimeterpaaren (Beschleunigungsmessern)
- Schwerkraft der Erde
- Schweregradradiometrie
- Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), Raumsonde im März 2002 gestartet
- Gravity Field und Steady-State Ocean Circulation Explorer (GOCE), Raumsonde im März 2009 gestartet
- Physikalische Geodäsie