Во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений обсудили гравиметрическую «компасную» систему
Закон всемирного тяготения гласит, что все тела притягиваются друг к другу. Мы этого не чувствуем, но у каждого из нас, и, естественно, у самой планеты, по которой мы движемся, есть силовые поля. Ученые решили применить этот закон для создания гравиметрического «компаса» для Земли.
На днях во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (он же главный метрологический центр страны) прошла научная конференция, посвященная разработке методов и средств навигации в геофизических полях, которые через несколько лет будут служить человечеству не хуже систем ГЛОНАСС или GPS.
Абсолютный гравиметр. Предоставлено ВНИИФТРИ
Гравиметрия (от лат. gravis — «тяжелый» и греч. μετρέω — «измеряю») — наука об измерении силы тяжести в гравитационном поле Земли.
Сначала человечество ориентировалось по звездам, потом изобрели компас, потом спутниковые системы, которые сегодня определяют наше местоположение с точностью до метра. Но ученым этого мало: теперь они хотят создать систему, которая позволит нам ориентироваться по тем самым силовым линиям Матушки-Земли, определяя производную ее гравитационного потенциала в каждой точке, а затем создать пользовательские гравиметры. У истоков этой идеи в нашей стране стоял сотрудник ВНИИФТРИ, академик РАН Владислав Пустовойт, ушедший из жизни в 2020 году. Теория была предложена еще в 60-х годах, но до сих пор не реализована ни в нашей стране, ни за рубежом. <стр>– Гравитация Земли поможет нам создать так называемую бесшовную навигацию, – поясняет коллега Пустовойта, доктор технических наук, профессор Вячеслав Фатеев. – Допустим, мы едем по открытой местности – нас «ведет» глобальная группировка спутников ГЛОНАСС, но если мы въезжаем в густой лес или тоннель – сигнал сверху пропадает. Что делать? В этом случае нам нужно иметь еще одно поле, не подверженное помехам. Например, гравитационное поле, вдоль которого мы будем продолжать движение, не замечая подмены источника сигнала.
Навигация по гравитационному полю — это то, к чему стремятся ученые в будущем. Подробнее об этом я расскажу немного позже. Но сначала я хотел бы объяснить, для чего сегодня гравиметры используются специалистами разных направлений. Например, они помогают искать полезные ископаемые под землей: залежи железа значительно увеличивают гравитационный потенциал, а газонаполненные полости, наоборот, уменьшают его. Или вулканологи понимают под изменением потенциала, куда под землю закачивается вулканическая магма, которая вот-вот вырвется наружу.
Кстати, полную величину гравитационного потенциала пока никто не измерил. В настоящее время можно определить только его производную — ускорение свободного падения, или, другими словами, ускорение силы тяжести. То есть те самые 9,8 метра в секунду в квадрате (9,8 м/с2 или g), с которыми когда-то яблоко упало на голову Ньютона. Получается, что в гравиметре что-то должно где-то упасть?..
Относительный гравиметр «Пешеход». ВНИИФТРИ
По словам заведующего лабораторией ВНИИФТРИ Руслана Давлатова, абсолютный гравиметр (самый точный из существующих типов) определяет ускорение свободного падения лазерного луча, падающего в вакуумную камеру уголкового отражателя.
– Достаточно громоздкие абсолютные гравиметры измеряют силу тяжести Земли с высокой точностью в каждой точке, где они установлены. Кроме них применяются малогабаритные относительные гравиметры, например, разрабатываемый нами гравиметр «Пешеход». Этот тип гравиметров измеряет изменение силы тяжести между точками. Однако при исследовании труднодоступных территорий используются бортовые гравиметры, которые можно установить на самолете или беспилотнике. Погрешность таких приборов, по сравнению с абсолютными, в сотни раз больше, поэтому для построения гравитационной карты газоносных месторождений привлекаются математики. Они анализируют данные с наземных и воздушных гравиметров и выдают более или менее точные результаты.
По словам генерального директора ВНИИФТРИ, доктора технических наук Сергея Донченко, в настоящее время ученые этого института впервые за 20 лет завершают создание серийного относительного гравиметра «Пешеход» собственной разработки. Также на завершающей стадии создания находится абсолютный гравиметр, работающий на квантовых атомных датчиках.
– Пока точность даже локальных карт измеряется сотнями метров. Это очень много, а для карт рельефа местности зачастую недостаточно. Одной из причин этого является сама природа гравитационного возмущения, которое является самым слабым типом физического взаимодействия из всех известных. <стр> <стр>– Это если падение происходит с высоты. Но если мы идем по ровной дороге, то мы совершенно невосприимчивы к небольшим возмущениям гравитационного поля, которые возникают из-за скрытых под землей аномалий. Можно ходить по совершенно горизонтальной местности где-нибудь в Москве, но с точки зрения гравитации она неровная. Если кто-то забыл бетонный блок под асфальтом, то происходит гравитационное искривление…
– Да, все верно. Изменение веса может быть очень малым, всего несколько миллиардных долей единицы, и, конечно, человек его не чувствует.
— С гравиметром, когда такой прибор будет создан и уменьшен до размеров гаджета, вы сможете это сделать. Сейчас это можно сделать только с помощью большого стационарного прибора. Но создать миниатюрный и в то же время чувствительный прибор пока очень сложная задача: мешают различные шумы, да и, как было сказано, эффект очень слабый. Но гравитационный сигнал также имеет большое преимущество: по сравнению с радиосигналом или оптическим сигналом, которые можно сравнительно легко исказить, гравитационную карту практически невозможно изменить: если гора стоит, то она стоит, если есть впадина, то она не исчезнет до следующего землетрясения…
Krondstadt footstock.
– Вы можете сделать это, скажем. А теперь представьте, насколько мы можем улучшить навигацию, когда у нас есть сложная система, состоящая из разных ее типов!
– Представьте, что вы находитесь в метро, где нет ни указателей, ни света, ни сигнала спутникового навигатора. Чувствительный гравиметр сможет точно определить ваше местоположение. Или, например, под водой. Ведь там тоже нет никаких навигационных сигналов, кроме магнитного поля, да показаний инерциальных систем – гироскопов и акселерометров, которые накапливают данные об ускорении батискафа и используют их, а также рельеф дна, для определения местоположения. А если подводники обзаведутся собственным гравиметром, то точность определения местоположения существенно возрастет.
– Геоид – это модель формы Земли, которая используется для определения уровня моря и гравитационного поля планеты. Он представляет собой поверхность, которая соответствовала бы среднему уровню моря, если бы она продолжалась под континентами и была бы свободна от влияния ветров, волн и приливов. Геоид — более сложная фигура, чем сфера или эллипсоид, поскольку учитывает изменения гравитационного поля Земли, вызванные горными хребтами, океаническими бассейнами и другими геологическими особенностями.
Геоид с повышенными искажениями и окраской, соответствующей гравитационным аномалиям (одинаковый вес, взвешенный на те же пружинные весы, они будут тяжелее в «красных местах» и легче в «синих местах»).
– Арктика — это территория, где уровень геоида может быть несколько приподнят по сравнению с окружающими территориями. То же самое относится и к Антарктиде. Это связано с тем, что под ледяным покровом этих территорий находится значительное количество льда. Их таяние влияет на распределение массы и, как следствие, гравитационное поле в этом регионе.
– Москва приподнята на 150-200 метров от поверхности воды.
— Конечно. Единственная проблема с уточнением геоида заключается в том, что точная гравиметрическая информация является закрытой темой для многих стран по соображениям безопасности. В связи с этим у многих стран есть свой геоид.
– Согласно данным измерений, которые есть у разработчиков. Если точной информации по другим странам недостаточно, они используют космические данные, которые имеют большую погрешность.
– Крупные здания, изменение уровня грунтовых вод, изменение плотности почвы из-за добычи нефти или газа. Думаю, что навигационные гравитационные карты, когда они появятся, нужно будет обновлять каждые пять-десять лет.
В настоящее время специалисты ВНИИФТРИ разрабатывают еще один интересный стандарт, который они называют «высотным базисом России».
До сих пор, еще с советских времен, мы измеряли свою «высотную базу» уровнем Балтийского моря, так называемым Кронштадтским мареографом, который установлен на каменной опоре Синего моста через Обводный канал. Это нулевая отметка, по которой измеряется так называемая Балтийская система высот. От этой отметки отсчитываются 150 метров над уровнем моря столицы России. Но, например, во Франции есть своя отметка уровня моря — марсельский мареограф на Средиземном море. Для остальной Европы уровень моря измеряется Амстердамским уровнемером, который расположен на площади Дам в центре голландской столицы.
Уровнемеры часто используются в качестве геодезической точки отсчета, что важно учитывать при картографировании территории, строительстве и эксплуатации зданий и мостов.
Данные наблюдений с отдельных мареографов используются как для наблюдения за изменением уровня моря в конкретной точке, так и для определения разницы уровня моря и изучения вертикальных движений земной поверхности, вызванных перемещениями литосферных плит.
По словам Вячеслава Фатеева, геодезистам еще предстоит «вести» уровень моря от нулевой отметки на Балтике до Камчатки. К сожалению, при проведении нивелирных работ на таком расстоянии погрешности накапливаются: погрешность определения высот относительно Кронштадтского мареографа на дальних границах страны может достигать десятков метров.
Поэтому сейчас ученые предложили расширить этот стандарт, создав в других частях нашей страны дополнительные мареографы, равные по высоте Кронштадтскому.
Речь идет о системе под названием «Квантовый мареограф», которая создается на основе новых гравиметрических приборов, разработанных учеными. Таким образом, помимо уже существующего первого поста в Санкт-Петербурге, вскоре появятся новые аналоги в Москве, Вологде, Екатеринбурге, Иркутске, Хабаровске и Владивостоке.
На втором этапе будет создана дополнительная нивелирная сеть постов вдоль железных и автомобильных дорог, а также вдоль Северного морского пути.
Эксперты отмечают, что было бы неплохо ускорить темпы модернизации высотной базы страны. В противном случае есть риск потерять реальные значения высот физической поверхности Земли. Это становится особенно важным, учитывая нынешние темпы освоения Арктики.
Новый «Quantum Tidestock» будет представлять собой сеть сверхстабильных квантовых эталонных стандартов времени и частоты, связанных между собой наземными волоконно-оптическими линиями связи.