1.4. Гравіметрія

Гравіметрія - розділ науки про вимірювання величин, які характеризують гравітаційне поле Землі і про використання їх для визначення фігури Землі, вивчення її загального внутрішньої будови, геологічної будови її верхніх частин, вирішення деяких завдань навігації і ін. У гравіметрії гравітаційне поле Землі задається зазвичай полем сили тяжіння (або чисельно рівного їй прискорення сили тяжіння), яка є результуючою двох основних сил: сили тяжіння (тяжіння) Землі і відцентрової сили, викликаної її добовим обертанням. Відцентрова сила, спрямована від осі обертання, зменшує силу тяжіння, причому найбільшою мірою на екваторі. Зменшення сили тяжіння від полюсів до екватора обумовлено також і стисненням Землі. Гравіметрія розглядає теорії та методи вимірювання сили тяжіння для вирішення практичних задач геодезії. Основний зміст гравіметрії - теорії та методи визначення зовнішнього поля потенціалу та сили тяжіння Землі за вимірюваннями на земній поверхні і по астрономо-геодезичним даними, дослідження внутрішньої будови планет, вирішення деяких завдань навігації. Гравіметрія включає теорію нівелірних висот, обробку астрономо-геодезичних мереж у зв'язку з варіаціями гравітаційного поля Землі. Одиницею виміру в гравіметрії є Гал (1 см/с2) названа на честь італійського вченого Галілео Галілея. Визначення сили тяжіння виробляються відносним методом, шляхом вимірювання за допомогою гравіметрів і маятникових приладів різниці сили тяжіння в досліджуваних і опорних пунктах. Мережа ж опорних гравіметричних пунктів на всій Землі пов'язана в кінцевому підсумку з пунктом в Потсдамі (Німеччина), де оборотними маятниками на початку 20 століття було визначено абсолютне значення прискорення сили тяжіння (981 274 мгл; см. Гал). Абсолютні визначення сили тяжіння пов'язані зі значними труднощами, і їх точність нижче відносних вимірювань. Нові абсолютні виміри, вироблені більш ніж в 10 пунктах Землі, показують, що наведене значення прискорення сили тяжіння в Потсдамі перевищено, мабуть, на 13-14 мгл. Після завершення цих робіт буде здійснено перехід на нову гравіметричну систему. Однак у багатьох задачах гравіметрії ця помилка не має істотного значення, тому що для їх вирішення використовуються не самі абсолютні величини, а їх різниці. Найбільш точно абсолютне значення сили тяжіння визначається з дослідів з вільним падінням тіл у вакуумній камері. Відносні визначення сили тяжіння виробляються маятниковими приладами з точністю до кількох сотих часток мгл. Гравіметри забезпечують трохи більшу точність вимірів, ніж маятникові прилади, портативні і прості в обігу. Існує спеціальна гравіметрична апаратура для вимірів сили тяжіння з рухомих об'єктів (підводних і надводних кораблів, літаків). У приладах здійснюється безперервний запис зміни прискорення сили тяжіння по шляху корабля або літака. Такі вимірювання пов'язані з труднощами виключення зі свідчень приладів впливу збурюючих прискорень і нахилів підстави приладу, що викликаються хитавицею. Є спеціальні гравіметри для вимірів на дні мілководних басейнів, в бурових свердловинах. Другі похідні потенціалу сили тяжіння вимірюються за допомогою гравітаційних варіометрів.

Основне коло завдань гравіметрії вирішується шляхом вивчення стаціонарного просторового гравітаційного поля. Для вивчення пружних властивостей Землі виробляється безперервна реєстрація варіацій сили тяжіння в часі. Внаслідок того, що Земля неоднорідна по щільності і має неправильну форму, її зовнішнє гравітаційне поле характеризується складною будовою. Для вирішення різних завдань зручно розглядати гравітаційне поле складається з двох частин: основного - званого нормальним, що змінюється з широтою місця по простому закону, і аномального - невеликого по величині, але складного по розподілу, обумовленого неоднорідностями густини порід у верхніх шарах Землі. Нормальне гравітаційне поле відповідає деякої ідеалізованої простий за формою і внутрішньою будовою моделі Землі (еліпсоїду або близькому до нього сфероїда). Різниця між наблюденной силою тяжіння і нормальною, обчисленої по тій чи іншій формулі розподілу нормальної сили тяжіння і наведеної відповідними поправками до прийнятого рівня висот, називається аномалією сили тяжіння. Якщо при такому приведенні береться до уваги тільки нормальний вертикальний градієнт сили тяжкості, рівний 3086 етвеш (тобто в припущенні, що між пунктом спостереження і рівнем приведення немає жодних мас), то отримані таким шляхом аномалії називаються аномаліями у вільному повітрі. Обчислені так аномалії найчастіше застосовуються при вивченні фігури Землі. Якщо при приведенні враховується ще і тяжіння вважається однорідним шару мас між рівнями спостереження і приведення, то виходять аномалії, звані аномаліями Бузі. Вони відображають неоднорідності в щільності верхніх частин Землі і використовуються при вирішенні геологорозвідувальних завдань. У гравіметрії розглядаються також ізостатичні аномалії, які спеціальним чином враховують вплив мас між земною поверхнею і рівнем поверхні на глибині, на яку вищерозміщені маси надають однаковий тиск. Крім цих аномалій обчислюється ряд інших (прея, модифіковані Бузі та ін.) На підставі гравіметричних вимірів будуються гравіметричні карти з ізолініями аномалій сили тяжіння. Аномалії других похідних потенціалу сили тяжіння визначаються аналогічно як різниці спостереженого значення (попередньо виправленого за рельєф місцевості) і нормального значення. Такі аномалії в основному використовуються для розвідки корисних копалин.

В задачах, пов'язаних з використанням гравіметричних вимірів для вивчення фігури Землі, зазвичай ведуться пошуки еліпсоїда, найкращим чином представляє геометричну форму і зовнішнє гравітаційне поле Землі.