1. Вимірювання сили ваги на морі методом Венінга - Мейнеса

На рух маятника, крім прискорення сили ваги і вертикальних збурюючих прискорень, сильно впливають горизонтальні прискорення. Для цього голландський геофізик Венінг-Мейнес запропонував спосіб виключення впливу горизонтальних прискорень на маятники.

У способі Венінга-Мейнеса замість вимірювання періоду коливання одного маятника вимірюють період фіктивного маятника, який являє собою різницю кутових відхилень двох ідентичних маятників, які коливаються в одній площині і на які впливають одні і ті ж горизонтальні прискорення. Рівняння, яке описує рух незбуреного впливом горизонтальних прискорень маятника, має вигляд:

d²⁽p

—f + n‘<p = 0, (6.2)

at

Т-

- період коливання,

JL

о

П~

де:

- зведена довжина,

ср - кут відхилення від вертикалі.

Отже, маючи два строго ізохронні маятники, можна виключити вплив горизонтальних прискорень. Але метод Венінга-Мейнеса дає можливість виключити дію горизонтальних прискорень тільки в першому наближенні. Для того, щоб одержати істинну силу ваги, необхідно до виміряного значення додати поправки за дію горизонтальних і вертикальної збурюючих прискорень. Ця повна поправка називається поправкою Броуна, який вперше вказав на необхідність її запровадження

де:

(6-3)

d²x d²y d²z

FF' dt² dt²

- середні значення квадратів збурюючих прискорень за час

спостереження.

Крім горизонтальних і вертикальних збурюючих прискорень, на період коливання маятника впливає нахил підставки, на якій здійснює коливання маятник. Цей вплив враховують поправкою за нахил.

де:

Рок - амплітуда коливання підвісу Кардана, со_к - частота підвісу Кардана,

о)о - частота коливання маятника.

Перші маятникові спостереження виконав норвезький дослідник Ф. Нансен під час дрейфу в арктичних льодах (1893-1896 р ). У 1924 р. Венінг-Мейнес провів вимірювання на підводному човні з тримаятниковим приладом. Точність вимірювання сили ваги приладом Венінга-Мейнеса склала 3-5 мГал.

Систематичні спостереження з маятниками на надводних суднах розпочалися в 30-х роках нашого століття. З 1954 року такі спостереження розповсюдились на весь Світовий океан. У даний час розроблено багато типів сучасних маятникових приладів у різних країнах, їх застосовують головним чином на надводних суднах для спостережень в портах, а також в дрейфі при слабкому хвилюванні моря. Такі спостереження служать для контролю нуль-пункта морських гравіметрів і для уточнення масштабних коефіцієнтів гравіметрів.

2. Статичний спосіб вимірювання прискорення сили ваги на морі

Статичні гравіметри для вимірювання сили ваги на морі знайшли застосування набагато пізніше, ніж маятникові прилади Зараз у морських гравіметрах для зменшення впливу вертикальної складової прискорення руху корабля застосовують сильне Демлфування (рідинне, повітряне, магнітне), під яким розуміють механічний фільтр, який не реагує на прискорення високої частоти, а фіксує тільки зміни прискорення низьких частот^тобто зміни прискорення сили ваги Морські гравіметри мають добре

виражену вісь чутливості, що є однією із переваг гравіметра перед маятниковим приладом. Для морських вимірювань використовують гравіметри обертального типу, у яких маятник перебуває в горизонтальному положенні. Через те горизонтальна складова прискорення судна на покази гравіметра впливає слабо. Але на практиці при морських вимірюваннях гравіметр вміщують у карданний підвіс або втановлюють на гіроскопічно стабілізовану платформу. При установці на гіроплатформі гравіметр стабілізується відносно істинної вертикалі. Але навіть найдосконаліші гіроплатформи мають деякі похибки стабілізації, а тому маятник гравіметра відхиляється від горизонтального положення під дією сили ваги і збурюючих прискорень. Через те при використанні реальних стабілізованих установок вводять відповідні поправки. Для реєстрації горизонтальних прискорень використовують горизонтальні акселерометри, а для реєстрації нахилів - довгоперіодичні нахиломірні маятники з періодом більшим за 100 с. Для зменшення поправки, пов’язаної з кутом відхилення маятника гравіметра від вихідного горизонтального положення, використовують пристрої оберненого зв’язку.

3. Поправка Бтвеша

Крім збурюючих прискорень і нахилів, гравіметричні спостереження на морі завжди спотворюються додатковим відцентровим прискоренням, яке виникає внаслідок руху корабля. Це прискорення залежить від швидкості і напряму руху корабля відносно вектора кутової швидкості обертання Землі 0). Уявна зміна сили ваги, яка реєструється приладом і обумовлена рухом судна відносно Землі, називається ефектом Етвеша. Через те результати вимірювань на рухомій основі необхідно приводити до умов спостережень на нерухомій відносно Землі основі. Щоб одержати формулу поправки Етвеша, приймемо Землю за кулю радіуса R. Для цього розглянемо рис 34.

Рис. 34, Вектори швидкостей руху судна

Нехай судно Р рівномірно рухається з швидкістю V за заданим курсом в азимуті А на широті (р.

Складемо швидкість судна V із швидкістю І)з руху точки Р внаслідок добового обертання Землі.

У цьому випадку відцентрова сила, яка діє на гравіметр, дорівнюватиме

(6.6)

V² V² _ l>l>₃ . о²

Л, я₂ 13

Г, 18

Чі І 27

Нї’ 30

кг 79

0 123

2Х 137

2Х 137

Ігг 137

rw’ 161

£, =4f,-Ag,=2X^,-4g, 167

^ЕР^Е„ = L^arM ~4?р 2А- А?. 167

^_Z^a?,^A^^A^ ^+А^^дя, 167

£ 171

Перший член у правій частині враховує вертикальну складову коріолісової сили, яка виникає при русі в обертальній системі відліку, При швидкості судна V=30 км/год. другий член не перебільшує 1 мГсіл. Отже, при великих швидкостях руху його необхідно враховувати. Знак поправки визначається знаком sinA. Поправка буде максимальною при русі на екваторі ((р=0°, sinA=±l). Якщо V~-30 км/год, тоді AgE =121,5 мГал. Похибки поправки Етвеша, зумовлені похибками вимірювання швидкості і курсу корабля, одержують із співвідношень

mlge " 4.05 cos(p sinA ' w u	(6.10)
m\' - 4.05v costp cos A ' mA,	(6.11)

де:

ni_v - похибка вимірювання швидкості руху корабля. пі а - похибка вимірювання курсу (азимута) корабля.

При іравїметричних дослідженнях шельфової ЗОНИ ШВИДКІСТЬ і курс корабля одержують із допомогою радіогеодезичних систем.

Тоді поправку Етвеша можна реально визначити з точністю (0,4-2) мГал при V=25 км/год, яг_и=(0,1-0,5) км/год і т_А =0,2°-1°. У відкритому океані цю поправку визначають автономними навігаційними приладами; гірокомпасом вимірюють курс (точність 0,5°-1°), а гідродинамічним або гідроакустичним лагом - швидкість з точністю 0,3 км/год. Якщо знаходити поправку за координатами судна, визначеними радіонавігаційними системами або сутт/тниковими навігаційними системами, то

А 0

Ag_E = 7.5-— cos²<p + 0,0012i/ (6.12)

де;

АА - приріст довготи судна за час А/.

4. Гравіметричні знімання на морі

Вимірювання сили ваги на морі в основному проводять на підводних і надводних суднах з допомогою гравіметрів і маятникових приладів. Детальне гравіметричне знімання прибережної смуги виконують донними гравіметрами із судна. Гравіметричне знімання морських акваторій виконують декількома етапами. На підготовчому етапі визначаються параметри приладів, які характеризують їх динамічні властивості, а також визначають ціну .поділки вимірювального мікрогвинта і калібрують реєструючий пристрій. Другий етап роботи передбачає опорні спостереження. Значення прискорення сили ваги на опорному пункті повинно бути відомим, або його визначають біля місця стоянки судна відносно опорної гравіметричної мережі суші. Основним завданням опорних спостережень є визначення з підвищеною точністю опорного відліку приладу, відносно якого в рейсі обчислюють приріст сили ваги. Третій етал-безпосередньо гравіметричні знімання морських акваторій, які виконують переважно на надводних науково-дослідних суднах водотоннажністю від 100 до 17000 тонн в комплексі з іншими геофізичними дослідженнями. Для дослідження шельфу, рифтових областей, перехідних зон від континента до океану виконують з допомогою донних гравіметрів детальне гравіметричне знімання і дуже рідко проводять вимірювання сили ваги на підводних суднах. При спостереженнях на підводному судні визначити з необхідною точністю його координати і швидкість є важкою задачею.

Вимірювання виконується на прямолінійних галсах зі стазою швидкістю. Якщо-, судно змінює курс, то спостереження відновлюють через 10-30 хвилин після початку прямолінійного галсу, тобто після перехідних процесів у вимірювальній апаратурі.

Гравіметричне знімання площі на морі виконують паралельними галсами (профілями), віддаль між якими залежить від масштабу гравіметричної карти і від складності гравітаційного поля даного району. Для контролю знімання виконують повторні спостереження на перпендикулярних галсах або галсах перетину. Точки перетину використовують для врівноважування даних знімання, що дає можливість виключити частину систематичних похибок вимірів

При детальних зніманнях шельфу вимірювання виконують також паралельними галсами (профілями). Від віддалі між галсами залежатимуть точність і масштаб знімання.

Для визначення зміщення нуль-пункту і для контролю ціни поділки гравіметрів в плаванні використовують морський маятниковий прилад. Щоб обчислити поправку Етвеша реєструють координати, а також курс і швидкість судна і додатково вимірюють глибину дна для обчислення аномалій сили ваги. В залежності від району плавання визначення координат судна виконують різними технічними засобами і з різною точністю. При зніманнях прибережної зони високої точності визначення координат (2-50)м можна досягти, використовуючи пряму або обернену кутову засічки. При віддаленні від берега на сотні кілометрів використовують радіогеодезичні і радіонавігаційні системи. Для визначення координат у відкритому океані найбільш широко застосовуються супутникові навігаційні системи. Курс корабля визначають за допомогою про компаса, а швидкість - із вимірювань за доплеровським лагом. Глибину моря вимірюють ехолотом. Морські гравіметричні роботи в даний час забезпечують точність визначення прискорення сили ваги приблизно 0,5 мГал. Цю похибку можна зменшити в декілька разів, якщо проводити багаторазові вимірювання. Є певні резерви подальшого підвищення точності вимірювань (підвищення точності гіроскопічної стабілізації, стабільності нуль-пушсту гравіметрів та інше), і точності навігаційного забезпечення (точність визначення координат, курсу і швидкості судна, глибин моря). Четвертий етап - заключні опорні спостереження. За результатами цих спостережень визначають нєіГязку, яка обумовлена похибкою врахування зміщення нуль-пункту гравіметра. На п’ятому етапі в лабораторних умовах проводять повторні дослідження апаратури з метою контролю стабільності їх параметрів.