Методички 3-й курс 1-й семестр / ДЛЯ ТЕХ КТО МЕТРОЛОГИЮ ЗАВАЛИЛ / sergeev_a_g_metrologiya_istoriya_sovremennost_p

Глава 10. Метрология вокруг нас

Глава 10

МЕТРОЛОГИЯ ВОКРУГ НАС

«

10.1. Метрология, геодезия и астрономия

Связь метрологии с геодезией и астрономией наблюдается с древнейших времен, поскольку и геодезия, и астрономия немыслимы без измерений. Достижения в этих науках напрямую связаны с совершенствованием и развитием метрологии.

Термин «геодезия» ввел в обиход древнегреческий мыслитель и философ Аристотель (384–322 до н. э.). По Аристотелю, Земля – центр Вселенной, и эта геоцентрическая космология сохранялась вплоть до начала исследований Коперника. Аристотель доказывал шарообразность Земли и Луны, считая сферу совершеннейшей геометрической фигурой.

Менее чем через столетие Эратосфен Киренский (276–194 до н. э.) определил длину земной окружности (30 500 км), близкую к современным результатам (около 40 010 км), т. е. с погрешностью 1,3%. Он вычислил координаты острова Родос (Греция) и провел через него родосскую параллель, а затем и сетку параллелей и меридианов.

Древнегреческий ученый Гиппарх из Никеи (180–125 до н. э.), один из основоположников астрономии, известен геодезистам как создатель астролябии – первого угломерного прибора, долгое время служившего для измерения горизонтальных углов. Астролябия является прообразом современного теодолита. Гиппарх первым вел систематические наблюдения за звездами, разработал теорию движения Солнца и Луны, определил размеры Луны и расстояние до нее от Земли. Сравнивая полученные им результаты движения звезд с более ранними данными (III в. до н. э.), Гиппарх открыл явление прецессии и определил продолжительность тропического года с точ- ностью до 6′, а также определил наклон экватора к эклиптике с погрешностью до 5′ и ввел географические координаты – широту и долготу.

274

10.1. Метрология, геодезия и астрономия

Обобщение всех известных на тот момент астрономических знаний сделал древнегреческий астроном и географ Клавдий Птолемей (90–168) уже в новом веке. Он подготовил знаменитый «Альмагест» (или «Великое математическое построение астрономии») в 13 книгах, который до появления книги Н.Коперника «Об обращении небесных сфер» оставался непревзойденным анализом совокупности астрономических знаний.

В последующие примерно 750–800 лет особых достижений в астрономии и геодезии не было отмечено. Лишь в 990–995 гг. среднеазиатский ученый-энциклопедист Бируни (973– ок. 1050) определил наклон плоскости эклиптики к экватору. В 1019 г. Бируни с помощью квадранта выполнил измерение высоты Солнца для зимнего и летнего солнцестояния, а в 1020 г. определил момент весеннего равноденствия и длину дуги меридиана (1°). Его результаты близки к современным. В 1025 г. Бируни выпустил первый труд под названием «Геодезия», где приведено описание геодезических приборов,

ñпомощью которых могут быть определены географические координаты, расстояния и азимуты.

Êначалу XVII в. благодаря учению польского астронома Н. Коперника (1479–1543) стало известно о гелиоцентричности мира. В 1540 г. картограф из Фландрии (Голландия) Г. Меркатор (1512– 1594) одним из первых реализовал метод триангуляции (измерения

ñпомощью треугольников) для создания точных карт Голландии. Эту работу продолжил в Голландии профессор Лейденского универ-

ситета С. Виллеброд (1580–1626). Методом триангуляции он измерял дуги меридиана с точностью до 3′. К этому времени немецкий астроном И. Кеплер (1571–1630) открыл законы движения планет. Он же изобрел и первый телескоп с двояковыпуклыми линзами.

По инициативе Парижской академии наук в 1669 г. французский астроном Ж. Пикар (1620–1682) также методом триангуляции измерял дуги меридиана. При этом он впервые использовал угломерные приборы со зрительными трубами и сетчатой разметкой, маятниковые и пружинные часы, микроскоп, цилиндрический уровень и получил результаты, близкие к современным. Он был первым, кто высказал предположение о выпуклости Земли у полюсов. Также первым Пикар стал изучать и учитывать погрешности приборов в результатах измерений.

275

Глава 10. Метрология вокруг нас

Â1655 г., наблюдая в созданный им телескоп, Х. Гюйгенс (1629– 1695) открыл один из спутников Сатурна – Титан. К этому же времени относится изобретение им маятниковых часов, совершенствованием которых он занимался почти 40 лет.

Â1679 г. профессор Болонского университета Джованни Доменико (1625–1712) дал первое и надежное определение параллакса Солнца.

К XVII в. относятся и работы выдающегося английского математика, астронома и физика И. Ньютона (1643–1727), которого с полным основанием можно причислить и к метрологам как изобретателя зеркального телескопа и автора работ по оптике. Он обосновал приплюснутость Земли у полюсов и установил, что средняя плотность Земли равна плотности гранита.

Âконце XVII–начале XVIII в. свою лепту в практическое использование полученных результатов вложили российские мыслители и ученые – Л.Ф. Магницкий, В.Н. Татищев, Ж. Никола, И.К. Кириллов, Ф.И. Соймонов и Л. Эйлер – и, конечно, Петр I с его необычайной тягой ко всему новому, прогрессивному.

Безусловно, особняком стоит величайший энциклопедист того времени М.В. Ломоносов (1711–1765). Не останавливаясь на всех новациях этого гения, отметим, что он одним из первых в мире обратил внимание на важность изучения ускорения силы тяжести во времени, разработал в 1749–1756 гг. статический гравиметр – барометр. С 1757 по 1765 г. М.В. Ломоносов возглавлял Географический департамент Академии наук. Им были заложены основы картографии в России, инициирована подготовка геодезистов и астрономов, начаты гравиметрические исследования. В 1756–1761 гг. Ломоносов разработал новый способ определения астрономического азимута, «ночезрительную трубу» и положил начало развитию современной геодезии.

Нельзя не упомянуть и о его исследованиях в области термометрии. В 1747 г. М.В Ломоносов, исходя из своей кинетической теории теплоты, сделал весьма важный вывод о наличии нижней предельной точки шкалы и об отсутствии предела для верхней [21]. Вообще, трудно назвать отрасль знаний, используемых в метрологии, где бы М.В. Ломоносов не приложил свой гениальный ум. Это и оптика, и электродинамика, и механика, и многое другое.

276

10.1.Метрология, геодезия и астрономия

Â1759 г. французский математик и астроном А. Клеро (1713–

1765) с высокой точностью вычислил появление кометы Галлея.

Âэтот же период его соотечественник – военный инженер, а затем и член Парижской академии наук Ж.Ш. Борда изобрел ряд приборов для угловых измерений с высокой точностью, ввел температурные поправки в геодезические измерения, а также методику точного (двойного) взвешивания (метод Борда). В период Великой французской революции участвовал в комиссии по введению десятичной системы мер и весов.

Конец XVIII–начало XIX в. ознаменовались наступлением метрической системы мер, воспроизведением естественной единицы длины, связанной с измерением длины дуги Парижского меридиана. Эти измерения проводил французский астроном, геодезист и метролог Ж. Деламбр (1749–1822). В его работах использовались и результаты выдающегося французского математика П. Лапласа (1749–1827).

Отображать рельеф земной поверхности штрихами на картах и планах предложил саксонский военный топограф И.-Г. Леман (1765–1811). Эту идею ему подал Фридрих Великий, по требованию которого наибольшая крутизна поверхности, начиная с 45°, закрашивалась черным цветом, как недоступная для передвижения войск. Так появилась геодезическая шкала Лемана.

Весьма результативна геодезическая деятельность выдающегося математика из Германии К. Ф. Гаусса (1777–1855). В своей знаменитой книге «Теория небесных тел» (1809) он излагает методы вы- числения орбит планет, обращающихся вокруг Солнца, а также предлагает использовать для обработки результатов метод наименьших квадратов и среднеквадратическую ошибку. Его методология не утратила своего значения до настоящего времени. В книге «Исследования о предметах высшей геодезии» (1842) описан ряд принципов измерения дуги меридиана, отражены вопросы картографии. По мнению ученых, геодезические работы Гаусса были практической основой всех его геометрических открытий. Изобретенный им гелиотрон – геодезический прибор, предназначен для точных измерений горизонтальных углов в триангуляции. Совместно с В. Вебером он предложил абсолютную систему электромагнитных единиц.

277

Глава 10. Метрология вокруг нас

Середина XIX в. – время уточнений параметров Земли, орбитальных траекторий и разработки математических принципов метрологии. Наиболее плодотворны результаты немецкого ученого Ф. Бесселя (1784–1846), русских – К.И. Теннера (1783–1860), В.Я. Струве (1791–1864), А.П. Болотова (1803–1853) и Ф.Ф. Шуберта (1789– 1865).

Бессель разработал теорию ошибок астрономических инструментов, т. е. ввел понятие систематических погрешностей. Он является одним из основателей сфероидной геодезии. Им исследована геометрия Земли и установлено, что геометрически Земля – это эллипсоид вращения. Он изобрел базисный прибор для геодезии, который был потом усовершенствован К.И. Теннером.

ÂРоссии данное направление было развито Шубертом и первым директором Пулковской обсерватории (с 1834 по 1862 г.) В.Я. Струве. Его вклад в геодезию и астрономию многогранен и неоценим. Все известные достижения в этих областях он реализовал практически, разработал новые приборы и методы измерения. Его результаты всегда отличались надежностью и точностью. В.Я.Струве стал родоначальником целой династии астрономов – продолжателей его дела: сын Отто Васильевич, внуки Герман Оттович и Людвиг Оттович, правнук Отто Людвигович – все они работали не только в Пулкове, но и в обсерваториях Берлина, Кенигсберга, Харькова, Бонна, Милана, Лейпцига, а также в США. В честь династии астрономов и геодезистов Струве одна из планет названа Струвеана.

Наряду с академиком В.Я. Струве, генералами Ф.Ф. Шубертом

èК.И. Теннером в русской геодезии оставил память о себе и их современник И.И. Ходзько (1800–1881), руководивший многими геодезическими экспедициями на западе России и Кавказе.

Âкниге «Геодезия» А.П. Болотова изложена вся история определения формы и размеров Земли – от Эратосфена до Струве. Им разработана штриховая шкала отображения рельефа на картах – шкала Болотова, представляющая усовершенствованную по точности воспроизведения местности шкалу Лемана.

Фототопографические работы в России впервые начал осуществлять Р.Ю. Тилле (1843–1911). Им разработаны средства и методы фототеодолитной съемки, а также аэросъемки с аэростатов и воздушных шаров.

278

10.1. Метрология, геодезия и астрономия

П.К. Залесский (1850–1916) исследовал погрешности в определении географических координат в различных метеорологических условиях. Он проводил наблюдения солнечных пятен и полных солнечных затмений с 1882 по 1907 г. Особое внимание Залесский уделял способам обработки данных с целью определения точности геодезических и астрономических работ.

Большой вклад в конструирование и производство на заводах Цейса стереодальномеров и теодолитов внес К.Пульфрих (1858– 1927), один из основателей фотограмметрии. Его приборы с небольшими видоизменениями существуют до сих пор.

Способ определения времени универсальным прибором по моментам прохождения в меридиане южных звезд вошел в геодези- ческую астрономию как способ Павлова, названного так в честь его автора, российского военного геодезиста Н.Д. Павлова (1867– 1929).

Основателем геодезической науки и геодезического приборостроения в СССР считается Ф.Н. Красовский (1878–1948). Воспитанный на работах Гаусса, Бесселя, Шрайберга, он еще в дореволюционные годы увлекся геометрией Земли и методами снижения погрешностей измерений. В 1915 г. выходит его работа «О погрешностях и неувязках в теодолитных ходах». По его инициативе в 1929 г. был организован Государственный институт геодезии и картографии (впоследствии ЦНИИГАиК); он стал его первым директором.

Красовского всегда интересовала проблема размеров и сжатия земного эллипсоида, поскольку эллипсоид Бесселя, принятый в 1846 г., имел существенные погрешности. В результате 7 апреля 1946 г. скорректированный эллипсоид, названный именем Красовского, был принят для применения при производстве геодезических и картографических работ.

Исследования в области гравиметрии и конфигурации Земли, опыты с отклонениями светового луча, первые гравиметрические съемки СССР (1932), гравиметрические измерения при изучении Курской магнитной аномалии – все это этапы работ выдающегося российского астронома и геодезиста А.А. Михайлова (1888–1983), директора Пулковской обсерватории с 1947 по 1964 г., основателя нового направления – геодезической гравиметрии.

279

Глава 10. Метрология вокруг нас

Дальнейшее развитие гравиметрии, фотометрии, астрономии и соответствующего приборостроения связано с достижениями космонавтики.

Огромные земные расстояния геодезисты измеряют с точностью до нескольких сантиметров. Ведь даже обычный компас теперь превратился в электронный прибор. Вместо магнитной стрелки в нем использован индикатор электромагнитной индукции в катушке, вращающейся в магнитном поле Земли. Точное цифровое значение угла отклонения от направления север–юг высвечивается на жидкокристаллическом табло.

Геодезия, астрономия и астронавигация широко используют родившийся в нашей стране чуть больше двух десятилетий назад метод сверхдальней радиоинтерферометрии. В основе его – все то же наблюдение объекта (но с помощью радиотелескопов) из разных точек, расстояние между которыми (базис) определено с высокой точностью.

10.2. Метрология, экология и гидрометеорология

Одной из фундаментальных проблем нашего времени является контроль за состоянием окружающей природной среды. Контроль может осуществляться двумя методами: в виде прямого измерения концентраций загрязнителей или таких веществ, как кислород, содержание которых при загрязнении уменьшается, и с помощью биологических показателей, которые могут быть очень разными – от показателей биохимического потребления кислорода до индикаторов различных загрязнителей.

Живое вещество Земли – это в основном зеленые растения суши, масса которых составляет всего лишь 0,00001% массы земной коры. А масса животных намного меньше. Правда, за 1 млрд лет Земля носила на себе такое количество живого вещества, которое по массе не уступает земной коре, а продукция этого живого вещества в 10 раз тяжелее коры Земли. Это вроде бы не страшно, поскольку природа постоянно занята самообновлением. Например, взрослое дерево за сутки выделяет до 180 м3 кислорода. Но человек в состоянии покоя потребляет кислорода в 2 раза больше, а при интенсивной работе ему потребуется до 900 м3 кислорода в сутки. Следова-

280

10.2. Метрология, экология и гидрометеорология

тельно, для равновесия атмосферы на Земле должно быть в 5 раз больше деревьев, чем людей. Но и этого мало. Надо учесть оборотную сторону цивилизации. Легковой автомобиль на 1000 км пробега потребляет кислорода столько, сколько человеку хватает на год. Один реактивный пассажирский самолет по дороге из Европы в Америку сжигает 35 т кислорода. Это дневная продукция 3000 га леса. Планета за год теряет до 9 млрд м3 кислорода, место которого занимает углекислый газ.

Воздушный океан сейчас содержит более 500 млн т угарного газа. Две трети из них создано индустриальной деятельностью человека. Больше 200 млн т угарного газа выпустили в воздух планеты автомобили, суммарная мощность которых в масштабах Земли в 10 раз превышает мощность всех электростанций. Мы сбрасываем отходы в моря, реки и озера. Окрестности мегаполисов превратились в громадные свалки. Промышленные предприятия, системы отопления, свалки выбрасывают в атмосферу миллиарды кубометров углекислого газа (диоксида углерода), метана и других газов, создающих парниковый эффект.

Самый вредный продукт, выбрасываемый в атмосферу, – двуоксид серы. Ежегодно 150 млн т этого вещества устремляются ввысь из труб угольных электростанций и котельных, чтобы затем вернуться на землю кислотным дождем.

От индустриальной деятельности человека страдает не только атмосфера. Ежегодно заводы сбрасывают в водоемы планеты 32 млрд м3 неочищенных вод. Если выливать эти грязные воды в канал глубиной 10 м и шириной 100 м, то таким каналом можно опоясать всю Землю на широте Москвы. Поэтому велика роль метрологов, которых часто называют «техническими милиционерами» в благородном деле охраны природы. Например, измерение содержания оксида углерода в выхлопных газах автомобиля обязательно.

Аналитические приборы, предназначенные для контроля загрязнения окружающей среды, градуируют в диапазоне концентраций веществ-загрязнителей – от близких к возможным до допустимых. Предельно допустимые концентрации многих вредных веществ в воздухе, воде и почве относятся к области следовых и микроконцентраций.

281

Глава 10. Метрология вокруг нас

На предприятиях метрологи контролируют не только качество продукции, но и технологическую дисциплину, проверяют соблюдение норм, ограничивающих выбросы вредных веществ. Коэффициенты полезного действия золоуловителей, газоочистных и пылеулавливающих установок, уровень вредных ионизирующих и электромагнитных излучений, экологическая чистота сырья и топлива – все эти параметры измеряются и сравниваются с нормами. Невыполнение норм влечет за собой применение административных и даже более строгих санкций.

Замечательным помощником в деле охраны природы стал лазер. Особенно эффективны лазерные приборы на службе защиты атмосферного воздуха. Принцип лазерного зондирования атмосферы (до высот 30–40 км) основан на взаимодействии лазерных импульсов с аэрозолями, состоящими из дыма, пыли и смога (мельчайших твердых частиц). Лазерные устройства можно установить даже в трубе промышленного предприятия. При этом такое устройство справляется с экспресс-анализом за считанные минуты.

Лазерные газоанализаторы улавливают одну десятимиллионную долю нужного газа в испытуемой среде. Каждый газ откликается только на определенное лазерное излучение. Интересно, что отдельные газоанализаторы способны также осуществлять поиск полезных ископаемых (газы – спутники месторождений) и предсказывать землетрясения (по поступающим из недр углеводородам).

Чистоту веществ-загрязнителей определяют всеми существующими методами анализа. Наиболее точными и перспективными из них считаются абсорбционная спектроскопия, масс-спектрометрия, методы ядерно-магнитного резонанса, хроматография, некоторые электрохимические методы.

Конечно, в одной работе невозможно отразить все метрологи- ческие принципы, используемые при экологическом контроле. Поэтому остановимся лишь на проблемах метрологического обеспече- ния контроля за качеством природной водной среды. Рассмотрим состояние измерений факторов загрязнения водной среды с использованием биологических показателей – отклика живых организмов на действие загрязнителей.

282

10.2. Метрология, экология и гидрометеорология

Действующая в настоящее время система контроля за качеством водной среды рассчитана в основном на анализ гидрохимическими методами с использованием нормативов предельно допустимых концентраций. Для повышения эффективности контроля сейчас уже необходимо переходить на экологическое нормирование. Дело в том, что сточная вода содержит многие десятки и сотни загрязняющих веществ, число которых может меняться в процессе очистки. Даже в пределах одного типа производства в зависимости от выбранных технологических схем, характера используемого сырья, типа очистных сооружений, глубины очистки и многих других причин состав вод неодинаков. Обычная проверка поверхностных вод на загрязнение сточными водами проводится по содержанию некоторых веществ, выбранных в качестве основных компонентов, частич- но объективно, частично субъективно. Остальные компоненты обычно не учитываются или определяются по показателям химического потребления кислорода.

Âусловиях, когда в водоемы попадают вещества, биологически опасные для находящихся в них гидробионтов, наиболее достоверными методами токсикологического контроля являются методы биологического тестирования. Под биотестом понимают оценку в строго определенных условиях действия вещества или комплекса веществ на водные организмы путем регистрации изменений того или иного биологического (или физиолого-биохимического) показателя исследуемого объекта по сравнению с контролем. Испытуемые организмы называют тест-объектами. Таким образом, цель биотестирования – выявление степени токсичности воды и характера загрязняющих ее веществ. Биотестирование вод способно снабдить интегральными показателями степени опасности сточных вод, тем самым обеспечивая учет влияния всей совокупности загрязняющих веществ и эффектов возможных взаимодействий между этими веществами.

Âбольшинстве работ по биотестированию тест-объектами являлись биологические объекты самых разных систематических групп – микроорганизмы, водоросли, простейшие, низшие, ракообразные, моллюски, рыбы, культуры тканей, ферментативные реакции и др. В качестве основных токсикантов рассматривали тяже-

283