Gravimeter - Gravimeter
Ein Gravimeter ist ein Instrument zur Messung der Gravitationsbeschleunigung . Jede Masse hat ein damit verbundenes Gravitationspotential. Der Gradient dieses Potentials ist eine Kraft. Ein Gravimeter misst diese Gravitationskraft.
Die ersten Gravimeter waren vertikale Beschleunigungsmesser , die auf die Messung der konstanten Abwärtsbeschleunigung der Schwerkraft auf der Erdoberfläche spezialisiert waren. Die vertikale Schwerkraft der Erde variiert von Ort zu Ort über der Erdoberfläche um etwa ± 0,5%. Sie 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 eines Geräts als "Beschleunigungsmesser" zur Bezeichnung "Gravimeter" erfolgt ungefähr an dem Punkt, an dem Korrekturen für Gezeiten vorgenommen werden müssen.
Obwohl Gravimeter in ihrem Design anderen Beschleunigungsmessern ähnlich sind, sind sie typischerweise viel empfindlicher ausgelegt. Ihre ersten Anwendungen bestanden darin, die Änderungen der Schwerkraft aufgrund der unterschiedlichen Dichte und Verteilung der Massen innerhalb der Erde sowie anhand der zeitlichen " Gezeiten " -Variationen in Form und Verteilung der Masse in den Ozeanen, der Atmosphäre und der Erde zu messen .
Gravimeter können Vibrationen und Schwerkraftänderungen durch menschliche Aktivitäten erfassen . Abhängig von den Interessen des Forschers oder Betreibers kann dem durch eine integrierte Schwingungsisolation und Signalverarbeitung entgegengewirkt werden .
Die Auflösung von Gravimetern kann erhöht werden, indem Proben über längere Zeiträume gemittelt werden. Grundlegende Eigenschaften von Gravimetern sind die Genauigkeit einer einzelnen Messung (eine einzelne "Probe") und die Abtastrate (Proben pro Sekunde).
beispielsweise:
Gravimeter zeigen ihre Messungen in Einheiten von Gallonen (cm / s 2 ), Nanometern pro Quadratsekunde und Teilen pro Million, Teilen pro Milliarde oder Teilen pro Billion der durchschnittlichen Vertikalbeschleunigung in Bezug auf die Erde an. Einige neuere Einheiten sind pm / s 2 (Pikometer pro Sekunde im Quadrat), fm / s 2 (Femto), am / s 2 (Atto) für sehr empfindliche Instrumente.
Gravimeter werden für die Prospektion von Erdöl und Mineralien , Seismologie , Geodäsie , geophysikalische Untersuchungen und andere geophysikalische Untersuchungen sowie für die Messtechnik verwendet . Ihr grundlegender Zweck ist es, das Schwerefeld in Raum und Zeit abzubilden.
Die meisten aktuellen Arbeiten basieren auf der Erde, mit einigen Satelliten um die Erde, aber Gravimeter sind auch auf Mond, Sonne, Planeten, Asteroiden, Sterne, Galaxien und andere Körper anwendbar. Gravitationswellenexperimente überwachen die zeitlichen Änderungen des Gravitationspotentials selbst und nicht den Gradienten des Potentials, das das Gravimeter verfolgt. Diese Unterscheidung ist etwas willkürlich. Die Subsysteme der Gravitationsstrahlungsexperimente reagieren sehr empfindlich auf Änderungen des Potentialgradienten. Die lokalen Schwerkraftsignale auf der Erde, die Gravitationswellenexperimente stören, werden abfällig als "Newtonsches Rauschen" bezeichnet, da Newtonsche Schwerkraftberechnungen ausreichen, um viele der lokalen (erdbasierten) Signale zu charakterisieren.
Der Begriff absolutes Gravimeter wurde am häufigsten verwendet, um Gravimeter zu kennzeichnen, die die lokale vertikale Beschleunigung aufgrund der Erde angeben. Relative Gravimeter beziehen sich normalerweise auf differenzielle Vergleiche der Schwerkraft von einem Ort zum anderen. Sie sind so ausgelegt, 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 zum Anzeigen von Beschleunigungsfeldern, auch Schwerkraftfelder genannt . Dies schließt traditionelle 2D-Karten ein, jedoch zunehmend 3D-Videos. Da Schwerkraft und Beschleunigung gleich sind, kann "Beschleunigungsfeld" vorzuziehen sein, da "Schwerkraft" ein häufig missbrauchtes Präfix ist.
Kommerzielle Absolutgravimeter
Gravimeter, um die Schwerkraft der Erde so genau wie möglich zu messen, werden kleiner und tragbarer. Ein üblicher Typ misst die Beschleunigung kleiner Massen, die im Vakuum frei fallen , wenn der Beschleunigungsmesser fest am Boden befestigt 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 "Anstiegs- und Abfall" -Version, die die Masse nach oben wirft und sowohl die Aufwärts- als auch die Abwärtsbewegung misst. Dies ermöglicht das Aufheben einiger Messfehler , jedoch sind "Anstiegs- und Abfall" -Gravimeter noch nicht gebräuchlich. Absolutgravimeter werden zur Kalibrierung relativer Gravimeter, zur Vermessung von Schwerkraftanomalien (Hohlräumen) und zum Aufbau des vertikalen Kontrollnetzwerks verwendet .
Atominterferometrische und Atombrunnenmethoden werden zur präzisen Messung der Erdgravitation 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" vermittelt nicht die Stabilität, Empfindlichkeit, Genauigkeit, Benutzerfreundlichkeit und Bandbreite des Instruments. Daher sollte es und "relativ" nicht verwendet werden, wenn spezifischere Merkmale angegeben werden können.
Relative Gravimeter
Die am häufigsten verwendeten Gravimeter sind Feder -basierte. Sie werden in Schwerkraftuntersuchungen über große Gebiete verwendet, um die Zahl 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 streckt, kann die lokale Schwerkraft gemessen werden. Die Stärke der Feder muss jedoch kalibriert werden, indem das Instrument an einem Ort mit bekannter Gravitationsbeschleunigung aufgestellt wird.
Der derzeitige Standard für empfindliche Gravimeter sind die supraleitenden Gravimeter , bei denen eine supraleitende Niobkugel in einem extrem stabilen Magnetfeld suspendiert wird . Der Strom, der zur Erzeugung des Magnetfelds benötigt wird, das die Niobkugel suspendiert, ist proportional zur Stärke der Erdbeschleunigung. Das supraleitende Gravimeter erreicht Empfindlichkeiten von 10 –11 m · s –2 (ein Nanogal ), ungefähr 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 feststellte, als Arbeiter Schnee von seinem Labordach räumten.
Die größte Komponente des von einem supraleitenden Gravimeter aufgezeichneten Signals ist die Gezeitengravitation von Sonne und Mond, die an der Station wirken. Dies ist ungefähr ± 1000 nm /. s 2 (Nanometer pro Sekunde im Quadrat) an den meisten Stellen. "SGs", wie sie genannt werden, können Gezeiten auf der Erde , Änderungen in der Dichte der Atmosphäre, die Auswirkung von Änderungen in der Form der Oberfläche des Ozeans, die Auswirkung des Drucks der Atmosphäre auf die Erde, Änderungen in der Erde erfassen und charakterisieren die Rotationsgeschwindigkeit der Erde, Schwingungen des Erdkerns, entfernte und nahegelegene seismische Ereignisse und mehr.
Viele häufig verwendete Breitband-Seismometer mit drei Achsen sind empfindlich genug, um Sonne und Mond zu verfolgen. Wenn sie zur Meldung der Beschleunigung betrieben werden, sind sie nützliche Gravimeter. Da sie drei Achsen haben, ist es möglich, ihre Position und Ausrichtung zu ermitteln, indem entweder die Ankunftszeit und das Muster der seismischen Wellen von Erdbeben verfolgt werden oder indem auf die Gezeitengravitation von Sonne und Mond Bezug genommen wird.
Vor kurzem haben die SGs und Breitband-Dreiachsen-Seismometer, die im Gravimetermodus betrieben werden, begonnen, die kleinen Schwerkraftsignale von Erdbeben zu erfassen und zu charakterisieren. Diese Signale erreichen das Gravimeter mit Lichtgeschwindigkeit und können daher die Frühwarnmethoden für Erdbeben verbessern. Es gibt einige Aktivitäten, um speziell angefertigte Gravimeter mit ausreichender Empfindlichkeit und Bandbreite zu entwickeln, um diese sofortigen Schwerkraftsignale von Erdbeben zu erfassen. Nicht nur die Ereignisse der Stärke 7+, sondern auch die kleineren, viel häufiger auftretenden Ereignisse.
Neuere MEMS-Gravimeter , Atomgravimeter - MEMS-Gravimeter bieten das Potenzial für kostengünstige Anordnungen von Sensoren. 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 ist die Mittenfrequenz des Instruments oft gegeben durch
- (im Bogenmaß pro Sekunde)
Der Begriff für die "Kraftkonstante" ändert sich, wenn die Rückstellkraft elektrostatisch, magnetostatisch, elektromagnetisch, optisch, mikrowellen-, akustisch oder auf Dutzende verschiedene 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 Verschiebung
- F äußere Kraft in Abhängigkeit von Ort / Position und Zeit.
F ist die gemessene Kraft und F. /. 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 im Laufe der Zeit zunehmend drei Achsenpositionen messen, die bei zweimaliger Differenzierung ein Beschleunigungssignal ergeben.
Die satellitengestützten Gravimeter GOCE , GRACE , arbeiten meist im Schwerkraftgradiometer- Modus. Sie liefern detaillierte Informationen über das zeitlich veränderliche Schwerefeld der Erde. Die Modelle des sphärischen harmonischen Gravitationspotentials verbessern sich langsam sowohl in der räumlichen als auch in der zeitlichen Auflösung. Wenn man den Gradienten der Potentiale nimmt, erhält man eine Schätzung der lokalen Beschleunigung, die von den Gravimeter-Arrays gemessen wird. Das supraleitende Gravimeternetzwerk wurde verwendet, um die Satellitenpotentiale wahrheitsgetreu zu erden . Dies sollte letztendlich sowohl die satelliten- als auch die erdgestützten Methoden und Vergleiche verbessern.
Es gibt auch transportable relative Gravimeter; Sie verwenden eine extrem stabile Trägheitsplattform , um die Maskierungseffekte von Bewegung und Vibration zu kompensieren, eine schwierige technische Leistung. Die ersten transportablen relativen Gravimeter waren angeblich eine geheime militärische Technologie, die in den 1950er und 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.
Siehe auch
- Geophysikalische Untersuchung
- GOCE Ein modernes satellitengestütztes Gradiometer mit Gravimeterpaaren (Beschleunigungsmessern)
- Schwerkraftgradiometrie
- Elastogravitation
- Felix Andries Vening Meinesz