wiadomościmapa firmprenumeratareklamakontaktciasteczka
Najnowsze wydarzenia z dziedziny geodezji, nawigacji satelitarnej, GIS, katastru, teledetekcji, kartografii. Nowości rynkowe, technologiczne, prawne, wydawnicze. Konferencje, targi, administracja.
reklama
strona główna rss
PRENUMERATA TRADYCYJNAPRENUMERATA CYFROWA
film
Jak skanowano największy atlas świata
blog
NAWI

NAWI
DRONY DLA GEODETY

DRONY DLA GEODETY
BENTLEY GEOMAGAZYN

BENTLEY GEOMAGAZYN
TACHIMETRY

TACHIMETRY
SKANOWANIE LASEROWE

SKANOWANIE LASEROWE


reklama
reklama

Pomiary

- część 1 z 3 » »»


Wprowadzenie do grawimetrii geodezyjnej, cz. I

Marcin Barlik

Napływ nowoczesnej aparatury grawimetrycznej i nowe konstrukcje rodzime zmuszają do ciągłego dokształcania się inżynierów, którzy w swej praktyce produkcyjnej nie mieli okazji do zetknięcia się z takimi instrumentami czy nawet zagadnieniami geodezji fizycznej w ogóle.


W ziemskim polu siły ciężkości

Obszernym działem geodezji wyższej jest geodezja fizyczna, zwana też geodezją dynamiczną. Zajmuje się ona między innymi wpływem ziemskiego pola siły ciężkości na wyniki pomiarów geodezyjnych (kąty, odległości, różnice wysokości, współrzędne astronomiczne, azymuty itd.). Zdajemy sobie bowiem sprawę, że każda geodezyjna działalność pomiarowa „zanurzona” jest w tym polu fizycznym Ziemi, podobnie jak i w polu magnetycznym, elektrycznym czy promieniowania jądrowego. Grawimetria geodezyjna kojarzy w sobie zarówno niektóre problemy nauk o Ziemi, jak i nauk technicznych. Zajmuje się ilościowym badaniem jednego z tych pól fizycznych naszego globu, co jest także przedmiotem zainteresowania przyrodników. Stosuje do tego celu coraz subtelniejsze narzędzia i metody pomiarowe, a to jest związane z problemami technicznymi budowy, obsługi aparatury i właściwego opracowania wyników obserwacji.

Od kilku dziesięcioleci szybko rozwija się także grawimetria satelitarna. Jest to dział geodezji i geofizyki satelitarnej traktujący o wykorzystaniu obserwacji perturbacji ruchu sztucznych satelitów do śledzenia anomalii grawimetrycznych wywołanych przez zaburzenia jednorodnego rozkładu mas, szczególnie w skorupie ziemskiej. Metody grawimetrii satelitarnej (zwane też grawimetrią dynamiczną) pozwalają obecnie na coraz subtelniejsze zdalne badania pola siły ciężkości, na coraz mniejszych elementach powierzchni Ziemi.


Autor wraz ze studentami wykonuje pomiary grawimetrem Worden w ramach badań Pienińskiego Poligonu Geodynamicznego (fot. P. Jakubicka)

Przedmiotem niniejszego opracowania są wybrane zagadnienia z zakresu wykonywania, opracowania i wykorzystania pomiarów grawimetrycznych w geodezji. Dodajmy przy tej okazji, że dział grawimetrii geodezyjnej w zastosowaniu do badania kształtu Ziemi ujmowany jest w wykładach geodezji wyższej i geodezji fizycznej dla studentów wyższych semestrów na Politechnice Warszawskiej, na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, na Uniwersytecie Warmińsko-Mazurskim w Olsztynie, w Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie, na akademiach rolniczych, i to zarówno na studiach stacjonarnych, jak i niestacjonarnych, na kursach pierwszego i drugiego stopnia oraz na studiach podyplomowych. Kurs grawimetrii w zastosowaniu do poszukiwań kopalin użytecznych wykładany jest geologom, a także na specjalnościach geofizycznych wydziałów uniwersyteckich. Pomiary grawimetryczne interesują również szerokie grono osób zajmujących się badaniami geodynamicznymi. Wspomnieć przy tym należy, że metody grawimetryczne są niedestruktywnym sposobem poznawania struktury wnętrza Ziemi, nie ingerują czynnie w układ mas podpowierzchniowych.

W pracy niniejszej stosuje się układ jednostek SI (z franc. Systeme International d’Unité), co oznacza wyrażanie natężenia (przyspieszenia) ziemskiej siły ciężkości jako liniowego w m/s-2 i jego podwielokrotnościach lub jako siłowego w N/kg-1. Składowe gradientu (pierwszych pochodnych) siły ciężkości podawane są w s-2. W literaturze światowej i w praktyce stosuje się jeszcze powszechnie jednostki przyspieszenia zwane Galami ku czci Galileo Galilei (1564-1642), przy czym 1 Gal = 1 cm/s-2. W opracowaniach geodezyjnych i geofizycznych najczęściej używa się jednostki 1000 razy mniejszej, czyli miliGala, przy czym 1 mGal = 10 mm/s-2. W pomiarach pierwszych pochodnych ciążenia (czyli drugich pochodnych potencjału siły ciężkości) stosuje się jednostki zwane Etweszami (1 E = 10-9 s-2) od nazwiska Loranda Eötvösa (1848-1919), geofizyka węgierskiego.


Systematyka grawimetrii geodezyjnej

Podstawowym zadaniem grawimetrii geodezyjnej jest okreś­lenie charakterystyk pola siły ciężkości Ziemi i innych ciał niebieskich, jako funkcji miejsca i momentu obserwacji. Jest to możliwe poprzez pomiary natężenia tego pola gobserw i jego gradientów, wykonane na powierzchni bryły naszego globu lub w jego sąsiedztwie. Tok postępowania w zastosowaniu rezultatów pomiarów grawimetrycznych w geodezji fizycznej obejmuje następnie przeciwstawienie poprawionych i odpowiednio zredukowanych wartości zaobserwowanego natężenia tego pola fizycznego (przy użyciu redukcji grawimetrycznej Rgraw i wyższych pochodnych jego potencjału) charakterystykom tzw. normalnego pola siły ciężkości, przede wszystkim normalnego przyspieszenia γnorm. Jest to potencjalne pole modelowe wytwarzane przez jednorodną bryłę o regularnych kształtach – elipsoidę ziemską [Barlik, 1991]. Jej parametry, czyli długość większej półosi równikowej, spłaszczenie geometryczne, prędkość wirowania wokół osi, główne momenty bezwładności określa się współcześnie poprzez wyznaczenia satelitarne. Zatem anomalia grawimetryczna Ag będzie zdefiniowana przez równanie:

W pomiarach wartości siły ciążenia, czyli wartości sumy wektorów grawitacji i siły odśrodkowej, wykorzystuje się wiele zjawisk, takich jak: swobodny spadek ciała w polu siły ciężkości, podrzut i spadek ciała (balistykę), ruch wahadła fizycznego, precesję giroskopu, drgania obciążonej struny, lewitację nadprzewodnika w polu magnetycznym, zakrzywienie powierzchni wirującej cieczy, deformację ciał sprężystych pod działaniem stałej masy, ruch przewodnika lub naładowanych elektrycznie cząsteczek w polu magnesu stałego czy wznoszenie się cieczy w kapilarze. Obecnie – przy współczesnym, szybkim rozwoju techniki i wysokich wymaganiach co do dokładności pomiaru natężenia siły ciężkości – stosuje się obserwacje tylko niektórych z wymienionych zjawisk fizycznych. Ze względu na sposób pomiaru i konstrukcję elementu czujnikowego grawimetru (gravis – z łac. ciężki oraz metreo – z grec. mierzyć) dzieli się metody pomiarów przyspieszenia siły ciężkości na dwie grupy: pomiary dynamiczne (obserwacje ruchu ciała w polu siły ciężkości) i pomiary statyczne (obserwacje stanu równowagi masy czujnika grawitacyjnego, na którą działa zarówno siła ciężkości, jak i siła ją kompensująca, wzorcowa, dokładnie określana mechanicznie lub elektronicznie). Do dynamicznych metod pomiarów grawimetrycznych zalicza się:

  • Pomiary wahadłowe – wykorzystujące obserwacje zależności okresu swobodnego ruchu wahadła od przyspieszenia siły ciężkości w miejscu pomiaru. W aparacie notuje się interwał czasu między kolejnymi przejściami przez położenie równowagi lub od jednego skrajnego położenia do drugiego.
  • Pomiary balistyczne – wykorzystujące realizację równania drogi przebytej w polu siły ciężkości ruchem jednostajnie przyspieszonym (spadek próbnika) lub/i jednostajnie opóźnionym (podrzut i spadek próbnika w próżni).
  • Obserwacje częstotliwości drgań własnych obciążonej metalowej struny, związanej funkcyjnie z wartością przyspieszenia siły ciężkości.

Metody statyczne pomiarów grawimetrycznych polegają na doprowadzaniu masy próbnej M umieszczonej w systemie pomiarowym do stanu równowagi za pomocą wzorcowanej siły kompensującej F. Równanie równowagi spełnione w tym momencie w grawimetrze statycznym przez jego system ma postać znaną z mechaniki:

Siła kompensująca może być wytwarzana przez deformację skręcanej nici, wydłużanie (skracanie) sprężyny, a także przez siłę elektromotoryczną, działającą na przewodnik pod napięciem elektrycznym w polu magnetycznym.

Inny sposób podziału obserwacji grawimetrycznych to wyróżnienie pomiarów absolutnych (bezwzględnych) i względnych (różnicowych). Powiemy na wstępie, że bezpośrednie pomiary wartości drugich pochodnych potencjału siły ciężkości są wyznaczeniami bezwzględnymi. Natomiast pomiary absolutne natężenia siły ciężkości służą do określania pełnej wartości wektora przyspieszenia siły ciężkości g. Ponieważ wymiar przyspieszenia liniowego zawiera w sobie zarówno długość, jak i czas, dlatego określenie natężenia tej siły wymaga pomiaru wartości tych dwóch wielkości. Wymogowi temu odpowiadają tylko metody dynamiczne. Aparatura pomiarowa musi zatem posiadać wzorzec długości (dalmierz, interferometr) i czasu (zegar). Ze względu na ograniczenie rozmiarów aparatury zarówno koniecznością transportu, jak i możliwościami zapewnienia dużej stabilności warunków zewnętrznych (ciśnienie, wilgotność i temperatura powietrza, izolacja od mikrosejsm), odcinek obserwacji ruchu próbnika w aparacie balistycznym nie przekracza 1 m, a interwał czasu – 1 s.

Grawimetryczne pomiary względne służą do określania różnic (przyrostów) natężenia siły ciężkości Dg między stanowiskami obserwacyjnymi. Wyznacza się przy tym zmiany wskazań tego samego przyrządu (grawimetru) na punkcie wyjściowym ciągu (bazowym, oporowym) i na punkcie pomiarowym, na którym określa się wartość przyspieszenia. Rejestruje się za pomocą odpowiedniego systemu odczytowego grawimetru statycznego zmiany długości lub skręcenia nici (czyli deformację sprężyny pomiarowej) lub kąta nachylenia systemu pomiarowego. Natomiast obsługa grawimetru względnego dynamicznego może polegać na rejestracji czasu (okresu) drgań wahadła lub częstotliwości drgań struny.

Do lat 30. ubiegłego wieku pomiary względne wykonywane były głównie aparatami wahadłowymi. Po II wojnie światowej do powszechnego użycia weszły grawimetry statyczne, sprężynowe, bardziej portatywne, wygodniejsze i łatwiejsze w użyciu. Grawimetry statyczne mogą być szerokozakresowe (wielkozakresowe) bądź małozakresowe (wąskozakresowe, geofizyczne). Instrumenty szerokozakresowe służą do pomiarów w grawimetrycznych sieciach światowych, krajowych i regionalnych oraz w sieciach punktów oporowych dla zdjęć poszukiwawczych. Grawimetry wąskozakresowe służą do szczegółowego rozpoznania anomalii grawimetrycznych na ograniczonym obszarze poszukiwawczego zdjęcia geofizycznego, niekiedy w otworach wiertniczych (karotaż grawimetryczny). Instaluje się także precyzyjne grawimetry stacjonarne, które służą do badań pływowych (wywoływanych przez zmiany położenia Słońca i Księżyca w stosunku do obserwatorium i sprężystość skorupy ziemskiej) i niepływowych zmian ciężkości. Są to obecnie grawimetry nadprzewodnikowe, rzadziej już precyzyjne sprężynowe o małym zakresie i zwiększonej czułości. Do pomiarów na obszarach morskich konstruuje się grawimetry denne, zdalnie sterowane, opuszczane w batyskafach w płytkie wody szelfowe. Grawimetry wykorzystywane do pomiarów na pokładach statków, w łodziach podwodnych i w samolotach są specjalnie stabilizowane przy użyciu giroskopów. Do pomiarów na powierzchni innych planet i Księżyca stosuje się przede wszystkim dynamiczne grawimetry strunowe.

Do pomiarów wartości drugich pochodnych potencjału siły ciężkości służą przyrządy dynamiczne i statyczne o odmiennej budowie niż grawimetry. Są to wariometrygradientometry grawitacyjne. Wariometry statyczne posiadają budowę opartą na zasadzie wagi skręceń skonstruowanej przez Eötvösa. Wykorzystywane są do pomiarów na lądzie, do szczegółowego rozpoznania budowy geologicznej małego obszaru wokół stanowiska, rzadziej w geodezji do badania krzywizny powierzchni ekwipotencjalnych i zakrzywienia linii sił (linii pionu) w rozważanym ziemskim polu potencjalnym. Gradient pionowy przyspieszenia ziemskiego jest najczęściej obliczany na podstawie pomiarów grawimetrem statycznym wzdłuż pionowego odcinka bazy o znanej różnicy wysokości [Barlik, 2001b].

część 1 z 3
1 2 3 » »»




dodaj komentarz

KOMENTARZE Komentarze są wyłącznie opiniami osób je zamieszczających i nie odzwierciedlają stanowiska redakcji Geoforum. Zabrania się zamieszczania linków i adresów stron internetowych, reklam oraz tekstów wulgarnych, oszczerczych, rasistowskich, szerzących nienawiść, zawierających groźby i innych, które mogą być sprzeczne z prawem. W przypadku niezachowania powyższych reguł oraz elementarnych zasad kultury wypowiedzi administrator zastrzega sobie prawo do kasowania całych wpisów. Użytkownik portalu Geoforum.pl ponosi wyłączną odpowiedzialność za zamieszczane przez siebie komentarze, w szczególności jest odpowiedzialny za ewentualne naruszenie praw lub dóbr osób trzecich oraz szkody wynikłe z tego tytułu.

komentarze menu_text_pl



reklama
reklama





2009 created by BRTSOFT.com
© 2005-2017 Geodeta Sp. z o.o.
mapa stronyprenumeratareklamakontakt