„По-добре да разбереш, отколкото да видиш.“

Въведение. Думата „гравиметрия” е съчетание от латинската дума „gravis“, което означава тежък и гръцката дума „metriov“, която означава меря, достатъчно точно определят предмета на тази наука в тесния смисъл на думата. В наше време понятието „гравиметрия” се явява неделима компонента от голям кръг науки и научни дисциплини, такива като геодезия, геофизика, астрономия и др.

В началото на науката „гравиметрия” лежат опитите на Галилео Галилей (1564 – 1642) с падащи тела и открития закон от Исак Нютон (1643 – 1727) за всемирното привличане. Едновременно с развитието на теорията са се провеждали и експериментални наблюдения. През 17 век вече били проведени опити по откриване на отклонението на хода на часовниците вследствие изменението на силата на тежестта на повърхността на Земята, полагайки същите тези основи за развитието на методичната част на гравиметрията. Към началото на 20 век били построени достатъчно точни махални прибори, позволяващи откриването на не толкова големи изменения на силата на тежестта, свързани с общия строеж на Земята, но и нейното отклонение, предизвикано от нееднородното разпределение на масата в земната кора, полагайки началото на ново направление в гравиметрията по геологическата интерпретация на резултатите от наблюдаваните значения на силата на тежестта.

През 30 – 40 години това се проявило при търсене на нефтогазовите структури, съществено се ускорил темпът на развитие и усъвършенстването на апаратурата и методите на интерпретация на резултатите от наблюденията. Развитието на физиката е способствало разработката на нови методи за определяне на силата на тежестта и създаването на нови измерителни гравиметрични средства, които съществено са подобрили точността на измерванията и са повдигнали производителността на труда. Било намерено принципиално решение на въпроса за гравиметричните измервания на движеща се платформа, били произведени първите гравиметрични измервания на море.

Появяването на космическите системи е предизвикало към живот на нови направления в гравиметрията – изучаване на гравитационното поле на Земята по изменението на орбита на движение на изкуствените спътници поради притеглянето на други планети.

Към настоящия момент необходимата точност на измерване на УСТ е от порядъка 10^-2 – 10^-3 мГал, поради което върви усъвършенстване на приборите. Днес стои задачата за площно гравиметрично обследване на обширни територии и особено акваторията на Световния океан.

Хидрографска служба на ВМФ се занимава с определяне на силата на тежестта на обширни пространства на Световния океан. Следователно е необходимо да се знаят методите за определяне на ускорението на силата на тежестта. Тези методи ще бъдат разгледани тази публикация.

Класификация на методите за определяне на силата на тежестта. Методите за определяне на ускорението на силата на тежестта може да се разделят на динамични и статични, които принципно се отличават едни от други.

Динамични се наричат такива методи на измерване, когато се извършва движение на тялото, а непосредствено измерваната величина се явява промеждутък от времето, в течение на който даденото тяло се премества от едно фиксирано положение в друго.

Към динамичните методи се отнасят:

– измерване на периода на колебание на махалото;

– измерване на времето за свободното падане на тялото;

– измерване на честотата на колебание на струна, натегната под действието на постоянна маса;

– измерване на скоростта на изтичане на течност през тясно отверстие.

Статистически се наричат такива методи на измерване, когато се наблюдава положение на равновесие на постоянна маса, удържана от силата на еластичността на някакво тяло (пружина, газ и т.п.), а непосредствено измерваната величина се явява линейното или ъглово сместване на масата.

Към статистическите методи се отнасят:

– механичен метод, основан на регистрацията на изменението на положението на маса, намираща се в равновесие под действието на силата на тежестта и еластичната сила на пружина или газа;

– хипсометричен метод, основан на сравнение на резултатите от измерванията на налягането на атмосферата с помощта на живачен барометър и хипсотермометър.

Провеждат се също така опити по установяване на физическата връзка на силата на тежестта с природното магнитно и електрическо поле, с центробежните капилярни сили, с пиезо електрическия ефект.

Прибори, в които действието на силата на тежестта върху масата на чувствителната система се уравновесява от деформацията на някакво еластично вещество или тяло, се наричат статистически гравиметри или просто гравиметри. В практиката на гравиметричната снимка статистическите методи са получили широко разпространение, но само механичните гравиметри. Гравиметрите от всички останали типове понастоящем не могат да осигурят необходимата точност на наблюденията заради високото ниво на различните смущения или на недостатъчното развитие на метрологията и прецизното приборостроене.

Към динамичните гравиметри се отнася струнния гравиметър, който служи за определяне на относителното значение на ускорението на силата на тежестта (УСТ).

При систематични гравиметрични измервания механичните гравиметри, явяващи се основни работни прибори, са доста разнообразни. Те, на свой ред, могат да бъдат класифицирани по редица признаци.

1. По материала, от който е направен еластичния елемент на чувствителната система на прибора: кварцови, метални и кварцово – метални гравиметри.

а) В кварцовите гравиметри еластичния елемент на чувствителната система е изготвен от разтопен кварц. Тънките кварцови нишки и пружини притежават достатъчна здравина, малък коефициент на линейно разширение и сравнително добре запазват своите еластични свойства във времето.

Към недостатъците на топения кварц се отнасят неговата чупливост, способност да натрупва статично електричество и забележимо изменение на неговите еластични свойства при изменение на температурата. Термоеластичния коефициент на топения кварц е в пределите на 110  10^-6 на 1^оС, което предизвиква изменение на положението на равновесие на чувствителната система в гравиметрите, съответстващо на 110 мГал за всеки градус. Поради това в гравиметрите с кварцови системи трябва да се предвидят устройства за температурна компенсация и термо стабилизиране.

б) В гравиметрите с метални еластични елементи на чувствителната система се използват специални сплави, гравиметрична пружинена стомана, която сравнително малко изменя своите еластични свойства при колебанията на температурата. От качеството на сплавта, използвана в конкретен модел на гравиметъра, основно зависи качеството на последния.

Към недостатъците на подобен тип гравиметър се отнасят:

– голям температурен хестерезис;

– възприемчивост към измененията на магнитното поле.

За намаляване влиянието на тези недостатъци трябва да се въвеждат съответните поправки в резултат на полевите наблюдения.

2. По устройството на еластичния елемент на чувствителната система различават гравиметри, в които се използват: пружини, усукани нишки, пружини и усукани нишки съвместно. Формите и вида на пружините са разнообразни. Пружините могат да бъдат цилиндрични, спирални, лентовидни и т.н. Във всеки конкретен прибор-образец формата на пружината се определя от конструктивните особености на модела.

3. По характера на действие на еластичната сила на чувствителната система гравиметрите се подразделят на линейни и въртящи.

а) Линейни – това са такива системи, в които масата извършва постъпателни премествания, и преместването на тежестта е пропорционално на изменението на УСТ. Подобни системи имат линейна скала в пределите на проявлението на закона на Хук.

б) Въртящи – това е такава система, в която масата, прикрепена към лоста на махалото, може да извършва въртеливи движения във вертикална плоскост в кръг около някаква ос, съвпадаща с оста на усуканата нишка или оста на пружината. За запазване на линейността на скалата в тези прибори се използва нулево компенсационния метод на отчет.

4. По способа на регистрация на деформацията на еластичния елемент на чувствителната система на прибора.

а) Оптично визуален способ. Наблюденията за положението на равновесие на чувствителната система се водят при помощта на зрителна тръба, микроскоп или друго подобно устройство. Този способ широко се използва при наземните наблюдения и при снимка от леда. Отчета се взема по измерителна скала непосредствено или при помощта на компенсационно устройство.

б) Оптичен способ с фотографичен запис. При този способ положението на чувствителната система на гравиметъра се регистрира с помощта на лентопротяжен механизъм и оптично устройство на светлочувствителна лента или хартия. Способът позволява продължително съхранение на получената от датчика информация, да се извършват многократни изчисления и да се анализират резултатите от наблюденията. Недостатък на фотографичните записи се явява отсъствието на непосредствен контрол за работата на прибора. Освен това се изисква време за обработка на фото материалите.

в) Фотоелектрически визуален способ. Вследствие сместването на чувствителната система от изходното положение на равновесие в фото елемента възниква електрически ток. Оператор води наблюдения визуално по показанията на електрически измерителен прибор. Дадения способ е изгодно да се използва в гравиметрите с дистанционно управление.

г) Електроемкостен визуален способ. Той се обосновава на това, че при изменението на силата на тежестта се променя разстоянието между плочките на електрическия кондензатор. Това води към изменение на силата на тока в приемния контур и в измерителния прибор, с помощта на който визуално се вземат отчетите.

д) Способ със запис на магнитна лента, оптичен носител или чрез непосредствено въвеждане в ЕИТ. Този способ е получил своето решение в морския гравиметричен комплекс МГК.

5. По способа на отстраняване на барометричното влияние на чувствителната система.

а) Чувствителната система е херметизирана. Нейния еластичен елемент се помества в херметично закрит съд, в който се създава определено налягане, съхранявано постоянно във времето на работа. В този случай поправката за барометричното налягане се оказва постоянна на всички пунктове от гравиметричната снимка и автоматично се изключва при измервания.

б) Чувствителната система е снабдена с барометрична компенсация. Принципа на барометричната компенсация се състои в това, че в пространството, където е поместен еластичния елемент на чувствителната система, се създава обемен момент, равен по величина и обратен по знак на обемния момент на работната част на системата. В случай на равенство на тегловите моменти се получава постоянна компенсация на изменението на атмосферното налягане.

6. По устойчивост на основата, на която работят гравиметрите. Това основание може да бъде устойчиво и не устойчиво.

а) Гравиметри, предназначени за работа на устойчива основа, като правило, астазирован и се използва при наблюдения на сушата. Те са изключително чувствителни към наклон, тласък, колебания на почвата и т.п.

б) Гравиметри, предназначени за работа на неустойчива основа, използват се за гравиметрична снимка на море или във въздуха. Те са демпферовани и са малко възприемчиви към колебания от високо честотния спектър, каквито се явяват вибрациите и различните видове тласъци. Освен това, морските и аеро гравиметрите се установяват в карданен подвес (окачване) или на жиростабилизирана платформа.

Понастоящем на въоръжение в Хидрографска служба на ВМФ са следните средства за изучаване на ГПЗ:

– морски гравиметричен комплекс (МГК);

– махални прибори (МП);

– геодезични комплекси (ГК).

Към дадените средства се предявяват следните изисквания: МГК трябва да осигурява непрекъснати измервания на УСТ на ход и на стоп на кораба със СКП не по-голяма от 1 мГал; МП трябва да осигуряват измервания на УСТ на стоп със СКП не по-голяма от 1 мГал; ГК трябва да осигуряват определяне на УСТ на стоп или дрейф със СКП не по-голяма от 0,5″.