Perspektywy dla badań i praktyki użycia zmodyfikowanego spektrometru Ramana
HISTORIA I ZNACZENIE BADAŃ NATĘŻENIA POLA SIŁY CIĘŻKOŚCI W BADANIU FIGURY ZIEMI NA OBSZARZE POLSKI - prof. Andrzej Pachuta
1. HISTORIA I ZNACZENIE BADAŃ
NATĘŻENIA POLA SIŁY
CIĘŻKOŚCI W BADANIU FIGURY ZIEMI
NA OBSZARZE POLSKI
Andrzej Pachuta
Politechnika Warszawska, Wydział Geodezji i Kartografii
Katedra Geodezji i Astronomii Geodezyjnej
Politechnika Warszawska
2. łac. ab ovo:
siła ciężkości =
siła przyciągania (Newton)
+ siła odśrodkowa
fg
3. 3
Pomiary grawimetryczne
Pomiar wartości przyspieszenia siły ciężkości - g
Pomiar
grawimetryczny
Metody
dynamiczne
Grawimetr
wahadłowy
Grawimetr
balistyczny
Grawimetr
strunowy
Metody
statyczne
Grawimetr
statyczny
4. Pomiary grawimetryczne
Pomiary absolutnej wartości przyspieszenia siły ciężkości – g
lub różnicy przyspieszenia siły ciężkości - g
Pomiary absolutne – g
grawimetry wahadłowe
(do lat siedemdziesiątych)
grawimetry balistyczne
Pomiary różnicowe
(względne) – g
grawimetry statyczne
5. Grawimetr wahadłowy
Grawimetr wahadłowy wykorzystuje pomiar okresu wahań
wahadła fizycznego. Jest on związany z przyspieszeniem siły
ciężkości następującym równaniem.
2
2
T
L4
g
6. MASA PRÓBNA
x1, t1
x2, t2
x3, t3
zwierciadło
zwrotne
LASER
zwierciadło
dzielące
Interferencja
Signal
Fotodetektor
x1, t1 x2, t2 x3, t3
Metoda balistyczna
Równanie drogi w polu siły ciężkości
Wyznaczenie wartości przyspieszenia
metodą balistyczną odbywa się przez
pomiar drogi (x) i czasu (t) swobodnego
spadku ciała w polu siły ciężkości.
4
i
3
io
2
ii00i gt
24
1
tv
6
1
gt
2
1
tvxx
2
ii gt
2
1
x
Przy założeniu niejednorodności pola
grawitacyjnego otrzymujemy:
8. Rola i wymogi dokładnościowe współczesnych
pomiarów grawimetrycznych
Źródło: ESA
Badanie geoidy
Poprawki niwelacyjne
Geofizyka
poszukiwawcza
Sieci grawimetryczne
Geodynamika
Grawimetria satelitarna
Grawimetria względna
Grawimetria
absolutna
Wykorzystanie
Techniki
pomiarowe
źr: ESA
9.
10.
11. • swobodny spadek masy próbnej
(pryzmatu)
• pomiar czasu w ustalonych
interwałach drogi
• wyznaczenie wartości przyspieszenia
na podstawie równania
Metoda balistyczna wyznaczenia
absolutnej wartości przyspieszenia siły ciężkości
43
0
2
0
2
00
24
1
6
1
2
1
2
1
gttvtxGgttvxx
+ wyznaczenie absolutne
+ naturalne jednostki [ms-2 ]
+ błąd względny: mg/g ≈ 10-9
+ brak zjawiska dryftu
- długi czas obserwacji
- ograniczona mobilność
- zużycie instrumentu
- niezbędna okresowa kontrola
1 ms-2 = 102 Gal = 105 mGal = 108 mGal
12. pomiary g w okresie eksperymentu
Huygens(16!!)
–wahadłomatematyczne
JeanRichter(1696)–
obserwacjazmianyokresu
wahańprzyczyniłasiędo
zmianypoglądunakulistość
Ziemi
Bessel(1826)
–grawimetrwahadłowy
Kater(1829)–grawimetr
rewersyjny
t
14. I. Marson, International Journal of Geophysics (2012)
1950 ⇒ grawimetria polowa, grawimetria absolutna, grawimetry nadprzewodnikowe,
grawimetry atomowe …
wzrost dokładności wyznaczania g
t
15. Początki badań grawimetrycznych na terenie Polski
ponad 100 lat temu
„…Ludwik Antoni, z wykształcenia matematyk i fizyk, zasłynął na
przełomie stulecia monografią Kopernika wydaną przez PAU. Żonaty z
Zofią Karlińską, córką profesora astronomii UJ, miał jedenaścioro dzieci.”
Wywiad z Prof. Krzysztof Birkermajerem
Autor pierwszej polskojęzycznej pracy z dziedziny teorii kształtu Ziemi i
grawitacji wydanej w 1887 roku, poszerzającej opracowania Clairauta.
Autor pierwszych na ziemiach
Polskich wyznaczeń wartości
przyspieszenia siły ciężkości
aparatem różnicowym Sternecka z
1887 roku. W czerwcu i lipcu 1895
roku dowiązał punkt
grawimetryczny w Obserwatorium
Astronomicznym UJ do punktu w
Wiedniu oraz założył sieć „8 stacyj
wahadłowych naszego kraju”
16. Początki badań grawimetrycznych na terenie Polski
100 lat temu
W 1919 r. Birkenmajer opublikował w „Rozprawach Wydziału Matematyczno-
Przyrodniczego Akademii Umiejętności w Krakowie” wyniki pomiarów
grawimetrycznych przeprowadzonych w kopalni soli w Bochni wykonanych na
głębokościach 0,0; 0,2; 0,4km w profilu pionowym. Pomiary i obliczenia wykonywane
były przez Birkenmajera niezwykle precyzyjnie, a metody, które stosował, bardzo
zbliżone do współczesnych. Na ich podstawie wyznaczył z dużą dokładnością gęstości
kompleksów skalnych leżących między punktami pomiarowymi.
Jest to pierwsza podziemna seria pomiarów
wykonanych na ziemiach polskich, a szósta tego typu na
świecie (po Airy’m i Sternecku). Rozprawa Birkenmajera
jest natomiast pierwszą w polskiej literaturze i jedną z
pierwszych na świecie rozpraw dotyczących
podziemnych pomiarów grawimetrycznych.
„sposób redukcji pomiarów podziemnych
wprowadzony przez Autora oceniam bardzo
wysoko”
Fajklewicz, 2007
17. Początki
100 lat temu
Maurycy Pius Rudzki
• Profesor nauk przyrodniczych na Uniwersytetach w
Lwowie, Wiedniu, Charkowie i Odessie;
• Kierownik pierwszej w Polsce i na świecie Katedry
Geofizyki Matematycznej i Meteorologii
Uniwersytetu Jagiellońskiego od 1895 roku;
• Wykonał przewiązania grawimetryczne
Obserwatorium Krakowskiego do punktów w
Wiedniu i Kijowie;
• Autor koncepcji „idealnej” redukcji
grawimetrycznej poprzez inwersje mas nie w
sposób nie powodujący efektu pośredniego zmiany
kształtu powierzchni geoidy w koncepcji badania
rozwiązania trzeciego zagadnienia brzegowego w
zadaniach wyznaczania figury Ziemi
Autor przełomowego wówczas podręcznika
zawierającego rozwinięcie ówczesnej wiedzy na
temat geofizyki!Dormus, 2011
18. Okres międzywojenny
grawimetria stosowana
Państwowy Instytut Geologiczny – zakup wag skręceń i grawimetru
sprężynowego używanych z praktyce poszukiwawczej (Kujawy,
Lubelszczyzna, Podkarpacie). Prof. Pawłowski (absolwent Wydziału
GIK PW) wykonał pierwszą mapę anomalii grawimetrycznych w
przedwojennych granicach Polski.
Antoni Kwiatkowski w 1922 r. rozpoczął studia na Politechnice
Warszawskiej. W 1926 r. otrzymał tytuł inżyniera geodety. W
następnym roku rozpoczął pracę zawodową w Głównym Urzędzie
Miar, w sekcji pomiarów długości i czasu.
W 1928 r. podjął również pracę naukową na Politechnice
Warszawskiej w 1931 r. w Katedrze Geodezji Wyższej. W wyniku
prowadzonych w latach 1926–1939 badań, wykorzystując do ich
wykonania bazę laboratoryjną GUM, na terenie całego kraju
zorganizował 221 punktów grawimetrycznych i wyznaczył dla nich
przyspieszenie siły ciężkości.
19. Okres powojenny
grawimetria stosowana
Prof. Tadeusz Olczak był w latach 1953–60 Dyrektor Instytutu Geofizyki PAN; od
1954 profesor Uniwersytetu Warszawskiego; zajmował się gł. grawimetrią,
geomagnetyzmem i sejsmologią; prowadził pomiary grawimetryczne na terenie
Polski, badał anomalie grawimetryczne w rejonie Kłodawy i Łodzi, wskazał na
związek pola siły ciężkości ze strukturami wgłębnymi; oprac. unikatową metodę
pomiarów gradientów pola grawitacyjnego za pomocą wagi skręceń Eőtvősa; autor
map grawimetrycznych Polski (1931, 1951, 1953).
W książce Prof. Zbigniewa Fajklewicza z 2007 roku czytamy: „…W latach 1953-
1954 Prof. Olczak prowadził również wykłady z zakresu fizyki
Ziemi oraz grawimetrii na kierunku Geofizyka Stosowana w AGH.
Pięknie i precyzyjnie skonstruowane wykłady niewątpliwie zaważyły
na decyzji autora tej książki o podjęciu badań grawimetrycznych
jako swojego głównego zadania.”
Przedsiębiorstwo Badań Geofizycznych – grawimetria poszukiwawcza
Państwowy Instytut Geologiczny wraz z PBG, IGIK oraz WGIK – osnowa
grawimetryczna
20. Okres powojenny
grawimetria stosowana
Półszczegółowe zdjęcie grawimetryczne
jakim dysponujemy jest zdjęciem
o wysokiej jakości dorównującej
najlepszym standardom europejskim.
Cechuje je duża dokładność uzyskiwana
dzięki wysokiej precyzji stosowanych
przyrządów pomiarowych (grawimetry
Sharpe, Worden, Scintrex). Średni błąd
kwadratowy pomiaru poszczególnych
zdjęć waha się w przedziale ±(0,02–0,07)
mGala. Zagęszczenie punktów
pomiarowych jest duże i wynosi od 1,5
do 6 pkt/km2 co daje około 1 350 000
punktów grawimetrycznych w Polsce.
Cieśla, Wybraniec, 2001
21. Okres powojenny
grawimetria stosowana
Grawimetria stosowana
AGH
Prof. Edward Janczewski
Organizacja studiów geofizyki stosowanej
Prof. Zbigniew Fajklewicz
Mikrograwimetria, interpretacja w zakresie
rozpoznania złóż, identyfikacja terenów szkód
górniczych
Dr hab. Janusz Madej
Integracja metod poszukiwań geofizycznych,
geodynamika
PBG
Kazimierz Maryniak
Metodyka sporządzania szczegółowego zdjęcia
grawimetrycznego
Stanisław Wybraniec
Organizator bazy danych grawimetrycznych i
magnetycznych
Grawimetria geodezyjna
PIG
Pierwsza osnowa grawimetryczna i układ PIG62
GIK PW
W. Dobaczewska
Pomiary wahadłowe na osnowie I klasy
Prof. Zbigniew Ząbek
Konstrukcja grawimetru balistycznego, pierwsze
pomiary grawimetryczne na Antarktydzie
Prof. Marcin Barlik
Metody kalibracji grawimetrów względnych,
badanie figury Ziemi, pomiary absolutne i
geodynamiczne
IGIK
Dr. Janusz Bokun
Mapa anomalii grawimetrycznych, pierwszy
model geoidy grawimetrycznej
Prof. Andrzej Sas-Uhrynowski
Współczesna osnowa grawimetryczna
22. Początki pomiarów absolutnych
lata dziewięćdziesiąte
• Brak współczesnej aparatury w Polsce
• Sieć grawimetryczna zakładana w
latach siedemdziesiątych nie
zrealizowana przez 20 lat
• Pojedyncze i lokalne wyznaczenia g
(GABL, aparat wahadłowy)
• Brak bazy kalibracyjnej o odpowiednim
zakresie
g
geodynamika
Sieć
grawimetryczna
25. Osnowa grawimetryczna Polski (1994-1997)
Błąd wyrównanej wartości g na stacji osnowy < ±0.014 mGal (0.14 μm·s-2) [10-8g]
System grawimetryczny POGK98
- 12 stacji absolutnych
g wyznaczone przez zespoły
Finlandii, Niemiec, Polski,
USA, Włoch
- 363 stacji g wyznaczone przy
użyciu grawimetrów względnych
26. Modernizacja osnowy grawimetrycznej Polski
(2005-2011)
• założenie nowych, dodatkowych
stacji absolutnych (FG5-230) ale bez
ponownych pomiarów na starych
punktach osnowy
• modernizacja grawimetrycznych
baz kalibracyjnych
(całkowicie oparte na stacjach
absolutnych)
- Centralna
- Zachodnia
- założenie 2 „pionowych”
grawimetrycznych baz
kalibracyjnych w górach
(Tatry, Sudety)
27. Założenie nowoczesnej osnowy grawimetrycznej
w Polsce (2012-2015)
• tylko stacje absolutne
• 2 typy of stacji:
- stacje fundamentalne (28)
w budynkach
pomierzone grawimetrem FG5
możliwie w jednej epoce
(jedna stacja na 15 000 km2)
- stacje bazowe (168)
stacje terenowe
pomierzone grawimetrem A10
w ramach intensywnych kampanii
(jedna stacja na 2000 km2)
• zaawansowane strategie i technologie pomiarowe
• procedury i parametry metrologiczne w celu zapewnienia poziomu
odniesienia osnowy grawimetrycznej
• włączenie stacji satelitarno-niwelacyjnych, ASG-EUPOS i poprzedniej
osnowy grawimetrycznej
28. Później
pierwsza dekada XXI wieku
• Zakup aparatury
• Możliwość prowadzenia prac o
charakterze badawczym
• Gwałtowny rozwój innych technik
obserwacyjnych umożliwiający
integrację integrację sieci
• Integracja środowiska w Polsce
i w Europie
g
geodynamika
Sieć/osnowa
grawimetryczna
Hydrologia
hydrogeologia
metrologia
30. Metrologia grawimetryczna
jako narzędzie do konserwacji jednostki ms-2
• Kampanie
kalibracyjne jako
wzajemna
kontrola
jednostki ms-2
(pod egidą BIPM
jako KC dla DI)
• Kalibracja
grawimetrów
pływowych
(Książ, Borowa
Góra, Józefosław)
31. • Lokalne kampanie porównawcze grawimetrów absolutnych
o Borowa Góra
o Józefosław
• Weryfikacja jednostki przyspieszenia siły ciężkości w skali kraju
Metrologia grawimetryczna
jako narzędzie spójności osnów grawimetrycznych
32. Geodynamika, hydrologia, …
Zmiany przyspieszenia spowodowane są przez szereg procesów
odbywających się wewnątrz Ziemi, na jej powierzchni i w atmosferze
„GRAVITY: MIRROR OF EARTH’S INTERIOR PROCESSES”
źr: GGOS
portal
33. Przyczyna Okres
Skutek
(zmiana wartości
przyspieszenia)
Mikrosejsmy naturalne lub wywołane przez człowieka 0.1 s - 10 s do 100 µGal
Trzęsienia Ziemi 0.1 s - 20 s do 1000 µGal
Swobodne oscylacje Ziemi 1 min – 1 h do 1 µGal
Zmiany gęstości wewnątrz jądra Ziemi
(Slichter Modes)
4 h - 8 h około 1 nGal
Zmiany gęstości wewnątrz skorupy Ziemskiej
(Earth's Core Modes)
? około 1 nGal
Krótko- i długookresowe pływy skorupy ziemskiej i efekt
pośredni przemieszczeń mas oceanów
1 min i więcej do 250 µGal
Krótkookresowe wahania orientacji osi obrotu Ziemi ? do 10 nGal
Zmiany ciśnienia atmosferycznego 1 min - 1 wiek
nawet 20 µGal
(~ 0.3 µGal/hPa)
Zmiany poziomu wód gruntowych ? lokalnie ~10 µGal/m
Nutacja Chandlera ~ 435 dni do 7 µGal
Przemieszczenia wywołane przez naturalne
lub antropogeniczne procesy geodynamiczne
? < rząd kilku µGal
34. Przyczyny zmian przyspieszenia ziemskiego
Przyczyny o charakterze systematycznym = poprawki/redukcje
dla obszaru Polski:
Przyczyny o charakterze niepływowym
• pływowa (grawitacyjny wpływ Słońca i Księżyca) – max. ±140 mGal
• grawitacyjny wpływ pływowo przemieszczanych mas wody – około ±1 mGal
• zmiana położenia osi obrotu Ziemi – do około ±4 mGal
• zmiany ciśnienia atmosferycznego (gęstość mas atmosferycznych) – około ±10 mGal
• redukcja wartości przyspieszenia do znaku pomiarowego – około 3 mGal na 1 cm
a) Zmiany o charakterze nie-tektonicznym
• efekt atmosferyczny
• efekty hydrologiczne
• efekty wynikające z działalności człowieka
b) Efekty geodynamiczne
• zmiany rozkładu mas wewnątrz Ziemi
• zmiany o charakterze tektonicznym (przemieszczenia, wypiętrzenia)
• aktywność sejsmiczna, aktywność wulkaniczna
37. Laboratorium grawimetryczne
AGO Józefosław
Obserwatorium astronomiczno-geodezyjne
w Józefosławiu powstało w 1957 roku. Od
lat osiemdziesiątych XX wieku prowadzone
są w nim obserwacje grawimetryczne.
Początkowo jedynie względne
a w latach 1995-2000 i od 2005 roku
obserwacje absolutne. W roku 2002
zainstalowano grawimetryczną stację
pływową
W ramach laboratorium funkcjonują:
• grawimetr absolutny FG5 nr 230
• pływowy grawimetr sprężynowy ET26
• sonda wilgotności gruntu – ThetaProbe
• piezometr sensory meteorologiczne zewnętrzne
• pionowa sonda wilgotności
Oprócz tego na terenie Obserwatorium działają stacje GNSS w ramach
programów IGS/EPN/ASG-EUPOS
40. dg/dh [woda] = 9.67 mGal / m
Obserwacje absolutnej
wartości przyspieszenia
siły ciężkości wykonywane
quasi-permanentnie
Wykazują ścisły związek
z wahaniami poziomu wód
gruntowych
Współczesne metody pozwalają na
śledzenie zmian poziomu wód
gruntowych z rozdzielczością rzędu
pojedynczych decymetrów
Wyniki obserwacji zmian g
Stanowisko JÓZEFOSŁAW, 2005 -
41. Wiarygodność monitoringu satelitarnego
na przykładzie misji GRACE
Zalety:
- Permanentne śledzenie
- Globalny zasięg
Wady:
- Nieczułość na zmiany lokalne
źr: Andrasik, 2015
44. Przykłady monitorowania
sezonowe zmiany mas wody gruntowej w ujęciu globalnym
źr: NASA
Zmiany tzw. ekwiwalentu wód gruntowych w ujęciu miesięcznym w okresie 2003-2013
46. Wnioski
• Obserwacje grawimetryczne, również te wykonywane
autonomicznymi technikami obserwacji absolutnych
awansowały do grona jednej z podstawowych technik
obserwacyjnych i wyróżniają się w tej grupie unikalnym
poziomem dokładności.
• Najciekawsze z wyzwań interpretacyjnych? Współcześnie to
hydrologia i metrologia.
• Będzie ciekawiej, zważywszy na rosnącą rolę pola siły ciężkości
np. w dziedzinie metrologii czasu, nowych misji satelitarnych czy
choćby realizacji globalnego układu wysokościowego oraz
doświadczenia z dotychczasowych projektów.
