CC BY
164
МОНИТОРИНГ ВАРИАЦИЙ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ В ПОГРАНИЧНОЙ ЗОНЕ КОНТИНЕНТ - ОКЕАН АБСОЛЮТНЫМ ЛАЗЕРНЫМ БАЛЛИСТИЧЕСКИМ ГРАВИМЕТРОМ
Игорь Сергеевич Сизиков
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, г. Новосибирск, пр. Ак. Коптюга, 1, инженер-конструктор, тел. (383) 333-25-96, e-mail: sizikov.i.s@gmail.com
Илья Александрович Бунин
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, г. Новосибирск, пр. Ак. Коптюга, 1, аспирант, тел. (383)333-25-96, e-mail: sgad@inbox.ru
Евгений Николаевич Калиш
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, г. Новосибирск, пр. Ак. Коптюга, 1, старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук, тел. (383)333-25-96,e-mail: kalish@iae.nsk.su
Дмитрий Алексеевич Носов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, г. Новосибирск, пр. Ак. Коптюга, 1, инженер-прграммист, тел. (383) 333-25-96,e-mail: danossov@ngs.ru
Павел Викторович Сероглазов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и
электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, г. Новосибирск, пр. Ак. Коптюга, 1, инженер-конструктор, тел. (383) 333-25-96, e-mail: flameeffect.nsk@gmail.com
Михаил Георгиевич Смирнов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и
электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, г. Новосибирск, пр. Ак. Коптюга, 1, ведущий инженер-конструктор, тел. (383) 333-25-96,e-mail: smirnov.m.g@ iae.nsk.su
Юрий Фёдорович Стусь
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и
электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, г. Новосибирск, пр. Ак. Коптюга, 1, старший научный сотрудник, кандидат технических наук, тел. (383)333-25-96, e-mail: stus@iae.nsk.su
Представлено описание модернизированного интерферометра абсолютного лазерного баллистического гравиметра ГАБЛ-Э, разработанного в Институте автоматики и
электрометрии СО РАН. В качестве источника света в интерферометре применен оптический стандарт с длиной волны излучения ^=532 нм, состоящий из Nd^AG-лазера и системы
стабилизации частоты. Инструментальная среднеквадратическая погрешность измерения
8 2
абсолютного значения ускорения силы тяжести гравиметром не превышает +5-10- м/с
(5 мкГал). Приведены результаты мониторинга периодических и нерегулярных вариаций силы тяжести в пограничной зоне континент-океан.
Ключевые слова: абсолютный лазерный баллистический гравиметр, мониторинг вариаций силы тяжести, пограничная зона континент-океан.
MONITORING OF VARIATIONS OF THE GRAVITATIONAL FIELD IN CONTINENT-OCEAN BORDER ZONE BY THE ABSOLUTE LASER BALLISTIC GRAVIMETER
Igor S. Sizikov
Institute of Automation and Electrometry of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (IAE SB RAS), Akademika Koptyuga Prsp., 1, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, senior engineer, те! (383) 333-25-96, e-mail: Sizik0V.i.S@gmail.C0m
Iliya A. Bunin
Institute of Automation and Electrometry of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (IAE SB RAS), Akademika Koptyuga Prsp., 1, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, graduate student, те1. (383) 333-25-96, e-mail: sgad@inbox.ru
Eugenii N. Kalish
Institute of Automation and Electrometry of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (IAE SB RAS), Akademika Koptyuga Prsp., 1, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, senior scientific worker, Вп,те1. (383) 333-25-96, e-mail: kalish@iae.nsk.su
Dmitrii A. Nosov
Institute of Automation and Electrometry of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (IAE SB RAS), Akademika Koptyuga Prsp., 1, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, senior engineer, те1. (383) 333-25-96, e-mail: dan0SS0V@ngS.ru
Pavel V. Seroglazov
Institute of Automation and Electrometry of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (IAE SB RAS), Akademika Koptyuga Prsp., 1, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, senior engineer, те1. (383) 333-25-96, e-mail: flameeffect.nsk@gmail.com
Michail G. Smirnov
Institute of Automation and Electrometry of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (IAE SB RAS), Akademika Koptyuga Prsp., 1, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, senior engineer, тел. (383) 333-25-96, e-mail: smirnov.m.g@ iae.nsk.su
Yurii F. Stus
Institute of Automation and Electrometry of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (IAE SB RAS), Akademika Koptyuga Prsp., 1, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, senior scientific worker, Ph.D., тел. (383) 333-25-96, e-mail: stus@iae.nsk.su
The description of the modernized interferometer of the absolute laser ballistic gravimeter GABL-E developed in Institute of Automation and Electrometry SB RAS is presented. The optical standard with wave length of radiation ^=532 nm consisting of Nd:YAG-1aser and system of frequency stabilization is applied as a light source in the interferometer. The instrumental mean square error of absolute gravity value measurement is not more than ±5-10-8 m/s2 (5 |iGal). The results of monitoring of periodic and irregular gravity variations in continent-ocean border zone are presented.
Key word: absolute laser ballistic gravimeter, monitoring variations of gravity, continent-ocean border zone.
Введение. В настоящее время для измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести g наиболее точным и перспективным является баллистический метод. При этом значение g определяется по результатам измерения пути и времени свободного падения пробного тела в вакуумированной камере. В схеме этих измерений используется лазерный интерферометр, т.е. мерой пути служит длина волны лазера, стабилизированного по атомному реперу в спектре его излучения. Мерой интервалов времени являются сигналы прецизионного (например, рубидиевого) стандарта частоты. Для реализации высокой точности определения g порядка нескольких единиц мкГал необходимо производить измерения интервалов пути, проходимых свободно падающим телом, как минимум, с точностью до нанометров, а измерение соответствующих интервалов времени с точностью до десятых долей наносекунды.
Стационарные баллистические гравиметры (GABL-E, FG-5, IMGC), как показали регулярные Международные сверки абсолютных гравиметров (ICAG), проводимые раз в четыре года в Международном бюро весов и мер (BIPM, Севр, Франция), отлично зарекомендовали себя при работе в лабораторных условиях [1,2].
В Институте автоматики и электрометрии СО РАН проведена модернизация интерферометра абсолютного лазерного баллистического гравиметра ГАБЛ-Э, который предназначен для работы на стационарных пунктах и отличается высокой надежностью и простотой эксплуатации при условии сохранения высоких метрологических характеристик. Это достигается использованием оптического стандарта длины с относительной стабильностью и воспроизводимостью частоты излучения не хуже 2-10-10 и коммерческого рубидиевого стандарта типа AR-40A, имеющего стабильность и воспроизводимость частоты до 5-10-10.
Модернизированный интерферометр. В отличие от традиционно используемых в гравиметрах гелий-неоновых лазеров, в интерферометре гравиметра используется новый оптический стандарт длины Nd:YAG/I2, спроектированный и изготовленный Институтом лазерной физики СО РАН [3].
Новый оптический стандарт состоит из Nd:YAG лазера и системы стабилизации частоты лазера по резонансам насыщенного поглощения в молекулярном йоде и обладает следующими важными достоинствами:
а) Стандарт не нуждается в периодической поверке, как поляризационно-стабилизированные лазеры типа AL-1 или RB1;
б) Стандарте Nd:YAG/I2 нет модуляции выходного излучения, как в стабилизированных по йоду лазерах типа WEO Model 100 или NIKKON, которая вносит дополнительную погрешность в определение гравитационного ускорения g;
в) Выходная мощность Nd:YAG/I2 во внешнюю оптическую схему > 5мВт, что в 5-10 раз превышает мощность лазеров, используемых в других
баллистических гравиметрах. Это позволяет существенно улучшить соотношение сигнал/шум выходного сигнала. Большая выходная мощность позволяет также использовать оптический кабель для ввода лазерного излучения в интерферометр.
Оптическая схема модернизированного интерферометра Майкельсона приведена на рис. 1. В отличие от интерферометра старой конструкции все юстировки в нем осуществляются с помощью видеокамер. Излучение стандарта вводится в интерферометр с помощью одномодового оптического волоконного кабеля с сохранением поляризации. Фотоприемник выходного сигнала интерферометра (лавинный фотодиод) в новом варианте системы вынесен из интерферометра и конструктивно располагается в блоке контроллера гравиметра.
Рис. 1. Оптическая схема интерферометра:
1 - входной коллиматор; 2 - лучеделитель; 3 - окно; 4, 5 - уголковые отражатели; 6 -диафрагма; 7 - выходной коллиматор;8 - веб-камера; 9 - скоростная видеокамера
Выходной сигнал интерферометра подается на фотоприемник с помощью многомодового оптического волоконного кабеля. Волоконные кабели снабжены оптическими разъемами, что обеспечивает удобство при транспортировке и способствует минимизации времени запуска всей системы на новом месте измерения. В предыдущих модификациях гравиметров операция выставления вертикали по жидкому зеркалу сводилась к выравниванию на сетке телескопа пучков по яркости. В модернизированном интерферометре используется способ выставления вертикали по контролю смещения следа измерительного луча в плоскости ПЗС - матрицы высокоскоростной видеокамеры в процессе падения пробного тела.
Получаемое изображение передается в компьютер через ШВ-порт. Далее, используя соответствующие программы, можно проводить контроль соответствия вертикальности лазерного луча с направлением движения падающего тела. Для полуавтоматического выставления вертикали используются промышленные актуаторы, представляющие собой шаговый двигатель с передачей винт-гайка и направляющими, находящимися внутри корпуса. Ошибка выставления вертикали составляет не более 7 угловых секунд. При этом относительная погрешность определения g не превышает 7 10-10. Реализованная версия оптической системы с линейным расположением лучей относительно измерительного и референтного плеч интерферометра позволяет существенно снизить погрешности, обусловленные горизонтальной составляющей вибросейсмических помех.
Подробное описание баллистического блока, электронно-вычислительной системы гравиметра, виброзащитной системы и программного обеспечения содержится в работах [4, 5]. Управление всеми узлами гравиметра и требуемые вычислительные процедуры осуществляются с помощью портативного компьютера типа ноутбук. Установлено, что гравиметр сохраняет свои технические и эксплуатационные характеристики в сложных условиях окружающей среды, при этом инструментальная среднеквадратическая погрешность измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести
о Л
гравиметром не превышает + 5-10- м/с (5 мкГал).
Мониторинг вариаций силы тяжести. Основной проблемой, в решении которой участвуют авторы статьи, является исследование неприливных и приливных вариаций Дg ускорения силы тяжести.
В 2010-2011 гг. были проведены измерения баллистическим гравиметром типа ГАБЛ-Э абсолютного значения g и вариаций Дg на стационарном гравиметрическом пункте, расположенном на базе морской экспедиционной станции Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН «Мыс Шульца». Во время экспедиций отрабатывалась методика измерений и режимы работы гравиметра. Всего в 2011 году было выполнено 27 сеансов измерений, каждый сеанс состоял из 3 серий по 50 бросков пробной массы.
В результате анализа результатов измерений установлено:
1. Среднеквадратическая погрешность по серии измерения на пункте составляет 1-2 мкГал, что обеспечивает необходимую точность выполнения долговременного мониторинга приливных вариаций и нерегулярных временных изменений силы тяжести в условиях пограничной зоны "континент-океан". Дальнейшее продолжение исследований позволит:
- Проводить экспериментальную проверку моделей приливной деформации Земли;
- Определять приливные параметры и давать оценку влияния структурных неоднородностей в мантии и литосфере на их характеристики;
- Оценивать напряжения в земной коре, реологию тектоносферы региона и их связь с сейсмической активностью;
- Разрабатывать новые модели влияния океанов и оценивать эффекты глубинного строения мантии в приливных параметрах.
Следует отметить, что возрастание сейсмического шума во время землетрясения в Японии 24 августа привело к увеличению среднеквадратической погрешности до 4,4 мкГал.
2. На рис. 2 приведено сравнение экспериментальных данных и прилива по модели PREM - CSR3. Экспериментальные данные не согласуются с приливными деформациями для разработанных моделей Земли (например, PREM и IASP91) и моделей океанического прилива (например, CSR3, FES95 и SCW80). Параметры приливных волн взяты для Владивостока с сайта Международного центра земных приливов (International Center for Earth Tides). Результаты измерений показывают значимое отличие от теоретического прилива, особенно в его экстремальных точках, достигающее 6,5 мкГ ал.
Дд, мкГал
150.0 —
■150.0 -I--------------т---------------і--------------1--------------,--------------і---------------,
170:00 190:00 21 0:00 230:00 250:00 270:00 290:00
Дата
Рис. 2. Сравнение экспериментальных данных и теоретического прилива
На рис. 3 приведены разности Дg, характеризующие отличие экспериментальных данных от теоретического прилива, вертикальными линиями указаны погрешности определения g.
170:00 190:00 21 0:00 230:00 250:00 270:00 290:00
Дата
Рис. 3. Отличие экспериментальных данных от теоретического прилива
3. По сравнению с данными 2010 г. абсолютное значение ускорения силы тяжести в 2011 г. увеличилось на пункте измерений «Мыс Шульца» на 5,1 мкГал. Это может быть обусловлено как неприливными вариациями силы тяжести, так и погрешностью, вызванной внесением приливной поправки вследствие неадекватности приливной модели.
Намечено дальнейшее продолжение мониторинга приливных вариаций и нерегулярных временных изменений силы тяжести лазерным баллистическим гравиметром в условиях пограничной зоны "континент-океан".
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Results from the fifth international comparison of absolute gravimeters, ICAG’97/
L. Robertson [et al.] // Metrología. - 2001. - V. 38, N 1. - P. 71-78.
2. Final report on the seventh international comparison of absolute gravimeters (ICAG 2005)/ Z. Jiang [et al.] // Metrologia. - 2011. - V. 48, N 5. - P. 246-260.
3. Применение Nd-YAG/I2 - лазера в качестве оптического стандарта длины в баллистическом гравиметре/ Ю.Ф. Стусь, Е.Н. Калиш, М.В. Охапкин, М.Н. Скворцов // Сб. материалов II Международного научного конгресса «ГЕО-Сибирь-2006». Т. 4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника. -Новосибирск: СГГА, 2006. - С. 48-52.
4. Высокопрецизионное измерение ускорения силы тяжести лазерным интерферо-метрическим способом/ Г.П. Арнаутов, Е.Н. Калиш, Ю.Ф. Стусь, М.Г. Смирнов // Приборы. - 2003. - № 6 (36). - С. 57-62.
5. Мониторинг вариаций гравитационного поля модернизированным баллистическим гравиметром/ Г.П. Арнаутов, Е.Н. Калиш, Ю.Ф. Стусь, М.Г. Смирнов // Сб. материалов III Международного научного конгресса «ГЕ0-Сибирь-2007». Т. 3. Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология. -Новосибирск: СГГА, 2007. - С. 236-241.
© И.С. Сизиков, И.А. Бунин, Е.Н. Калиш, Д.А. Носов, П. В. Сероглазое,
М.Г. Смирнов, Ю.Ф. Стусь, 2012
