CC BY
46
О СТАБИЛЬНОСТИ ЗНАЧЕНИЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ ЗЕМЛИ
Владимир Юрьевич Тимофеев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, г. Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 3, заведующий лабораторией, тел: (383) 33564-42, e-mail: timofeevvy@ipgg.nsc.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, e-mail:kalish@iae.nsk.su
Юрий Федорович 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, e-mail:yfstus@academ.org
Михаил Григорьевич 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.
Геннадий Петрович Арнаутов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и
электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, г. Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 1, ведущий научный сотрудник.
Дмитрий Геннадьевич Ардюков
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, г. Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 3, старший научный сотрудник, тел: (383) 33564-42, e-mail: ardyukovdg@ipgg.nsc.ru
Елена Валерьевна Бойко
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, г. Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 3, научный сотрудник, тел: (383) 335-64-42, email: boykoev@ipgg.nsc.ru
Антон Владимирович Тимофеев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, г. Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 3, инженер, тел: (383) 335-64-42, e-mail: timofeevvy@ipgg.nsc.ru
Современные методы определения значения силы тяжести позволяют проводить измерения с точностью до 10-9 от g0 нормального значения (до 1 микрогала = 10 нм/сек2). При этом исключаются все систематические и периодические эффекты, и появляется вопрос
о стабильности поля силы тяжести Земли во времени. Оценить изменения высоты (радиуса Земли) во времени с точностью до 0.1 мм позволяют современные методы космической геодезии (VLBI метод). Экспериментальные оценки стабильности значения силы тяжести за последние десятилетия сделаны по материалам отечественных и зарубежных обсерваторий, использующих абсолютные лазерные баллистические гравиметры.
Ключевые слова: нормальное значение силы тяжести, изменение радиуса Земли, вариации величины силы тяжести во времени, абсолютный лазерный гравиметр.
ABOUT STABILITY OF EARTH’S GRAVITY
Vladimir Y. Timofeev
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (IPGG SB RAS), Akademika Koptyuga Prsp., 3, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, chief of laboratory, Tel.+7 (383) 335-64-42, e-mail: timofeevvy@ipgg.nsc.ru
Eugenii N. Kalish
Institute of Automatic and Electrometry of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (IAE SB RAS), Akademika Koptyuga Prsp., 1, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, senior scientific worker, e-mail:kalish@iae.nsk.su
Yurii F.Stus
Institute of Automatic and Electrometry of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (IAE SB RAS), Akademika Koptyuga Prsp., 1, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, senior scientific worker, e-mail:yfstus@academ.org
Michail G. Smirnov
Institute of Automatic and Electrometry of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (IAE SB RAS), Akademika Koptyuga Prsp., 1, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, senior engineer
Gennadii P.Arnautov
Institute of Automatic and Electrometry of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (IAE SB RAS), Akademika Koptyuga Prsp., 1, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, senior scientific worker
Dmitrii G. Ardyukov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (IPGG SB RAS), Akademika Koptyuga Prsp., 3, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, senior scientific worker, Tel.+7 (383) 335-64-42, e-mail: ardyukovdg@ipgg.nsc.ru
Elena Boyko
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (IPGG SB RAS), Akademika Koptyuga Prsp., 3, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, scientific worker, Tel.+7 (383) 335-64-42, e-mail: boykoev@ipgg.nsc.ru
Anton V. Timofeev
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (IPGG SB RAS), Akademika Koptyuga Prsp., 3, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, engineer, Tel.+7 (383) 335-64-42, e-mail: timofeevvy@ipgg.nsc.ru
Modern method and equipment allow make the measurement of gravity at 10-9 level from normal value g0 (up to 1 microgal = 10 nm/sec2). We exclude of systematic and periodic effects and after this procedure we must estimate the stability of earth’s gravity at time. Space geodesy method (VLBI) can make estimation of the height (Earth radius) at 0.1 mm level. Experimental results were received by absolute laser ballistic gravimeters at our and foreign observatories. These results analyze for stability estimation of earth’s gravity for last decades.
Key words: normal value of gravity, changing of Earth’s radius, time variation of gravity, absolute laser gravimeter.
Известные зависимые от времени факторы, отражающиеся в изменениях силы тяжести, - это эффекты земного прилива и полюса. Они рассчитываются достаточно точно. Так, для определения приливных параметров и выбора модели, были проведены измерения с гравиметрами Лакоста-Ромберга, по широтному профилю, простирающемуся от севера Франции до острова Сахалин [Тимофеев и др., 2008]. Поправки за движения полюса Земли вводятся с использованием данных международного центра по вращению Земли, полученных экспериментально.
Для описания измерений силы тяжести g во времени можно воспользоваться простой моделью: g(r,t) = g(r) + ge(r,t) + S, (1)
где r - вектор положения, t - время и s - погрешность измерений.
Как известно, сезонная компонента вносит значимый вклад в изменения вертикальных смещений и силы тяжести на пункте. Изучение с помощью GPS приёмников и абсолютного гравиметра FG5 сезонной составляющей и тренда на итальянской обсерватории (Medicina, 1992-2002) показало, что отношение вертикальных смещений и g даёт значение коэффициента -3 мм/мкгал, т.е. соответствует вертикальному градиенту у силы тяжести. Сезонные вариации, связанные с изменением уровня грунтовых вод по данным европейской сети достигают 8 мкгал [Hinderer&Crossley, 2006]. Влияние гидрологических факторов сложно рассчитать, но их можно минимизировать, при установке приборов на коренных породах.
Изучение временных вариаций g требует оценки стабильности значения силы тяжести Земли и её высот. С учётом наличия скорости при линейной связи получаем следующее соотношение:
g(r, t) = g’ (t-t0) + g(r,t0) + ge(r,t) + S, (2)
где g’ - скорость изменений и to - начальное время.
Связь вариаций g и высоты Z без учёта деформации среды можно описать как: Dg(t) = у DZ(t) + е, (3)
где у - вертикальный градиент g и DZ(t) изменение высоты пункта. Для высот достаточно сложно говорить о глобальных вариациях, так как мировая система измерений находится в развитии, практически каждые пять лет с появлением новых станций происходит небольшое изменение глобальной референц- системы [Altamimi et al., 2007] и уточнение геофизических моделей, используемых при построении и развитии глобальной отсчётной основы [Кафтан, Цыба 2009]. По оценкам отдельных авторов, вариации незначительно
превышают ошибку, например, из обобщения по сети VLBI получена оценка 0.11 ± 0.05 мм в год [Коломиец и др., 2011].
504.5 504
503.5 503
502.5 502
501.5 501
500.5 500
- мкгал
1 1 , |
1 1 Среднее значение 502.50 мкгал
1 1
Время, Годы
^ ^ о?4 <§> с$Р <& <& сч4 су* (Ф n!4
& & ф ^ г£Г с£Г с£Г ф>
Рис. 1. Обсерватория Ключи, стабильность значения силы тяжести за период 1977-2009 гг., 1,8 мкгал/22 года = 0,08 мкгал/ год.
820 -\ мкгал 818 816 814 812 810 808
Среднее значение 811.94 мкгал
806
804
802
800
Время, Годы
1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008
Рис. 2. Астрономическая площадка (г. Иркутск), стабильность значения за период 1995-2006 гг., 3 мкгал/11 лет = 0,27 мкгал/ год
Какова величина скорости g’ в соотношении (2)? Рассмотрим экспериментальные результаты, полученные на обсерваториях. Мониторинговые измерения с гравиметром ГАБЛ начаты на обсерватории Ключи (Новосибирск) в 1975-1977 гг. Абсолютный лазерный баллистический гравиметр ГАБЛ неоднократно участвовал в международных сверках приборов этого класса [Robertson et. al., 2001]. Полученные за период 1977-2009 гг. на обсерватории Ключи значения силы тяжести, точнее, их микрогальная часть приведена на рис. 1. Вариации за период наблюдений не превысили ошибку измерений. Стабильность значения силы тяжести за период 1977-2009 гг. составила 0,08 мкгал/ год.
Измерения с гравиметром ГАБЛ на астроплощадке в г. Иркутске проводились с 1995 года, с момента организации GPS наблюдений на пункте. Результаты измерений (микрогальная часть значения) с 1995 г. по 2006 г. приведены на Рис. 2. Отклонение от среднего значения не превышают 3 мкгал. Стабильность значения за период 1995-2006 гг. составила 0,27 мкгал/ год.
В Европе, по данным германской обсерватории (Bad-Homburg, 1994-2004 гг., использована группа абсолютных гравиметров FG5) стабильность значения g лежит в пределах ошибки измерений 2 мкгала [Hinderer&Crossley, 2006], т. е. возможный уровень вариаций составляет 0.2 мкгал в год.
В итоге приходим к выводу, что по экспериментальным данным стабильность значения силы тяжести Земли следует оценить как 0,2 мкгал/год. На современном этапе возможный эффект глобального изменения g и высоты
можно ограничить 10-10 в год от нормального значения. Даже для десятилетней серии измерений эффект от возможных глобальных вариаций не превысит погрешности измерений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тимофеев В.Ю., Дюкарм Б., Ван Раумбеке М., Горнов П.Ю., Эвераерт М., Грибанова Е.И., Паровышний В.А., Семибаламут В.М., Вопельман Г., Ардюков Д.Г.. // Физика Земли, 2008, № 5, С. 42-54.
2. J. Hinderer, D.Crossley // NEWSLETTER, 17, 5 June 2006, 2-12.
3. Altamimi Z., Collilieux X., Legrand J., Garayt B., Boucher C. // J. Geophys. Res., 2007, v.112, n.B9, B09401, doi: 10.1029/2007/JB004949.
4. Кафтан В.И,, Цыба Е.Н. // Известия ВУЗов, Геодезия и аэрофотосъёмка, 2009, №1, 33-40.
5. Коломиец А.Г., Герасименко М. Д., Ильницкая А.В. // Проблемы сейсмичности и современной геодинамики Дальнего Востока и Восточной Сибири. ИТиГ ДВО РАН, Хабаровск, ISNB 978-5-7442-1491-3, 2010. 87-88.
6. L. Robertson, O. Francis, T.M. vanDam, J. Faller, D. Ruess, J.-M. Delinte, L. Vitushkin, J. Liard, C. Gagnon, Guo You Guang, Huang Da Lun, Fang Yong Yuan, Xu Jin Yi, G. Jeffries, lmes, F. Rehren, K. Schmidt,. M, Schnull, G. Cerutti, A. Germmak, Z. Zabek, A. Pachuta, G. Arnautov, E. Kalish, Yu. Stus, D. Stizza, J. Friderich, J.-M. Chartier, I. Marson // Metrologia. Vol. 38. N 1. 2001. P. 71-78.
© В.Ю. Тимофеев, Е.Н. Калиш, Ю. Ф. Стусь, М.Г. Смирнов, Г.П. Арнаутов, Д.Г. Ардюков, Е.В. Бойко, А.В. Тимофеев, 2012
