3. Основные приложения гравиметрии. Связь гравиметрии с геодезией и другими науками. Роль курса в подготовке специалиста по геодезии

С помощью гравиметрии решается основная научная задача высшей геодезии: изучение фигуры и гравитационного поля Земли.

На применении только гравиметрических данных основан физический (или гравиметрический) метод изучения фигуры Земли. Кроме того, гравиметрические данные используются в общем комплексе астрономо-геодезических измерений и их математической обработки при решении задачи редуцирования, что видно из следующего.

Как известно, геодезические измерения выполняются на реальной поверхности Земли и в реальном гравитационном поле. При этом направления вертикальных осей геодезических инструментов совпадают с направлениями отвесных линий (касательными к направлениям силы тяжести в точках стояния геодезических инструментов), зависящими от состояния гравитационного поля. В силу того, что реальное гравитационное поле Земли неоднородно, направления отвесных линий в разных точках земной поверхности будут не параллельны между собой. Следовательно, вертикальные оси геодезических инструментов в разных точках земной поверхности будут также не параллельны между собой (рис.1).

Кроме того, поверхность реальной Земли, является математически сложной, на которой оказывается практически невозможным решить геометрические задачи по определению координат пунктов, возникающих при обработке геодезических сетей. Чтобы выполнить математическую обработку первичного набора результатов геодезических измерений и получить координаты, результаты геодезических измерений переносят (редуцируют) с математически сложной поверхности Земли на модель Земли – эллипсоид. Для этой модели существуют формулы сфероидической геодезии, позволяющие решать требуемые геометрические задачи. При редуцировании направления отвесных линий ( )заменяют направлениями нормалей ( ) к эллипсоиду. Редуцирование выполняют по математически строгим формулам и вводят поправку за угол между направлением отвесной линии и направлением нормали к эллипсоиду, который называется астрономо-геодезическим уклонением отвеса. Для определения этого угла кроме астрономических и геодезических координат нужно обязательно использовать гравиметрические данные.

Рис.1 Иллюстрация к проблеме редуцирования результатов геодезических измерений

- направления отвесных линий, совпадающие с осями вращения геодезических инструментов в момент измерений;

- направления нормалей к эллипсоиду.

Далее, в повседневной практике при обозначении высот точек земной поверхности используется система нормальных высот. Для определения нормальной высоты в превышения, полученные из геометрического нивелирования, нужно ввести поправку за переход к разностям нормальных высот, которые не могут быть найдены без гравиметрических данных. Таким образом, при создании опорных геодезических сетей мы не можем обойтись без гравиметрии.

Гравиметрические данные также находят широкое применение и в прикладной геодезии. Например:

- при строительстве тоннелей (особенно в горных районах), проектировании шахт;

- при строительстве и эксплуатации крупных гидроэлектростанций, атомных электростанций, ядерных ускорителей, высотных сооружений башенного типа, домов повышенной этажности, то есть при возведении сложных сооружений, требующих точного геодезического обеспечения, которое невозможно достичь без учета неоднородности гравитационного поля.

Кроме того, гравиметрия активно используется при определении деформаций различных объектов методом высокоточных повторных геодезических измерений. Особенно актуально этот вопрос стоит на геодинамических полигонах, созданных в районах крупных гидроэлектростанций. При их эксплуатации уровень воды в водохранилище (пример – Красноярское водохранилище) может меняться на несколько десятков метров, что вызывает значительные изменения локального гравитационного поля в районе этого водохранилища. Расчеты показали, что изменение уровня воды в Красноярском водохранилище с 225 до 250 метров вызвало изменение локального гравитационного поля на 1,5-2 мГала. В свою очередь, изменение гравитационного поля на эту величину вызывает уклонение отвесных линий в прибрежной части водохранилища (0,3-0,5)″, а изменение положений уровенных поверхностей до 10 мм. Данный факт свидетельствует, что в результаты геодезических измерений, выполненных при различных уровнях водохранилища, необходимо вводить поправки за изменение гравитационного поля.

В геологии гравиметрия используется при поиске месторождений полезных ископаемых (гравиразведка).

В геофизике и геодинамике по результатам гравиметрических исследований изучают границы тектонических блоков и ведут периодические наблюдения на тектонических разломах. Изменение напряженного состояния на тектонических разломах проявляется в изменении гравитационного поля, что может рассматриваться как один из предвестников землетрясения.

Связь гравиметрии с другими науками.. Гравиметрия тесно связана с физикой Земли, с запуском и эксплуатацией космических летательных аппаратов, с задачами автономной навигации, метрологией.

В свою очередь, гравиметрия успешно использует различные новейшие технические и научные достижения других областей знаний, т.е. математики, физики, электроники, автоматики приборостроения, вычислительной техники.

В настоящее время гравиметрия очень активно использует GPS измерения, которые существенно восполнили «белые» пятна гравиметрических съемок.