Absolute ballistic gravimetry: measuring techniques and metrology Абсолютная баллистическая гравиметрия: измерительная техника и метрология Leonid Vitushkin 1), Herbert Wilmes 2) 1) All-Russian D.I.Mendeleyev Research Institute for Metrology (VNIIM), Russia 2) Federal Agency for Cartography and Geodesy (BKG), Germany 1

Наземная абсолютная гравиметрия применяется в геодезии для построения глобальных и национальных гравиметрических сетей, для уточнения локальных и глобальных моделей гравитационного поля Земли, квазигеоида и для решения других задач. Реализуемые в настоящее время международные геодезические и геофизические проекты такие как создание Глобальной Геодезической Системы Наблюдений (Global Geodetic Observing System - GGOS) и региональные геодинамические проекты также нуждаются в достоверных абсолютных измерениях гравитационного поля. В этих проектах ставится задача достигнуть микрогальной погрешности абсолютных измерений. Результаты наземных абсолютных измерений гравитационного поля используются в настоящее время для комбинированной обработки наземных и спутниковых данных и для перекалибровки спутниковых измерительных систем. Появление за рубежом большого числа абсолютных гравиметров позволило перейти от довольно редких абсолютных измерений на отдельных пунктах к повторным измерениям и, в сочетании с криогенными гравиметрами, к непрерывному мониторингу вариаций гравитационного поля. Высокоточная абсолютная гравиметрия 2

Применения данных повторных измерений и мониторинга гравитационного поля связаны с мониторингом глобальных перемещений масс в связи с климатическими изменениями, изменением уровня океана, таянием ледников, перераспределением масс вследствие деятельности человека (карьеры при добыче полезных ископаемых, строительство гигантских плотин и т.п.), перераспределением масс вследствие катастрофических процессов на Земле (гигантские разломы, возникновение подводных гор при землетрясениях и пр.). В метрологии для измерения постоянной Планка с относительной погрешностью и для реализации нового предлагаемого определения килограмма в экспериментах с ватт-весами требуются абсолютные измерения гравитационного поля с погрешностью не более 5 мкГал. 3

J.Mäkinen et al, The Fennoscandian Land Uplift Gravity Lines , Proceedings GGSM A.B.Smith et al, Using ground-based gravity measurements to monitor changes in terrestrial water storage, Engineers Australia 29 th Hydrology and Water Resources Simposium, February, 2005, Canberra. Isabelle Panet et al, Towards a regional gravity model combining GOCE and ground data over France, D.N. Hansen et al, Terrestrial Reference Frames for Sea-Level Studies: Experiences From Monitoring Tide Gauges in the British Isles using GPS and Absolute Gravity R.Koop, P.Visser, C.C.Tscherning, Aspects of GOCE calibration: 4

5

АБСОЛЮТНЫЕ ГРАВИМЕТРЫ АБСОЛЮТНЫЕ БАЛЛИСТИЧЕСКИЕ ГРАВИМЕТРЫ С МАКРОСКОПИЧЕСКИМ СВОБОДНО ПАДАЮЩИМ ПРОБНЫМ ТЕЛОМ АТОМНО-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ БАЛЛИСТИЧЕСКИЕ ГРАВИМЕТРЫ И ГРАДИЕНТОМЕТРЫ (Германия, Китай, США, Франция) ГРАВИМЕТРЫ С «НЕСИММЕТРИЧНОЙ» ТРАЕКТОРИЕЙ ПРОБНОГО ТЕЛА ГРАВИМЕТРЫ С «СИММЕТРИЧНОЙ» ТРАЕКТОРИЕЙ ПРОБНОГО ТЕЛА Италия, INRiM (IMGC) Украина, ХГНИИМ Польша, ZZG США, Micro-g LaCoste – гравиметры FG5, A10 Россия, Новосибирск, ИАЭ – ГАБЛ, мини ГАБЛ Россия, ЦНИИГАиК - ГБЛ Россия, ВНИИМ – ВНИИМ-АБГ-1 Китай, NIM, гравиметры NIM, NIM-2 Китай, гравиметр AG-1 Япония, А.Арайя Германия, Институт Оптики Макса Планка, Эрланген, - MPG 6

Длинно-периодный сейсмометр или система активной виброизоляции Уравнение движения свободного-падающего пробного тела в гравитационном поле: Поправки: инструментальные и геофизические (приливы, океаническая нагрузка, движение полюсов) g ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АБСОЛЮТНЫХ БАЛЛИСТИЧЕСКИХ ГРАВИМЕТРОВ Вакуумная камера Длина волны 633 нм или 532 нм Интервалы пути и времени 7

JILA-2 (Канада) JILA, FG5 (Aвстрия, Канада, Испания, МБМВ) A (Германия) GABL-G (Россия) FGC-1 (США) FG5-216 (Люксембург) ГРАВИМЕТРЫ С НЕСИММЕТРИЧНОЙ ТРАЕКТОРИЕЙ ПРОБНОГО ТЕЛА (free fall) 8

Одни из первых экспериментов по интерференции волн де Бройля (атомов): O.Carnal, J.Mlynek (Phys. Rev. Letters, 1991, vol. 66, n 21, pp ) и D. W. Keith et al, (Phys. Rev. Letters, 1991, vol. 66, n. 21, pp M. de Angelis et al, Precision gravimetry with atomic sensors 9

10

«Абсолютный квантовый гравиметр» µ Quans «Абсолютный квантовый гравиметр» µ Quans 11

12

FG5-2## и A10 FGL Около 90% абсолютных гравиметров используемых в настоящее время в мире – - это коммерческие гравиметры, произведенные одной фирмой в США. К середине 2012 г. эта фирма выпустила 59 гравиметров типа FG5 и 31 гравиметр типа A-10. Все эти гравиметры не имеют сертификатов калибровки. Сервисные работы и ремонт проводятся в основном на предприятиях фирмы в США. FG5-1## 13

Международные сличения ICAG-2009: гравиметры JILAg-6 FG5s FG5 и A10 FGL Гравиметр на холодных атомах LNE-SYRTE, Франция гравиметрОптический стол Гравиметр и электроника на пункте NIM-II NIM, Китай MPG Max Planck In-t in Optics, Германия INRiM-2 INRiM, Италия 18 коммер- Ческих гравиметров: 14

FG5-2## ВНИИМ-АБГ-1 (Россия A.Araya, JGSJ, 2010, v 56, n1, p 1-12 (Japan) Гравиметр GA-1, Китай Погрешность – около 100 мкГал Мини-ГАБЛ (Россия) [Труды TGSMM-2010] 15

Баллистический блок Л.Ф.Витушкин, О.А.Орлов, патент РФ , приоритет от Патентообладатель: ВНИИМ Компактный Nd:YVO 4 /KTP/I 2 лазер на длине волны 532 нм (зеленая область спектра) Гравиметр ВНИИМ-АБГ-1 16

8 международных сличений в Международном Бюро Мер и Весов (Севр, Франция) в период с 1980 по 2009 год. 5 абсолютных гравиметров в 1980 г. 19 абсолютных гравиметров в 2005 г. Организатор и руководитель первых сличений – чл.-корр. АН СССР Ю.Д.Буланже 21 абсолютный гравиметр в 2009 г. Первые Ключевые Сличения Абсолютных Гравиметров в МБМВ – 2009 г. Вторые Ключевые Сличения Абсолютных Гравиметров в Люксембурге – 2013 г. 17

Структура Международных Сличений Абсолютных Гравиметров (ICAG) в 2009 и 2013 г.г. : 2009 г. : 11 гравиметров из Национальных Метрологических Институтов (НМИ) и институтов, которым поручена метрология в абсолютной гравиметрии, участвовали в Ключевых сличениях и 10 других гравиметров участвовали в Пилотных Исследованиях г. : 12 гравиметров из НМИ и институтов, которым поручена метрология в абсолютной гравиметрии, будут участвовать в Ключевых Сличениях и 18 других гравиметров будут участвовать в Пилотных Исследованиях. В будущем для абсолютных гравиметров будет реализована обычная структура обеспечения единства измерений, при которой только гравиметры из НМИ будут участвовать в ключевых сличениях, а остальные абсолютные гравиметры должны будут калиброваться в НМИ путем сличений с эталонными гравиметрами, участвовавшими в ключевых сличениях. 18

Северо-Американские Сличения АГ(NACAG-2010) в Геофизической Обсерватории на Столовой Горе (Longmont, Colorado) в октябре 2010 г.. Восемь гравиметров FG5 и один A10 из Канады и США. Results are published in J.Geod., 2012, pp , D. Schmerge et al. 19

Подземная лаборатория Люксембургского Университета на глубине около 47 м в Вальферданже (Люксембург) Международные сличения Региональной Метрологической Организации EURAMET в 2009 и 2011 г. 20

Региональные сличения EURAMET в Вальферданже, 2011 г. Полное число участников сличений: 22 Участники только из Национальных Метрологических Институтов и институтов, ответственных за метрологию в абсолютной гравиметрии Гравиметр на холодных атомах 21

Website of Bureau international des poids et mesures (BIPM): BIPM Key Comparison Database 22

List of Key and Supplementary Comparisons of absolute gravimeters 23

Результаты Ключевых Сличений CCM.G-K1 в рамках ICAG-2009 в базе данных ключевых сличений (KCDB) МБМВ 11 гравиметров, участвующих в ключевых сличениях Гравиметр на холодных атомах 24

Расширенные неопределенности измерения (U k ) на доверительном уровне 95%. Степени эквивалентности 21 абсолютного гравиметра в международных сличениях 2009 г. в МБМВ 25

Измерительные и калибровочные Возможности Национальных Метрологических Институтов в области измерения УСП: Austria (BEV), uncertainty 10 µGal Finland (FGI), uncertainty 8 µGal Italy (INRiM), uncertainty 15 µGal Switzerland (METAS), uncertainty 8 µGal 26

Заключение: В настоящее время в мире для решения широкого круга задач в геодезии, геофизике и геологии используется более сотни абсолютных гравиметров, в основном коммерческих. После прекращения сличений гравиметров В МБМВ метрологическое и геодезическое сообщества решили задачу поиска гравиметрических пунктов для Международных Сличений Абсолютных Гравиметров (МСАГ). По решению Консультативного Комитета по Массе МСАГ состоятся в 2013 г. в подземной лаборатории в Вальферданже (Люксембург), а в 2017 г. на гравиметрическом пункте Чангпинг Кампус, принадлежащем Национальному Институту Метрологии Китая. В области абсолютной гравиметрии необходимо построение нормальной системы метрологического обеспечения с первичными эталонами – абсолютными гравиметрами и системой калибровки вторичных и рабочих эталонов - абсолютных гравиметров, а также абсолютных гравиметров – рабочих средств измерений. Тенденциями в области развития метрологического обеспечения в абсолютной гравиметрии являются увеличение потребностей в определении метрологических характеристик 27

Заключение (продолжение): Тенденциями в области развития метрологического обеспечения в абсолютной гравиметрии являются увеличение потребности в определении метрологических характеристик абсолютных гравиметров, переход к системе Ключевых Сличений абсолютных гравиметров только Национальных Метрологических ИИнститутов (НМИ) и институтов, которым НМИ поручили ответственность за метрологию в гравиметрии, и последующей калибровки всех других абсолютных гравиметров сличениями с национальными эталонами. ВНИИМ им. Д.И.Менделеева создал в 2011 г. абсолютный баллистический гравиметр ВНИИМ-АБГ-1, утвержденный в качестве ГПСЭ единицы ускорения в гравиметрии. Результаты разработки абсолютного гравиметра ВНИИМ и имеющиеся новые технические предложения могут быть положены в основу разработки вторичных эталонов и мобильных абсолютных гравиметров. Необходима разработка отечественных абсолютных баллистических гравиметров как на основе макроскопических пробных тел, так и на основе атомной интерферометрии. 28

Спасибо за внимание 29

Одно из зданий в Ломоносовском отделении, где будут созданы гравиметрические пункты для абсолютных измерений УСП, сличений абсолютных гравиметров, установки криогенного гравиметра и создания ватт-весов для реализации нового определения килограмма Площадь более 1200 м 2 30