Global systems for the measurement of the gravity field of the Earth: from Potsdam to Global Geodynamics Project and further to the establishment of an International System of Fundamental Absolute Gravity Stations D.Crossley 1, L.F.Vitushkin 2, and H.Wilmes 3 1) Department of Earth and Atmospheric Sciences, Saint Louis University, USA 2) All-Russian D.I.Mendeleyev Research Institute for Metrology (VNIIM), Russia 3) Federal Agency for Cartography and Geodesy (BKG), Germany

Авторы: Дэйвид Кроссли - Университет Сен-Луис, США, лидер Глобального Геодинамического Проекта (Global Geodynamic Project) Международной Ассоциации Геодезии Леонид Витушкин, ВНИИМ, Россия, президент Подкомиссии SC 2.1 «Гравиметрия и гравиметрические сети» Международной Ассоциации Геодезии Херберт Вилмес, Институт Геодезии Германии (BKG), председатель Объединенной Рабочей Группы JWG 2.2 по Абсолютной Гравиметрии Международной Ассоциации Геодезии 2

Немного истории: С 1909 г. по 1971 г. все измерения гравитационного поля производились в Потсдамской гравиметрической системе. На исходном гравиметрическом пункте абсолютные определения производились оборотными маятниками и их погрешность составила 3 мГал. Новая система IGSN-1971 была принята Генеральной Ассамблеей Международного Союза Геодезии и Геофизики в Москве в 1971 г. (резолюция 16). IGSN-71 базировалась первоначально на 10 абсолютных определениях на 8 гравиметрических пунктах с погрешностью определения УСП на пунктах 1 мГал. В 70-х годах 20 века IGSN-1971 была расширена до 471 пункта с связей, измеренных относительными гравиметрами, и с 1200 абсолютными измерениями маятниковыми гравиметрами. Погрешность определения УСП составила 0.1 мГал. В 1986 г. Г. Бедекер и Т. Фритцер предложили новую международную систему IAGBN, в рамках которой должен был проводиться и мониторинг вариаций гравитационного поля, однако предполагаемый набор пунктов не был реализован. Новые возможности абсолютных измерений, связанные с увеличением числа транспортабельных абсолютных гравиметров и повышением точности их измерений, а также распространение криогенных относительных гравиметров открывают новые возможности в построении глобальных систем абсолютных гравиметрических пунктов. 3

Предложение по замене IGSN71 IGSN71 ( Morelli) Принятая в 1971 г. на XXV. Генеральной Ассамблее МСГГ (IUGG) в Москве в настоящее время IGSN71 не отвечает современным требованиям геодезии и метрологии ! Необходимо обновление и применяемых моделей и стандартов (приливы, влияние атмосферы и пр.)

Развитие абсолютных баллистических гравиметров (АГ) позволило получить ? первичные эталоны (measurement standards) в гравиметрии, реализующие первичную методику воспроизведения единицы ускорения в гравиметрии. АГ, сличения АГ и пункты, где проводятся сличения (gravity standards) могут реализовать новую международную опорную систему в гравиметрии. Предложение новой Международной Системы Фундаментальных Абсолютных Гравиметрических Станций ISFAGS предполагает, – Прослеживаемость (traceability) измерений УСП к метрологическим эталонам, реализуемая при сотрудничестве геодезического и метрологического сообществ, под эгидой МКМВ – Определение в результате сличений АГ референтных значений на гравиметрических пунктах сети. – Мониторинг вариаций гравитационного поля пунктах сети с помощью АГ и криогенных гравиметров. – Определение связей между пунктами путем организации на них сличений с участием различных АГ. – Глобальное распределение на Земле пунктов для Региональных сличений и сличений Консультативного Комитета по Массе. – Колокация средств геометрических и гравитационных измерений на пунктах ISFAGS. Предложение по замене IGSN71 5

Предложение o новой Международной Системe Фундаментальных Абсолютных Гравиметрических Станций ISFAGS предполагает также, Включение сети Глобального Геодинамического Проекта (GGP) в новую ISFAGS. Колокацию средств геометрических и гравитационных измерений на пунктах ISFAGS. Наличие базы данных абсолютных измерений, данных сличений абсолютных гравиметров и данных мониторинга вариаций гравитационного поля. Разработку стандартов, документов, определяющих введение необходимых поправок, и заключение необходимых соглашений между международными службами и организациями. Предложение по замене IGSN71 6

Agrav - база данных абсолютных измерений гравитационного поля Данные доступны в Интернете База данных является частью International Gravity Field Service (IGFS) и International Gravity Bureau (BGI) Функционирует на двух серверах (two mirror servers) BGI и BKG В настоящее время содержит данные 42 абсолютных гравиметров с 702 гравиметрических пунктов о 2471 абсолютных измерениях (по состоянию на апрель 2013 г) Дальнейшие улучшения: Визуализация серий измерений абсолютных гравиметров Включение данных наблюдений с криогенными гравиметрами (в сотрудничестве с Global Geodynamics Project - GGP) Данные всех сличений абсолютных гравиметров и т.д. 7

Новый дизайн представления базы данных (в разработке) Agrav - база данных абсолютных измерений гравитационного поля 8

9

Расположение SG станций на Земле (под эгидой GGP) неравномерно. В больших областях Азии, Африки, Южной и Северной Америк и в России станции отсутствуют.

Сеть GGP создается на добровольных началах для получения и взаимного обмена данных о временных вариациях гравитационного поля Земли. Каждый криогенный гравиметр (КГ) устанавливается национальными научными организациями и используется в рамках национальныхr проектов различных организаций и исследовательских групп. Иногда КГ передислоцируются. Время жизни чувствительного элемента КГ составляет не менее 20 лет. Различное дополнительное оборудование чаще нуждается в обслуживании и ремонте. Данные GGP общедоступны. Задержка в их получении составляет от нескольких дней месяца до 6 месяцев (в зависимости от порядка, установленного на каждой станции). The performance of the instrument is largely unchanged since the 1970 s, except that instrument drift is routinely (rather than occasionally) a few Gal per year, equally the promise of the best early instruments Amplitude calibration accuracy and stability over many years are typically 0.01 to 0.1%. Phase calibration (the long period system transfer time delay) can be measured to 1% [i.e. 0.1 sec] or better. 11

Van Camp et al. (2005), J.of Geod. Комбинированные данные SG и AG на пункте Membach (Германия) на протяжении 9 лет. Криогенный гравиметр SG C021 имеет линейный дрейф 43 нм с -2, устраненный на основе данных AG FG Пример комбинированных измерений абсолютным и криогенным гравиметрами, показывающий а) соответствие их данных и б) взаимодополняемость AG и SG.

Как наилучшим образом комбинировать АГ и КГ данные ? Существует множество публикаций на эту тему. Оптимальным признан метод коррекции измерений КГ на его дрейф с помощью данных АГ и определение вековых изменений гравитационного поля с помощью данных КГ. Опыт показал, что именно комбинация АГ-КГ является наилучшей для мониторинга вековых изменений гравитационного поля. 13

van Camp et al. (2005) Абсолютное согласие АГ и КГ на периодах от 1 дня до 1 года SG AG Спектры мощности шумов АГ и КГ для разных длительностей выборок и интервалов времени

Комбинированные АГ-КГ измерения (Ny-Alesund, Svalbard, Norway) АГ, в принципе, бездрейфовый гравиметр, но иногда наблюдаются сдвиги результатов измерений по случайным причинам. Инструментальная погрешность – около 2 мкГал. Дрейф КГ составляет 1-3 мкГал/год и носит предсказуемый характер.

Таяние льдов (Svalbard, Norway) определяемое комбинированной геодезической техникой измерений (GPS наблюдения, КГ – гравиметрия) AG - blue Ежедневные КГ измерения, тренд, аппроксимация по 4- гармоникам Ежедневные GPS данные Наблюдаемый подъем составляет 8 мм/год Omang and Kierulf (GRL, 2011) trend change in PDIM

АГ и КГ измерения на пункте Лазерной Дальнометрии Луны (Apache Point, New Mexico) Цель – сопровождение астрофизических измерений положения вертикального телескопа на уровне 1 мм (и, тем самым, повышение точности измерения расстояния Луна-Земля). КГ (непрерывные), АГ (отдельные измерения)

ISFAGS не может функционировать без точных одновременных оценок влияний эффектов окружающей среды и, в особенности, тех, которые не могут быть оценены на микрогальном и субмикрогальном уровне на основе разумных моделей. К таким эффектам относятся эффекты, связанные с подземными водами, содержанием влаги в поверхностном слое Земли, наземными и подземными водными потоками, водяными паров в атмосфере и т.п. Эти эффекты приводят к вариациям гравитационного поля на гравиметрических пунктах на уровне 5 мкГал и более и с трудом поддаются моделированию. Таким образом, для измерения вариаций гравитационного поля на пунктах ISFAGS с целью изучения вышеперечисленных «гидрологических» эффектов для изучения метрологических характеристик АГ на гравиметрических пунктах и для повышения надежности калибровок АГ первичными эталонами рекомендуется мониторинг с помощью КГ или АГ. 18

Наилучшее средство для предсказания «гидрологических» эффектов – это криогенный гравиметр ! Creutzfeldt et al. (2010) Установка лизиметра (Wettzell, Germany), позволяющего в сочетании с КГ изучать «гидрологические» эффекты. during and after installation SG C029

The results of the comparison are done without any parametric fitting – the hydrology model (4 components) and the SG gravity residuals are arrived at independently! Creutzfeldt et al. (2010) Период весенних дождей 20

КГ измерения могут быть теперь выполнены практически на любом пункте благодаря разработке новой модели криогенного гравиметра – iGrav R. Warburton, GWR Instruments iGrav system: SG, Compressor, UPS power supply, and 1 He gas cylinder Total weight = 130 kg, power supply = 1.6 kW, setup time = 2 hr, time to liquefy He = 6 days Precision (0.025 Gal) and drift (~ 2 Gal/yr) are similar to the OSG model, but final drift estimates will take 1-2 yr to establish 21

Опорные гравиметрические пункты Результат анализа, проведенного в 2011 г. Рабочей Группой по Абсолютной Гравиметрии и участниками Глобального Геодинамического Проекта для определения возможностей разворачивания новой системы ISFAGS 22

Расположение SG станций на Земле (под эгидой GGP) неравномерно. В больших областях Азии, Африки, Южной и Северной Америк и в России станции отсутствуют.

Существуют основные составляющие для построения новой глобальной Международной Системы Фундаментальных Абсолютных Гравиметрических Станций (ISFAGS) c целевой погрешностью определения УСП на пунктах не более 10 мкГал. Это наличие растущего числа транспортабельных абсолютных баллистических гравиметров с инструментальной погрешностью измерений УСП около 2 мкГал, наличие растущего количества криогенных гравиметров, позволяющих осуществлять непрерывный мониторинг вариаций гравитационного поля на субмикрогальном уровне, организованная в соответствии с требованиями международного «Соглашения о Взаимном Признании результатов измерений и сертификатов калибровок» (MRA) система международных сличений абсолютных гравиметров, позволяющая определять метрологические характеристики АГ и референтные значения сличений – значения УСП на гравиметрических пунктах – с погрешностью не более 1 мкГал, сеть гравиметрических пунктов на разных континентах, где могут быть организованы сличения и обеспечен мониторинг вариаций гравитационного поля, наличие международной базы данных абсолютных измерений AGrav, которая при дальнейшей доработке может быть использована для хранения данных новой системы ISFAGS. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 24

25 Cпасибо за внимание !