Gravímetro - Gravimeter

Um gravímetro Autograv CG-5 sendo operado
Para uma cobertura mais ampla deste tópico, consulte Gravimetria § Medindo a gravidade .

Um gravímetro é um instrumento usado para medir a aceleração gravitacional . Cada massa tem um potencial gravitacional associado. O gradiente desse potencial é uma força. Um gravímetro mede essa força gravitacional.

Os primeiros gravímetros eram acelerômetros verticais , especializados para medir a aceleração constante da gravidade para baixo na superfície da Terra. A gravidade vertical da Terra varia de um lugar para outro sobre a superfície da Terra em cerca de ± 0,5%. Varia em cerca de ± 1000 nm / s 2 (nanômetros por segundo ao quadrado) em qualquer local por causa das posições variáveis ​​do sol e da lua em relação à Terra.

A mudança de chamar um dispositivo de "acelerômetro" para "gravímetro" ocorre aproximadamente no ponto em que ele precisa fazer correções para as marés.

Embora semelhante em design a outros acelerômetros, os gravímetros são normalmente projetados para serem muito mais sensíveis. Seus primeiros usos foram para medir as mudanças na gravidade de diferentes densidades e distribuição de massas dentro da terra, de variações temporais de " marés " na forma e distribuição de massa nos oceanos, atmosfera e terra.

Os gravímetros podem detectar vibrações e mudanças de gravidade em atividades humanas. Dependendo dos interesses do pesquisador ou operador, isso pode ser neutralizado por isolamento de vibração integral e processamento de sinal .

A resolução dos gravímetros pode ser aumentada calculando a média das amostras em períodos mais longos. As características fundamentais dos gravímetros são a precisão de uma única medição (uma única "amostra") e a taxa de amostragem (amostras por segundo).

por exemplo:

Os gravímetros exibem suas medidas em unidades de galões (cm / s 2 ), nanômetros por segundo ao quadrado e partes por milhão, partes por bilhão ou partes por trilhão da aceleração vertical média em relação à Terra. Algumas unidades mais novas são pm / s 2 (picômetros por segundo ao quadrado), fm / s 2 (femto), am / s 2 (atto) para instrumentos muito sensíveis.

Os gravímetros são usados ​​para prospecção de petróleo e minerais , sismologia , geodésia , levantamentos geofísicos e outras pesquisas geofísicas e para metrologia . Seu propósito fundamental é mapear o campo gravitacional no espaço e no tempo.

A maior parte do trabalho atual é baseado na Terra, com alguns satélites ao redor da Terra, mas os gravímetros também são aplicáveis ​​à lua, sol, planetas, asteróides, estrelas, galáxias e outros corpos. Os experimentos de ondas gravitacionais monitoram as mudanças com o tempo no potencial gravitacional em si, ao invés do gradiente do potencial que o gravímetro está rastreando. Essa distinção é um tanto arbitrária. Os subsistemas dos experimentos de radiação gravitacional são muito sensíveis às mudanças no gradiente do potencial. Os sinais de gravidade local na Terra que interferem com os experimentos de ondas gravitacionais são depreciativamente chamados de "ruído newtoniano", uma vez que os cálculos da gravidade newtoniana são suficientes para caracterizar muitos dos sinais locais (baseados na Terra).

O termo gravímetro absoluto tem sido mais frequentemente usado para rotular gravímetros que relatam a aceleração vertical local devido à terra. O gravímetro relativo geralmente se refere a comparações diferenciais de gravidade de um lugar para outro. Eles são projetados para subtrair a gravidade vertical média automaticamente. Eles podem ser calibrados em um local onde a gravidade é conhecida com precisão e, em seguida, transportados para o local onde a gravidade será medida. Ou eles podem ser calibrados em unidades absolutas em seu local de operação.

Existem muitos métodos para exibir os campos de aceleração, também chamados de campos gravitacionais . Isso inclui mapas 2D tradicionais, mas cada vez mais vídeos em 3D. Como a gravidade e a aceleração são iguais, "campo de aceleração" pode ser preferível, uma vez que "gravidade" é um prefixo frequentemente mal utilizado.

Gravímetros absolutos comerciais

Ilustração dos efeitos de diferentes feições geológicas subterrâneas no campo gravitacional local. Um volume de baixa densidade, 2, reduz g, enquanto o material de alta densidade, 3, aumenta g.

Os gravímetros, para medir a gravidade da Terra com a maior precisão possível, estão ficando menores e mais portáteis. Um tipo comum mede a aceleração de pequenas massas em queda livre no vácuo , quando o acelerômetro está firmemente preso ao solo. A massa inclui um retrorefletor e termina um braço de um interferômetro de Michelson . Contando e cronometrando as franjas de interferência, a aceleração da massa pode ser medida. Um desenvolvimento mais recente é uma versão de "ascensão e queda" que joga a massa para cima e mede o movimento para cima e para baixo. Isso permite o cancelamento de alguns erros de medição ; no entanto, gravímetros de "subida e descida" ainda não são de uso comum. Os gravímetros absolutos são usados ​​na calibração de gravímetros relativos, levantamento de anomalias de gravidade (vazios) e para estabelecer a rede de controle vertical .

Os métodos de interferometria atômica e de fonte atômica são usados ​​para a medição precisa da gravidade da Terra, e relógios atômicos e instrumentos específicos podem usar medições de dilatação do tempo (também chamadas de relativística geral) para rastrear mudanças no potencial gravitacional e na aceleração gravitacional na Terra.

O termo "absoluto" não indica a estabilidade, sensibilidade, precisão, facilidade de uso e largura de banda do instrumento. Portanto, ele e "relativo" não devem ser usados ​​quando características mais específicas podem ser fornecidas.

Gravímetros relativos

Os gravímetros mais comuns são baseados em molas . Eles são usados ​​em levantamentos de gravidade em grandes áreas para estabelecer a figura do geóide sobre essas áreas. Eles são basicamente um peso em uma mola e, medindo a quantidade pela qual o peso estica a mola, a gravidade local pode ser medida. No entanto, a força da mola deve ser calibrada colocando o instrumento em um local com uma aceleração gravitacional conhecida.

O padrão atual para gravímetros sensíveis são os gravímetros supercondutores , que operam suspendendo uma esfera de nióbio supercondutora em um campo magnético extremamente estável ; a corrente necessária para gerar o campo magnético que suspende a esfera de nióbio é proporcional à força da aceleração gravitacional da Terra. Os supercondutores Alcança gravimeter sensibilidades de 10 -11 m · s -2 (um nanogal ), aproximadamente um trilionésimo (10 -12 ), da gravidade da superfície da Terra. Em uma demonstração da sensibilidade do gravímetro supercondutor, Virtanen (2006), descreve como um instrumento em Metsähovi, Finlândia, detectou o aumento gradual da gravidade superficial à medida que os trabalhadores removiam a neve do telhado do seu laboratório.

O maior componente do sinal registrado por um gravímetro supercondutor é a gravidade das marés do sol e da lua atuando na estação. Isso é cerca de ± 1000 nm / s 2 (nanômetros por segundo ao quadrado) na maioria dos locais. Os "SGs", como são chamados, podem detectar e caracterizar as marés terrestres , as mudanças na densidade da atmosfera, o efeito das mudanças na forma da superfície do oceano, o efeito da pressão da atmosfera sobre a terra, as mudanças em a taxa de rotação da Terra, oscilações do núcleo da Terra, eventos sísmicos distantes e próximos e muito mais.

Muitos sismômetros de banda larga e três eixos em uso comum são sensíveis o suficiente para rastrear o sol e a lua. Quando operados para relatar aceleração, eles são gravímetros úteis. Como eles têm três eixos, é possível resolver sua posição e orientação, rastreando o tempo de chegada e o padrão das ondas sísmicas de terremotos ou referenciando-as à gravidade das marés do sol e da lua.

Recentemente, os SGs e os sismômetros de banda larga de três eixos operados em modo gravímetro começaram a detectar e caracterizar os pequenos sinais de gravidade dos terremotos. Esses sinais chegam ao gravímetro à velocidade da luz , portanto, têm o potencial de melhorar os métodos de alerta precoce de terremotos. Há alguma atividade para projetar gravímetros especificamente construídos com sensibilidade e largura de banda suficientes para detectar esses sinais de gravidade imediatos de terremotos. Não apenas os eventos de magnitude 7 ou superior, mas também os eventos menores e muito mais frequentes.

Gravímetros MEMS , gravímetros atômicos - gravímetros MEMS oferecem o potencial para matrizes de sensores de baixo custo. Os gravímetros MEMS são atualmente variações dos acelerômetros do tipo mola, onde os movimentos de um pequeno cantilever ou massa são rastreados para relatar a aceleração. Grande parte da pesquisa está focada em diferentes métodos de detecção da posição e dos movimentos dessas pequenas massas. Em gravímetros atômicos, a massa é uma coleção de átomos.

Para uma determinada força restauradora, a frequência central do instrumento é muitas vezes dada por

(em radianos por segundo)

O termo para a "constante de força" muda se a força restauradora for eletrostática, magnetostática, eletromagnética, óptica, micro-ondas, acústica ou qualquer uma das dezenas de maneiras diferentes de manter a massa estacionária. A "constante de força" é apenas o coeficiente do termo de deslocamento na equação do movimento:

m a + b v + k x + constante = F ( X , t )
massa m , a aceleração, viscosidade b , velocidade v , constante de força k , deslocamento x
F força externa em função da localização / posição e do tempo.

F é a força que está sendo medida, e F / m é a aceleração.

g ( X , t ) = a + b v / m + k x / m + constante / m + derivados superiores da força restauradora

Estações GPS precisas podem ser operadas como gravímetros, pois medem cada vez mais as posições dos três eixos ao longo do tempo, que, quando diferenciadas duas vezes, fornecem um sinal de aceleração.

Os gravímetros de satélite GOCE , GRACE , estão operando principalmente no modo gradiômetro de gravidade . Eles fornecem informações detalhadas sobre o campo gravitacional variável no tempo da Terra. Os modelos de potencial gravitacional harmônico esférico estão melhorando lentamente em resolução espacial e temporal. Tomando o gradiente dos potenciais dá uma estimativa da aceleração local, que é o que é medido pelos arranjos gravimétricos. A rede gravimétrica supercondutora tem sido usada para estabelecer a verdade sobre os potenciais dos satélites. Isso deve, eventualmente, melhorar os métodos e intercomparações baseados em satélite e na Terra.

Gravímetros relativos transportáveis ​​também existem; eles empregam uma plataforma inercial extremamente estável para compensar os efeitos de mascaramento de movimento e vibração, um feito de engenharia difícil. Os primeiros gravímetros relativos transportáveis ​​foram, supostamente, uma tecnologia militar secreta desenvolvida nos anos 1950-1960 como um auxílio à navegação para submarinos nucleares . Posteriormente, na década de 1980, gravímetros relativos transportáveis ​​foram submetidos a engenharia reversa pelo setor civil para uso em navios, depois no ar e, finalmente, em levantamentos gravimétricos transmitidos por satélite.

Veja também

Referências