ГРАВИМЕТРИЯ
(от лат. gravis
- тяжёлый и ...метрия), раздел науки об измерении величин, характеризующих
гравитационное поле Земли, и об использовании их для определения фигуры
Земли, изучения её общего внутр. строения, геол. строения её верхних частей,
решения нек-рых задач навигации и др. В перспективе перед Г. стоит задача
изучения Луны и планет по их гравитац. полю. В Г. гравитац. поле Земли
задаётся обычно полем силы тяжести (или численно равного ей ускорения силы
тяжести), к-рая является результирующей двух осн. сил: силы притяжения
(тяготения) Земли и центробежной силы, вызванной её суточным вращением.
Центробежная сила, направленная от оси вращения, уменьшает силу тяжести,
причём в наибольшей степени на экваторе. Уменьшение силы тяжести от полюсов
к экватору обусловлено также и сжатием Земли. В результате действия обеих
причин сила тяжести на экваторе примерно на 0,5% меньше, чем на полюсах.
Изменение силы тяжести вследствие притяжения Луны и Солнца не превосходит
неск. десятимиллионных её долей. Ещё меньше изменения из-за перемещений
масс в недрах Земли и масс воздуха.
Величины силы тяжести на земной поверхности
зависят от фигуры и распределения плотности внутри Земли.
Поэтому изучение гравитац. поля Земли
доставляет ценный материал для суждений о её фигуре и внутр. строении,
в частности для разведки полезных ископаемых (см. Гравиметрическая разведка).
Определения силы тяжести производятся
относит. методом, путём измерения при помощи гравиметров и маятниковых
приборов разности силы тяжести в изучаемых и опорных пунктах. Сеть же опорных
гравиметрических пунктов на всей Земле связана в конечном итоге с пунктом
в Потсдаме (ГДР), где оборотными маятниками в нач. 20 в. было определено
абс. значение ускорения силы тяжести (981 274 мгл; см. Гал). Абс. определения
силы тяжести сопряжены со значит. трудностями, и их точность ниже относит.
измерений. Новые абс. измерения, производимые более чем в 10 пунктах Земли,
показывают, что приведённое значение ускорения силы тяжести в Потсдаме
превышено, по-видимому, на 13-14 мгл. После завершения этих работ будет
осуществлён переход на новую гравиметрич. систему. Однако во многих задачах
Г. эта ошибка не имеет существ. значения, т. к. для их решения используются
не сами абс. величины, а их разности. Наиболее точно абс. значение силы
тяжести определяется из опытов со свободным падением тел в вакуумной камере.
Успеху опытов способствует прогресс в технике измерений времени и расстояний.
Относит. определения силы тяжести производятся
маятниковыми приборами с точностью до неск. сотых долей мгл. Гравиметры
обеспечивают неск. большую точность измерений, чем маятниковые приборы,
портативны и просты в обращении. Существует спец. гравиметрич. аппаратура
для измерений силы тяжести с движущихся объектов (подводных и надводных
кораблей, самолётов). В приборах осуществляется непрерывная запись изменения
ускорения силы тяжести по пути корабля или самолёта. Такие измерения связаны
с трудностью исключения из показаний приборов влияния возмущающих ускорений
и наклонов основания прибора, вызываемых качкой. Имеются спец. гравиметры
для измерений на дне мелководных бассейнов, в буровых скважинах. Вторые
производные потенциала силы тяжести измеряются с помощью гравитационных
вариометров.
Основной круг задач Г. решается путём
изучения стационарного пространств. гравитац. поля. Для изучения упругих
свойств Земли производится непрерывная регистрация вариаций силы тяжести
во времени. Вследствие того что Земля неоднородна по плотности и имеет
неправильную форму, её внешнее гравитац. поле характеризуется сложным строением.
Для решения различных задач удобно рассматривать гравитац. поле состоящим
из двух частей: основного - называемого нормальным, изменяющегося с широтой
места по простому закону, и аномального - небольшого по величине, но сложного
по распределению, обусловленного неоднородностями плотности пород в верхних
слоях Земли. Нормальное гравитац. поле соответствует нек-рой идеализированной
простой по форме и внутр. строению модели Земли (эллипсоиду или близкому
к нему сфероиду). Разность между наблюдённой силой тяжести и нормальной,
вычисленной по той или иной формуле распределения нормальной силы тяжести
и приведённой соответствующими поправками к принятому уровню высот, наз.
аномалией силы тяжести. Если при таком приведении принимается во внимание
только нормальный вертикальный градиент силы тяжести, равный 3086 этвеш
(т. е. в предположении, что между пунктом наблюдения и уровнем приведения
нет никаких масс), то полученные таким путём аномалии наз. аномалиями в
свободном воздухе. Вычисленные так аномалии чаще всего применяются при
изучении фигуры Земли. Если при приведении учитывается ещё и притяжение
считающегося однородным слоя масс между уровнями наблюдения и приведения,
то получаются аномалии, наз. аномалиями Буге. Они отражают неоднородности
в плотности верхних частей Земли и используются при решении геологоразведочных
задач. В Г. рассматриваются также изостатич. аномалии, к-рые спец. образом
учитывают влияние масс между земной поверхностью и уровнем поверхности
на глубине, на к-рую вышележащие массы оказывают одинаковое давление (см.
Изостазия). Кроме этих аномалий, в Г. вычисляется ряд других (Прея, модифицированные
Буге и пр.). На основании гравиметрич. измерений строятся гравиметрич.
карты с изолиниями аномалий силы тяжести. Аномалии вторых производных потенциала
силы тяжести определяются аналогично как разности наблюдённого значения
(предварительно исправленного за рельеф местности) и нормального значения.
Такие аномалии в основном используются для разведки полезных ископаемых.
В задачах, связанных с использованием
гравиметрич. измерений для изучения фигуры Земли, обычно ведутся поиски
эллипсоида, наилучшим образом представляющего геометрич. форму и внешнее
гравитац. поле Земли, сер. 18 в. франц. учёный А. Клеро выяснил закон общего
изменения силы тяжести у с геогр. широтой ф в предположении, что масса
внутри Земли находится в состоянии гидростатич. равновесия:
к силе тяжести на экваторе, а - сжатие
земного эллипсоида, w-угловая скорость суточного вращения Земли, а - большая
полуось Земли. Определив w и а из астрономич. и геодезич. наблюдений и
измерив силу тяжести на различных широтах, на основе приведённых формул
выводится сжатие Земли а. Англ. учёный Дж. Стоке в сер. 19 в. обобщил вывод
Клеро, показав, что если задать форму уровенной поверхности, направление
оси и скорость суточного вращения Земли и общую массу, заключённую внутри
уровенной поверхности с любым распределением плотности, то потенциал силы
тяжести и его производные однозначно определяются во всём внешнем пространстве.
Для решения обратной задачи - по заданному полю силы тяжести определить
уровенную поверхность, частным случаем к-рой является геоид, - Стоке вывел
формулу, позволяющую вычислять высоты геоида относительно эллипсоида при
условии знания распределения силы тяжести по всей Земле. Теория и опыт
показывают, что геоид близок к эллипсоиду, его отступления не превышают
десятков метров. Голл. учёный Ф. Венинг-Мейнес вывел формулу для определения
отклонений отвеса по аномалиям силы тяжести. На смену теориям Клеро и Стокса
в сер. 40-х гг. 20 в. пришла теория физич. поверхности Земли, идея к-рой
впервые была сформулирована сов. учёным М. С. Молоденским. Его теория свободна
от гипотез о распределении масс под поверхностью наблюдения. Она позволяет
вычислять интересующие элементы гравитац. поля Земли с любой необходимой
точностью, определяемой только точностью измерений, проводимых на земной
поверхности. Вместо геоида используется близкая к нему вспомогательная
поверхность, называемая квазигеоидом.
Гравиметрич. измерения используются
для изучения неоднородностей плотности в верхних частях Земли с геологоразведочными
целями. На основании анализа аномалий силы тяжести делаются качеств. заключения
о положении масс, вызывающих аномалии, а при благоприятных условиях проводятся
количеств. расчёты. Гравиметрич. метод позволяет более рационально направить
бурение и геологоразведочные работы. Он помогает исследовать горизонты
земной коры и верхней мантии, недоступные бурению и обычным геол. наблюдениям.
На основе изучения гравитац. поля Земли изучается проблема: находится ли
Земля в состоянии гидростатич. равновесия и каковы напряжения в теле Земли?
Сравнивая наблюдаемые изменения силы тяжести под влиянием притяжения Луны
и Солнца с их теоретич. значениями, вычисленными для абсолютно твёрдой
Земли, делают заключения о внутр. строении и упругих свойствах Земли. Знание
детального строения гравитац. поля Земли необходимо также и при расчёте
орбит искусств. спутников Земли. При этом осн. влияние оказывают неоднородности
гравитац. поля, обусловленные сжатием Земли. Решается также и обратная
задача: по наблюдениям возмущений в движении искусств. спутников вычисляются
составляющие гравитац. поля. Теория и опыт показывают, что таким путём
особенно уверенно определяются те особенности гравитац. поля, к-рые по
гравиметрич. измерениям выводятся наименее точно. Поэтому для изучения
фигуры Земли и её гравитац. поля совместно используются спутниковые и гравиметрические
наблюдения, а также геодезические измерения Земли (см. Геодезическая гравиметрия).
Лит.: Шокин П. ф., Гравиметрия, М.,
1960; Бровар В. В., Магницкий В. А., Шимбирёв Б. П., Теория фигуры Земли,
М., 1961; Грушинский Н. П., Теория фигуры Земли, М., 1963; Каула В. М.,
Космическая геодезия, пер. с англ., М., 1966; Веселов К. Е., Сагитов М.
У., Гравиметрическая разведка, М., 1968.
М. У. Сагитов,
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я