Дорогу покажет матушка-Земля: ученые создают навигацию по силовым полям планеты

Справка

Гравиметрия (от лат. gravis — «тяжёлый» и греч. μετρέω — «измеряю») – это наука об измерении силы тяжести в гравитационном поле Земли.

Сначала человечество ориентировалось по звездам, затем изобрело компас, потом – спутниковые системы, которые сегодня определяют наше местонахождение с точностью до метра. Но ученым и этого мало: теперь они хотят создать систему, позволяющую ориентироваться по тем самым силовым линиям матушки-Земли, определив на ней производную ее гравитационного потенциала в каждой точке, а затем создав пользовательские гравиметры. У истоков этой идеи в нашей стране стоял сотрудник ВНИИФТРИ, академик РАН Владислав Пустовойт, ушедший от нас в 2020 году. Теория была предложена еще в 60-е годы, но до сих пор не реализована ни у нас, ни за рубежом.

– Сила тяжести Земли поможет нам создать так называемую бесшовную навигацию, – объясняет коллега Пустовойта, доктор технических наук, профессор Вячеслав Фатеев. – Вот едем мы с вами по открытой местности – нас «ведет» глобальная спутниковая группировка ГЛОНАСС, а заехали в густой лес или в туннель – сигнал сверху пропал. Что делать? На этот случай нам надо иметь другое, неподвластное помехам поле. К примеру, гравитационное, по которому мы будем продолжать двигаться, не замечая подмены источника сигнала.

Гравиметр и яблоко Ньютона

Навигация по гравитационному полю – это то, к чему ученые стремятся в будущем. Подробнее об этом я расскажу чуть позже. Но сначала хотелось бы пояснить, для чего гравиметры служат специалистам разных направлений уже сегодня. Например, они помогают искать полезные ископаемые под землей: залежи железа существенно увеличивают гравитационный потенциал, а полости, заполненные газом, – наоборот, снижают. Или вулканологи по изменению потенциала понимают, где под землей идет нагнетание вулканической магмы, которая вот-вот вырвется наружу.

Кстати, полное значение гравитационного потенциала до сих пор никто не измерил. В настоящее время возможно определить только его производную – ускорение свободного падения, или, по-другому, – ускорение силы тяжести. То есть, те самые 9,8 метра на секунду в квадрате (9,8м/с2 или g), с которыми яблоко когда-то упало на голову Ньютона. Получается, и в гравиметре что-то куда-то должно падать?..

По словам заведующего лабораторией ВНИИФТРИ Руслана Давлатова, абсолютный гравиметр (самый точный из существующих типов) определяет ускорение свободного падения падающего в вакуумной камере уголкового отражателя лазерного луча.

– Получается, гравиметр чувствует гравитационное поле, как компас – магнитное. Но этот «компас» сейчас очень тяжелый – как же при помощи него найти, к примеру, газ в труднодоступных районах Арктики? – спрашиваю я Давлатова.

– Довольно громоздкие абсолютные гравиметры с высокой точностью измеряют силу тяжести Земли в каждой точке, где они устанавливаются. Дополнительно к ним используют малогабаритные относительные гравиметры, например, разрабатываемый у нас гравиметр «Пешеход». Такой тип гравиметров измеряет изменение силы тяжести между точками. Однако при разведке труднодоступных районов используют уже бортовые гравиметры, которые можно устанавливать на самолет или беспилотник. Погрешность таких приборов по сравнению с абсолютными – в сотни раз больше, а потому, чтобы построить гравитационную карту газоносных месторождений, к делу подключаются математики. Они анализируют данные наземных и бортовых гравиметров и выдают более-менее точные результаты.

В настоящее время, по словам генерального директора ВНИИФТРИ, доктора технических наук Сергея Донченко, ученые этого института впервые за 20 лет завершают создание серийного относительного гравиметра «Пешеход» собственной разработки. Также на завершающем этапе создания находится абсолютный гравиметр, который работает на квантовых атомных сенсорах.

Ровная дорога на самом деле – с ямами. Гравитационными

– Почему ученым до сих пор не удалось построить гравитационную карту Земли, что этому мешает? – спрашиваю я другого участника конференции – член-корреспондента РАН, директора Физического института им. Лебедева РАН Николая Колачевского.

– Пока точность построения даже локальных карт измеряется в сотнях метров. Это много, и для карт местности чаще всего недостаточно. Одна из причин этого – сама природа гравитационного возмущения, которое является самым слабым типом физического взаимодействия из всех известных.

– Ничего себе слабое: упадешь под действием этого «возмущения» – мало не покажется!

– Это если падение происходит с высоты. А если мы идем по ровной дороге, то совершенно невосприимчивы к малым возмущениям гравитационного поля, возникающих из-за скрытых под землей аномалий. Можно идти по совершенно горизонтальной площади где-нибудь в Москве, а она с точки зрения гравитации – неровная. Если под асфальтом кто-то забыл бетонный блок, то возникает гравитационное искривление...

– То есть я в этом месте площади становлюсь немного тяжелее, чем до него?

– Да, именно так. Изменение веса может оказаться очень маленьким, всего несколько миллиардных единиц, и, конечно, человек его не чувствует.

– И если у меня в руках будет гравиметрический навигатор, я смогу это изменение своего веса над гравитационной аномалией зафиксировать?

– С гравиметром, когда такой будет создан и минимизирован до размера гаджета, сможете. Сейчас это можно сделать только с помощью большого стационарного прибора. А вот создать миниатюрный и одновременно чувствительный прибор – пока очень сложная задача: мешают различные шумы, да и, как говорилось, воздействие очень слабое. Но есть у гравитационного сигнала и большой плюс: по сравнению с радиосигналом или оптическим сигналом, которые можно относительно легко исказить, гравитационную карту почти невозможно ничем изменить: если уж гора стоит, то она стоит, если есть впадина – то до следующего землетрясения она тоже никуда не исчезнет...

– То есть для гравитационной карты горы и впадины – как реперные (опорные) звезды для ГЛОНАСС?

– Можно так сказать. И представьте теперь, насколько мы сможем улучшить навигацию, когда у нас появится комплексная система, состоящая из разных ее типов!

– Можно поподробней о том, где нам может пригодиться гравиметрическая навигация?

– Представьте себе, что вы оказались в метро, где нет никаких указателей, без света и сигнала спутникового навигатора. Чувствительный гравиметр с высокой точностью сможет обрисовать вам местоположение. Или, к примеру, – под водой. Ведь там тоже нет никаких навигационных сигналов, кроме магнитного поля, ну и показаний инерциальных систем – гироскопов и акселерометров, – которые накапливают данные об ускорении батискафа, и по ним, а также по рельефу дна определяют местоположение. А если у подводников появится пользовательский гравиметр, точность определения положения существенно возрастет.

Ледники Антарктиды и Арктики меняют гравитационное поле

– В Интернете многие из нас встречали понятие – геоид. Что это такое и связано ли как-то с гравиметрией? – спрашиваю я Руслана Давлатова.

– Геоид – это модель формы Земли, которая используется для определения уровня моря и гравитационного поля планеты. Он представляет собой поверхность, соответствующую среднему уровню моря, если бы она продолжалась под континентами и была бы свободна от влияния ветров, волн и приливов. Геоид является более сложной формой, чем сфера или эллипсоид, так как учитывает изменения в гравитационном поле Земли, вызванные горными цепями, океанскими впадинами и другими геологическими особенностями.

– Согласно геоиду, Арктика – это поднятие или возвышение?

– Арктика представляет собой область, где уровень геоида может быть несколько поднят по сравнению с окружающими районами. То же относится и к Антарктиде. Это связано с тем, что под ледяным покровом этих областей находится значительное количество льда. Их таяние влияет на распределение массы и, как следствие, на гравитационное поле в этом регионе.

– А Москва?

– Москва приподнята на 150-200 метров от поверхности воды.

– С появлением более точных гравитационных карт геоид будет совершенствоваться?

– Конечно. Единственная проблема при уточнении геоида заключается в том, что точная гравиметрическая информация у многих стран является закрытой тематикой из соображений безопасности. В связи с этим многие страны имеют свой собственный геоид.

– Как же они его создают, не имея полных данных?

– По тем измерительным данным, которые есть у разработчиков. Если не хватает точной информации по другим странам, они пользуются космическими данными, которые, имеют большую погрешность.

– Что может повлиять на изменение гравитационной составляющей и будущих карт?

– Крупные постройки, изменение уровня подземных вод, изменение плотности грунтов из-за добычи нефти или газа. Думаю, обновление навигационных гравитационных карт, когда они появятся, понадобится делать раз в пять-десять лет.

Высотная основа России

В настоящее время специалисты ВНИИФТРИ разрабатывают еще один интересный стандарт, который называют «высотной основой России».

До сих пор, еще с советских времен, свою «высотную основу» мы отмеряли по уровню высоты Балтийского моря, по так называемому Кронштадтскому футштоку, который установлен на каменном устое Синего моста через Обводный канал. Он является нулевой отметкой, по которой отмеряют так называемую Балтийскую систему высот. 150 метров над уровнем моря столицы России отсчитывают именно от этого нивелира. А вот, к примеру, у Франции своя метка уровня моря – Марсельский футшток на Средиземном море. Для остальных стран Европы уровень моря отмеряется по Амстердамскому футштоку, который расположен на площади Дам в центре нидерландской столицы.

Справка

Футшток (от нем. Fußstock – уровнемер) – это брус с делениями, установленный на водомерном посту для наблюдения и точного определения уровня воды в море.

Футштоки часто используют в качестве геодезического опорного пункта, который важно учитывать при картографировании территории, строительстве и эксплуатации зданий и мостов.

Материалы наблюдений на отдельных футштоках используют как для наблюдения за изменением уровня моря в отдельно взятой точке, так и для определения разницы уровня морей и изучения вертикальных движений земной поверхности, вызванных движениями литосферных плит.

По словам Вячеслава Фатеева, до сих пор геодезистам приходится «вести» уровень моря от нулевого уровня на Балтике до Камчатки. К сожалению, при проведении нивелирных работ на таком расстоянии накапливается погрешность: ошибка определения высот относительно Кронштадтского футштока на дальних границах страны может достигать десятков метров.

Поэтому сейчас ученые предложили расширить этот стандарт, создав дополнительные футштоки в других уголках нашей страны, равные по высоте Кронштадтскому.

Речь идет о системе под названием «Квантовый футшток», которая создается на базе новых гравиметрических приборов, разработанных учеными. Так, кроме имеющегося первого футштока в Санкт-Петербурге, новые его аналоги скоро появятся в Москве, Вологде, Екатеринбурге, Иркутске, Хабаровске и Владивостоке.

На втором этапе будет создаваться дополнительная нивелирная сеть футштоков вдоль железных и шоссейных дорог, а также вдоль Северного морского пути.

Специалисты отмечают, что было бы неплохо ускорить темпы модернизации высотной основы страны. В противном случае есть риск утраты реальных значений высот физической поверхности Земли. Особенно критическим это становится при современных темпах освоения Арктики.

Новый «Квантовый футшток» будет представлять собой сеть сверхстабильных квантовых эталонных стандартов времени и частоты, связанных между собой наземными волоконно-оптическими линиями связи.

По словам Сергея Донченко, в ближайшее время на базе возглавляемого им института будет создан Центр для разработки и внедрения квантовых гравитационных и магнитных сенсоров, в которых очень нуждается наше государство. Работы ведутся совместно с академическими институтами: ФИАНом, Институтом спектроскопии, Институтом лазерной физики в Новосибирске, МИФИ и другими.

– Наша цель – создать гравиметры с уменьшенными габаритами, улучшить их точность за счет созданных здесь же новых стандартов времени и частоты, – говорит Сергей Иванович. – Если все будет развиваться такими темпами, как сейчас, то через три-пять лет квантовые технологии перевернут нашу жизнь – точность измерений перейдет на высочайший уровень.