<<
>>

Спутниковая градиентометрия

  В. Б. Дубовской

Рассмотрим наиболее значительные проблемы, разрешение которых напрямую зависит от уточнения гравитационной модели Земли.

Исследование отклонений от изостазии позволит продвинуться в понимании конвекции в мантии Земли, определить реологические характеристики литосферы и астеносферы, определить зоны земной коры, где в настоящее время действуют тектонические силы, исследовать осадочные бассейны на возможное присутствие углеводородов.

Океаническая циркуляция оказывает значительное влияние на климат в различных масштабах времени. Для решения проблем переноса отравляющих веществ, для навигации и для исследования крупных климатических изменений на нашей планете очень важно знать структуру течений и определить их динамику. Океанские течения формируются под воздействием солнечного излучения, ветрового давления, сил Кориолиса и границ континентов. В северном полушарии преобладают течения, осуществляющиеся по часовой стрелке, в южном — против. Усложненные системы течений возникают в районе экватора и вокруг Антарктики. Эти течения претерпевают значительные изменения в широкой полосе пространственной и временной шкалы. В результате этих течений поверхность океана

существенно отличается от геоида. Отличие поверхности океана от геоида достигает 0,5-1 м, а наклон 10-7-10“5 радиан.

Таким образом, уточнение модели геоида и сравнение ее с альтиметрическими данными внесет существенный вклад в понимание океанической циркуляции двояким образом: первое — через обеспечение формы геоида на поверхности моря, и второе — путем уточнения альтиметрии за счет более точной гравитационной модели на высоте спутников.

Земная кора претерпевает непрерывные изменения под воздействием тектонических сил. Мы не знаем с уверенностью, как первоначально она формировалась в геологическое время. Сценарии разрыва протоконтинентов уходят в прошлое примерно на 250 млн.

лет. Наши знания более ранних периодов умозрительны и форма гравитационного поля резко ограничивает возможные сценарии тектонических процессов. Детальные измерения гравитационного поля являются необходимым шагом на пути к пониманию геодинамики. Гравитационное поле планет земного типа дает информацию для проверки моделей их внутреннего строения и его эволюции. Сравнение этих полей с земным, расхождение гравиметрических аномалий на большом и среднем масштабе и их связь с топографией и тектоникой поверхности является средством понимания истоков и истории температурного режима, и физико-химических свойств планет.

Градиентометр может служить и в качестве инструмента определения масс тел, таких, как астероиды. И безусловно не вызывает сомнения, что успешная реализация спутникового градиентометрического проекта существенно повлияет на повышение качества геодезического и навигационного обеспечения, повышение точности GPS и альтиметрических измерений.

В связи с рядом технологических достижений в семидесятые годы прошлого столетия резко возрос интерес к спутниковым методам сплошного картирования гравитационного поля Земли с высоким разрешением. Были рассмотрены различные схемы реализации этого проекта: спутниковый градиентометр, расположенный на борту космической станции, и система спутник-спутник с высокоточным определением взаимной скорости двух автономных спутников. В надежде реализации спутникового градиентометра были разработаны градиентометры различного типа: комбинации акселерометров, криогенные градиентометры, градиентометры ротационного типа. Наиболее интенсивно аппаратурные разработки проводились в США, Европе и, в меньшей степени, в СССР.

Техника спутник—спутник состоит в измерении скорости между двумя спутниками, расположенными в следующей конфигурации: высокий спутник и другой низкий спутник (НВ); два спутника, расположенных на близких орбитах (НН) на расстоянии 50-300 км. Идеология НВ была опробована на спутниках GEOS и ATSG, что позволило лишь в принципе проверить возможность такого метода, так как GEOS располагался достаточно высоко — 800 км.

Идеология НН была опробована во время совместного полета «Апполон-Союз*, но по ней нельзя было сделать выводов из-за сложных паразитных движений и ионосферных возмущений орбиты. Более перспективным представляется метод НН, для которого были сделаны несколько проектов: SLALOM, DIABOLO, SFB78 и МВВ в рамках ASE, основанные на лазерной технике измерения GRAVSAT-A с радиометрической техникой (~110 ГГц).

Наиболее успешным является проект CHAMP. С использованием данных трехмесячной немецко- французкой миссии (2002 г.) спутника CHAMP и современных достижений GPS-технологий (D. Kuang, Y. Bar-Server, W. Bertiger, S. Desai, B. Haines, B. Lijima, G. Kruizinga, Th. Meehan, L. Romans, 2001 r.) и прецизионного трехосного акселерометра (Р. Touboul, Е. Willemenot, В. Foulon, V. Josselin, 1999 г.) (разрешение 3-10“1Ор в области частот 0,01-10"4 Гц) по возмущению орбит была построена наиболее успешная модель орбитального гравитационного поля E1GEN-IS без привлечения данных наземной гравиметрии и спутниковой альтиметрии [Reigber et al. 2002].

По сравнению с предыдущими моделями преимуществом этого проекта является практически полное покрытие земной поверхности благодаря полярной орбите (склонение 87,3°), одновременное отслеживание 12 GPS-спутников, учет негравитационных ускорений спутника за счет использования прецизионного акселерометра и небольшой высоты круговой орбиты (начальная высота 454 км с убыванием ее до 1,5 км/мес).

Градиентометрическая техника состоит в измерении одной или нескольких компонент тензора вторых производных потенциала гравитационного поля в осях, связанных со спутником.

Предварительно был проведен большой цикл работ по конструированию и испытанию в наземном исполнении различных типов градиентометров: ротационных, комбинации прецизионных акселерометров, криогенных градиентометров.

Многочисленные задачи могли бы быть решены при пространственном разрешении Л/2 порядка 110-160 км (1x1° и 1,5х1,5° соответственно) и точностью разрешения аномалий силы тяжести 10~6lt;?.

Можно определить полосу высот спутников и необходимую инструментальную точность для достижения поставленных целей.

Достижение необходимого качества компонент градиентометра требует решения многочисленных научно-технических проблем, и в первую очередь — достаточно полного представления об инерциальных помехах на борту космических объектов. Это привело к проведению большого комплекса исследований как в лаборатории, так и на орбитальных станциях, летающих лабораториях и зондах [Дубовской 1981; Авдуевский и др. 1988; Дубовской, Обуденни- ков 2002]. Достаточно полная информация о вибрационной обстановке и средствах ее реализации представлена в библиографии по исследованию микрогравитации (более 50 публикаций) (www. lerc. nasa. gov/www/MMAP/PIMS/HTMLS/bibliography. htm).

Реализация в ближайшие годы градиентометрического проекта на низких орбитах (160-180 км) с использованием градиентометров с чувствительностью 10”3-10”4 Э при времени осреднения 1-1000 с, позволит решить широкий круг важнейших задач: выбора наиболее реального механизма горообразования, понимания динамики ядра, определения механических свойств земной коры, построения региональных геологических моделей для оценки минеральных ресурсов, существенного продвижения в области изучения океанической циркуляции, улучшения гравитационных моделей для существенного повышения точности траекторных и GPS-измерений.

Данные градиентометрии, дополняя и контролируя данные морских и наземных гравиметрических измерений, а также данные спутниковой альтиметрии могут позволить устранить систематические погрешности, присущие каждому отдельному методу.

Таким образом, в настоящее время есть все предпосылки для бурного развития основополагающих направлений геофизики, геодезии, навигации и связанных с ними разделов науки и техники. Намечающиеся экономические сдвиги в стране позволяют надеяться, что отечественные специалисты используют свои мощные потенциальные возможности в реализации проектов спутниковой градиентометрии. 

<< | >>
Источник: Бровар B.В.. ГРАВИМЕТРИЯ И ГЕОДЕЗИЯ. 2010

Еще по теме Спутниковая градиентометрия:

  1. Введение
  2. Изменения содержания задач геодезии и гравиметрии
  3. Определение простого слоя по спутниковым данным о вторых производных геопотенциала
  4. Спутниковая альтиметрия П
  5. Спутниковая градиентометрия
  6. Банки гравиметрических данных
  7. Модернизация гравиметра ГАГ-3