Gravimetría
Gravimetría es la medida de la fuerza de un campo gravitacional. La gravimetría se puede utilizar cuando son de interés la magnitud de un campo gravitacional o las propiedades de la materia responsable de su creación.
Unidades de medida
La gravedad generalmente se mide en unidades de aceleración. En el sistema de unidades SI, la unidad estándar de aceleración es metros por segundo al cuadrado (m/s2). Otras unidades incluyen el cgs gal (a veces conocido como galileo, en cualquier caso con el símbolo Gal), que equivale a 1 centímetro por segundo al cuadrado, y el g ( gn), igual a 9,80665 m/s2. El valor de gn se define como aproximadamente igual a la aceleración debida a la gravedad en la superficie de la Tierra, aunque la aceleración real varía ligeramente según la ubicación.
Gravímetros
Un instrumento utilizado para medir la gravedad se conoce como gravímetro. Para un cuerpo pequeño, la relatividad general predice efectos gravitacionales indistinguibles de los efectos de la aceleración según el principio de equivalencia. Por tanto, los gravímetros pueden considerarse acelerómetros de propósito especial. Muchas básculas pueden considerarse simples gravímetros. En una forma común, se utiliza un resorte para contrarrestar la fuerza de gravedad que tira de un objeto. El cambio de longitud del resorte se puede calibrar según la fuerza requerida para equilibrar la atracción gravitacional. La medición resultante se puede realizar en unidades de fuerza (como el newton), pero más comúnmente se realiza en unidades de galones o cm/s2.
Los investigadores utilizan gravímetros más sofisticados cuando se necesitan mediciones precisas. Al medir el campo gravitacional de la Tierra, se realizan mediciones con la precisión de microgalones para encontrar variaciones de densidad en las rocas que componen la Tierra. Existen varios tipos de gravímetros para realizar estas mediciones, incluidos algunos que son esencialmente versiones refinadas de la escala de resorte descrita anteriormente. Estas mediciones se utilizan para cuantificar anomalías de gravedad.
Además de la precisión, la estabilidad también es una propiedad importante de un gravímetro, ya que permite controlar los cambios de la gravedad. Estos cambios pueden ser el resultado de desplazamientos de masas en el interior de la Tierra, o de movimientos verticales de la corteza terrestre en la que se realizan las mediciones: cerca de la superficie terrestre la gravedad disminuye 0,308 mGal por cada metro de altura. El estudio de los cambios de gravedad pertenece a la geodinámica.
La mayoría de los gravímetros modernos utilizan resortes de longitud cero de cuarzo o metal especialmente diseñados para soportar la masa de prueba. Los resortes de longitud cero no siguen la ley de Hooke; en cambio, tienen una fuerza proporcional a su longitud. La propiedad especial de estos resortes es que el período resonante natural de oscilación del sistema resorte-masa puede prolongarse mucho, acercándose a mil segundos. Esto desafina la masa de prueba de la mayoría de las vibraciones locales y ruidos mecánicos, aumentando la sensibilidad y utilidad del gravímetro. Los resortes de cuarzo y de metal se eligen por diferentes motivos; Los resortes de cuarzo se ven menos afectados por los campos magnéticos y eléctricos, mientras que los resortes de metal tienen una deriva (alargamiento) mucho menor con el tiempo. La masa de prueba se sella en un recipiente hermético para que pequeños cambios de presión barométrica debido al viento y otras condiciones climáticas no cambien la flotabilidad de la masa de prueba en el aire.
Los gravímetros de resorte son, en la práctica, instrumentos relativos que miden la diferencia de gravedad entre diferentes ubicaciones. Un instrumento relativo también requiere calibración comparando las lecturas del instrumento tomadas en ubicaciones con valores de gravedad completos o absolutos conocidos. Los gravímetros absolutos proporcionan tales mediciones determinando la aceleración gravitacional de una masa de prueba en el vacío. Se deja caer libremente una masa de prueba dentro de una cámara de vacío y se mide su posición con un interferómetro láser y se cronometra con un reloj atómico. Se sabe que la longitud de onda del láser es de ±0,025 ppb y el reloj también es estable en ±0,03 ppb. Se debe tener mucho cuidado para minimizar los efectos de fuerzas perturbadoras como resistencia del aire residual (incluso en el vacío), vibración y fuerzas magnéticas. Dichos instrumentos son capaces de alcanzar una precisión de aproximadamente dos partes por mil millones o 0,002 mgal y referencian sus mediciones a estándares atómicos de longitud y tiempo. Su uso principal es para calibrar instrumentos relativos, monitorear la deformación de la corteza terrestre y en estudios geofísicos que requieren alta precisión y estabilidad. Sin embargo, los instrumentos absolutos son algo más grandes y significativamente más caros que los gravímetros de resorte relativos y, por tanto, son relativamente raros.
Los gravímetros han sido diseñados para montarse en vehículos, incluidos aviones (tenga en cuenta el campo de la aerogravedad), barcos y submarinos. Estos gravímetros especiales aíslan la aceleración del movimiento del vehículo y la restan de las mediciones. La aceleración de los vehículos suele ser cientos o miles de veces más fuerte que los cambios que se miden.
Un gravímetro (el Gravímetro de Superficie Lunar) desplegado en la superficie de la Luna durante la misión Apolo 17 de 1972 no funcionó debido a un error de diseño. Un segundo dispositivo (el Experimento del gravímetro transversal) funcionó según lo previsto.
Más información
Un gravímetro es un instrumento utilizado para medir la aceleración gravitacional. Cada masa tiene un potencial gravitacional asociado. El gradiente de este potencial es una fuerza. Un gravímetro mide esta fuerza gravitacional.
Los primeros gravímetros fueron acelerómetros verticales, especializados en medir la aceleración constante de la gravedad hacia abajo en la superficie de la Tierra. La gravedad vertical de la Tierra varía de un lugar a otro sobre la superficie de la Tierra en aproximadamente ±0,5%. Varía en aproximadamente ±1000 nm/s2 (nanómetros por segundo al cuadrado) en cualquier ubicación debido a las posiciones cambiantes de el Sol y la Luna en relación con la Tierra.
El cambio de llamar a un dispositivo "acelerómetro" llamarlo "gravímetro" ocurre aproximadamente en el punto donde tiene que hacer correcciones para las mareas terrestres.
Aunque su diseño es similar al de otros acelerómetros, los gravímetros suelen estar diseñados para ser mucho más sensibles. Sus primeros usos fueron medir los cambios en la gravedad a partir de las diferentes densidades y distribución de masas dentro de la Tierra, desde el punto de vista temporal "de marea" variaciones en la forma y distribución de la masa en los océanos, la atmósfera y la tierra.
Los gravímetros pueden detectar vibraciones y cambios de gravedad debidos a las actividades humanas. Dependiendo de los intereses del investigador u operador, esto podría contrarrestarse mediante un aislamiento integral de vibraciones y un procesamiento de señales.
La resolución de los gravímetros se puede aumentar promediando muestras durante períodos más largos. Las características fundamentales de los gravímetros son la precisión de una sola medición (una única "muestra") y la velocidad de muestreo (muestras por segundo).
por ejemplo:
Los gravímetros muestran sus medidas en unidades de galones (cm/s2), centímetros por segundo al cuadrado y partes por millón, partes por mil millones o partes por billón de la aceleración vertical promedio con respecto a la Tierra. Algunas unidades más nuevas son pm/s2 (picómetros por segundo al cuadrado), fm/s2 (femto), am/s2 (atto) para instrumentos muy sensibles.
Los gravímetros se utilizan para prospección de petróleo y minerales, sismología, geodesia, estudios geofísicos y otras investigaciones geofísicas, y para metrología. Su objetivo fundamental es mapear el campo gravitatorio en el espacio y el tiempo.
La mayor parte del trabajo actual se basa en la Tierra, con algunos satélites alrededor de la Tierra, pero los gravímetros también son aplicables a la Luna, el Sol, los planetas, los asteroides, las estrellas, las galaxias y otros cuerpos. Los experimentos con ondas gravitacionales monitorean los cambios con el tiempo en el potencial gravitacional en sí, en lugar del gradiente del potencial que sigue el gravímetro. Esta distinción es algo arbitraria. Los subsistemas de los experimentos de radiación gravitacional son muy sensibles a los cambios en el gradiente de potencial. Las señales de gravedad locales en la Tierra que interfieren con los experimentos de ondas gravitacionales se denominan despectivamente "ruido newtoniano", ya que los cálculos de gravedad newtonianos son suficientes para caracterizar muchas de las señales locales (terrestres).
El término gravímetro absoluto se ha utilizado con mayor frecuencia para etiquetar los gravímetros que informan la aceleración vertical local debida a la Tierra. El gravímetro relativo suele referirse a comparaciones diferenciales de la gravedad de un lugar a otro. Están diseñados para restar la gravedad vertical promedio de forma automática. Pueden calibrarse en un lugar donde la gravedad se conozca con precisión y luego transportarse al lugar donde se va a medir la gravedad. O pueden calibrarse en unidades absolutas en su lugar de operación.
Existen muchos métodos para mostrar campos de aceleración, también llamados campos de gravedad. Esto incluye mapas 2D tradicionales, pero cada vez más vídeos en 3D. Dado que la gravedad y la aceleración son iguales, el "campo de aceleración" podría ser preferible, ya que la "gravedad" es un prefijo que se utiliza incorrectamente.
Gravímetros absolutos comerciales
Los gravímetros para medir la gravedad de la Tierra con la mayor precisión posible son cada vez más pequeños y portátiles. Un tipo común mide la aceleración de pequeñas masas en caída libre en el vacío, cuando el acelerómetro está firmemente sujeto al suelo. La masa incluye un retrorreflector y termina en un brazo de un interferómetro de Michelson. Contando y cronometrando las franjas de interferencia, se puede medir la aceleración de la masa. Un fenómeno más reciente es un "ascenso y caída" Versión que lanza la masa hacia arriba y mide tanto el movimiento hacia arriba como hacia abajo. Esto permite cancelar algunos errores de medición; sin embargo, "ascenso y caída" Los gravímetros aún no son de uso común. Los gravímetros absolutos se utilizan en la calibración de gravímetros relativos, en la detección de anomalías de gravedad (huecos) y para establecer la red de control vertical.
Los métodos interferométricos atómicos y de fuente atómica se utilizan para medir con precisión la gravedad de la Tierra, y los relojes atómicos y los instrumentos especialmente diseñados pueden utilizar mediciones de dilatación del tiempo (también llamadas relativistas generales) para rastrear los cambios en el potencial gravitacional y aceleración gravitacional en la Tierra.
El término "absoluto" no transmite la estabilidad, sensibilidad, precisión, facilidad de uso y ancho de banda del instrumento. Las palabras "Absoluto" y "pariente" no debe utilizarse cuando se pueden dar características más específicas.
Gravímetros relativos
Los gravímetros más comunes son los de resorte. Se utilizan en estudios de gravedad en áreas grandes para establecer la figura del geoide sobre esas áreas. Básicamente son un peso sobre un resorte, y al medir la cantidad en la que el peso estira el resorte, se puede medir la gravedad local. Sin embargo, la fuerza del resorte debe calibrarse colocando el instrumento en un lugar con una aceleración gravitacional conocida.
El estándar actual para gravímetros sensibles son los gravímetros superconductores, que funcionan suspendiendo una esfera de niobio superconductora en un campo magnético extremadamente estable; La corriente necesaria para generar el campo magnético que suspende la esfera de niobio es proporcional a la fuerza de la aceleración gravitacional de la Tierra. El gravímetro superconductor alcanza sensibilidades de 10–11 m·s−2 (un nanogal), aproximadamente una billonésima parte (10 −12) de la gravedad de la superficie de la Tierra. En una demostración de la sensibilidad del gravímetro superconductor, Virtanen (2006) describe cómo un instrumento en Metsähovi, Finlandia, detectó el aumento gradual de la gravedad superficial a medida que los trabajadores retiraban la nieve del techo de su laboratorio.
El componente más grande de la señal registrada por un gravímetro superconductor es la gravedad de las mareas del Sol y la Luna que actúan en la estación. Esto es aproximadamente ±1000 nm /s2 (nanómetros por segundo al cuadrado) en la mayoría de las ubicaciones. Los "SG", como se les llama, pueden detectar y caracterizar las mareas terrestres, los cambios en la densidad de la atmósfera, el efecto de los cambios en la forma de la superficie del océano, el efecto de la atmósfera' La presión sobre la Tierra, los cambios en la velocidad de rotación de la Tierra, las oscilaciones del núcleo de la Tierra, los eventos sísmicos cercanos y distantes, y más.
Muchos sismómetros de tres ejes de banda ancha de uso común son lo suficientemente sensibles como para rastrear el Sol y la Luna. Cuando se utilizan para informar la aceleración, son gravímetros útiles. Debido a que tienen tres ejes, es posible resolver su posición y orientación, ya sea rastreando el tiempo de llegada y el patrón de las ondas sísmicas de los terremotos, o relacionándolos con la gravedad de las mareas del Sol y la Luna.
Recientemente, los SG y los sismómetros de tres ejes de banda ancha operados en modo gravímetro han comenzado a detectar y caracterizar las pequeñas señales de gravedad de los terremotos. Estas señales llegan al gravímetro a la velocidad de la luz, por lo que tienen el potencial de mejorar los métodos de alerta temprana de terremotos. Se están realizando algunas actividades para diseñar gravímetros especialmente diseñados con suficiente sensibilidad y ancho de banda para detectar estas rápidas señales de gravedad de los terremotos. No sólo los eventos de magnitud 7+, sino también los eventos más pequeños y mucho más frecuentes.
Gravímetros MEMS más nuevos, gravímetros atómicos: los gravímetros MEMS ofrecen la posibilidad de disponer de conjuntos de sensores de bajo coste. Los gravímetros MEMS son actualmente variaciones de los acelerómetros de resorte donde se rastrean los movimientos de un pequeño voladizo o masa para informar la aceleración. Gran parte de la investigación se centra en diferentes métodos para detectar la posición y los movimientos de estas pequeñas masas. En los gravímetros atómicos, la masa es una colección de átomos.
Para una fuerza de restauración dada, la frecuencia central del instrumento a menudo viene dada por
- (en radiales por segundo)
El término para la "constante de fuerza" cambia si la fuerza restauradora es electrostática, magnetostática, electromagnética, óptica, de microondas, acústica o cualquiera de las docenas de formas diferentes de mantener la masa estacionaria. La "fuerza constante" es solo el coeficiente del término de desplazamiento en la ecuación de movimiento:
- m a + b v + k x + constante = F()X,t)
- m masa, a aceleración, b viscosidad, v velocidad, k fuerza constante, x desplazamiento
- F fuerza externa como función de ubicación/posición y tiempo.
F es la fuerza que se está midiendo y F/m es la aceleración.
- g()X,t) a + b v/m + k x/m + constante/m + derivados superiores de la fuerza restauradora
Las estaciones GPS precisas pueden funcionar como gravímetros, ya que con el tiempo miden cada vez más posiciones de tres ejes que, cuando se diferencian dos veces, dan una señal de aceleración.
Los gravímetros satelitales GOCE y GRACE funcionan principalmente en modo gradiómetro de gravedad. Proporcionan información detallada sobre el campo gravitatorio variable en el tiempo de la Tierra. Los modelos de potencial gravitacional armónico esférico están mejorando lentamente en resolución tanto espacial como temporal. Tomar el gradiente de los potenciales proporciona una estimación de la aceleración local, que es la que miden los conjuntos de gravímetros. La red de gravímetros superconductores se ha utilizado para comprobar los potenciales del satélite. Con el tiempo, esto debería mejorar las intercomparaciones y los métodos basados en satélites y en la Tierra.
También existen gravímetros relativos transportables; emplean una plataforma inercial extremadamente estable para compensar los efectos de enmascaramiento del movimiento y la vibración, una difícil hazaña de ingeniería. Los primeros gravímetros relativos transportables fueron, según se informa, una tecnología militar secreta desarrollada en los años 1950-1960 como ayuda a la navegación para submarinos nucleares. Posteriormente, en la década de 1980, el sector civil diseñó gravímetros relativos transportables para su uso en estudios de gravedad en barcos, luego en aire y finalmente en satélites.
Microgravimetría
La microgravimetría es una rama importante desarrollada sobre la base de la gravimetría clásica. Se llevan a cabo investigaciones de microgravedad para resolver diversos problemas de la ingeniería geológica, principalmente la localización de huecos y su seguimiento. Mediciones muy detalladas de alta precisión pueden indicar vacíos de cualquier origen, siempre que el tamaño y la profundidad sean lo suficientemente grandes como para producir un efecto de gravedad más fuerte que el nivel de confianza de la señal de gravedad relevante.
Historia
El graviímetro moderno fue desarrollado por Lucien LaCoste y Arnold Romberg en 1936.
También inventaron la mayoría de los perfeccionamientos posteriores, incluido el gravímetro montado en barcos, en 1965, instrumentos resistentes a la temperatura para perforaciones profundas e instrumentos ligeros de mano. La mayoría de sus diseños siguen utilizándose con mejoras en la recopilación y el procesamiento de datos.
Gravimetría satelital
Actualmente, los parámetros estáticos y variables en el tiempo del campo gravitatorio de la Tierra se están determinando mediante misiones satelitales modernas, como GOCE, CHAMP, Swarm, GRACE y GRACE-FO. Los parámetros de grado más bajo, incluido el achatamiento de la Tierra y el movimiento del geocentro, se determinan mejor mediante el alcance del láser satelital.
Las anomalías de la gravedad a gran escala se pueden detectar desde el espacio, como subproducto de las misiones de gravedad de los satélites, por ejemplo, GOCE. Estas misiones satelitales tienen como objetivo recuperar un modelo detallado del campo gravitatorio de la Tierra, presentado típicamente en forma de una expansión esférico-armónica del potencial gravitacional de la Tierra, pero existen presentaciones alternativas, como mapas de ondulaciones geoides o mapas de gravedad. También se producen anomalías.
El Experimento Climático y Recuperación de la Gravedad (GRACE) consta de dos satélites que pueden detectar cambios gravitacionales en toda la Tierra. También estos cambios pueden presentarse como variaciones temporales de anomalías de gravedad. El Laboratorio Interior y de Recuperación de Gravedad (GRAIL) también constaba de dos naves espaciales que orbitaban la Luna, que orbitaron durante tres años antes de su desorbitación en 2015.