Космическая гравиметрия в системе лабораторных методов изучения физических свойств Земли
Космическая гравиметрия представляет собой направление геофизических исследований, использующее данные искусственных спутников Земли для измерения пространственно-временных вариаций гравитационного поля планеты. В отличие от наземных гравиметрических наблюдений, космические методы позволяют охватывать глобальные масштабы, включая океаны, труднодоступные районы и полярные области.
Физической основой служит закон всемирного тяготения и зависимость орбитальных параметров спутников от распределения массы в теле Земли. Модификации гравитационного потенциала вызывают отклонения в траекториях спутников, которые фиксируются и анализируются с высокой точностью. Полученные данные дают информацию о плотностных неоднородностях, динамике литосферы, гидросферы и криосферы.
Этот метод базируется на высокоточной регистрации положения спутника в пространстве относительно наземных станций слежения. Используются лазерная локация (Satellite Laser Ranging, SLR), радиоинтерферометрия (VLBI), доплеровская радионавигация и технологии глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS).
Измерения позволяют реконструировать орбиту и на основе её возмущений определить распределение гравитационного потенциала. Особенно эффективен метод при изучении статического гравитационного поля.
Наиболее известным примером реализации SST является миссия GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), в которой два спутника следуют друг за другом на орбите и измеряют расстояние между собой с точностью до микронов. Колебания расстояния отражают вариации гравитационного поля, вызванные перераспределением масс в теле Земли.
СST применяется как для восстановления статического гравитационного поля, так и для изучения его временных изменений, связанных, например, с таянием ледников, изменениями уровня океана, влагозапасов в почвах.
Гравитационный градиент — это тензор второго порядка, описывающий пространственные производные гравитационного поля. Метод реализован, в частности, в миссии GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer). Спутник оснащён сверхточными акселерометрами, расположенными в разных точках, что позволяет измерять компонентный состав градиентного поля.
SGG имеет высокое пространственное разрешение и чувствителен к мелкомасштабным структурам, включая разломы, рифты, сейсмически активные зоны.
Измерение расстояний между станцией и спутником по времени возврата лазерного импульса. Используется для определения орбит спутников с пассивными отражателями. Позволяет получать координаты с точностью до сантиметра.
Используется при установке приёмников GNSS на спутники. Положение спутника определяется по фазе принимаемого сигнала, а затем анализируются вариации орбит под действием гравитационного поля.
На борту спутников GRACE используются микроволновые интерферометры для измерения расстояния между двумя спутниками с точностью до 10 мкм. Позволяет зафиксировать кратковременные изменения гравитационного поля, например, из-за сезонного движения водных масс.
Квантовые гравиметры, основанные на интерферометрии холодных атомов, находятся на стадии разработки, но уже демонстрируют потенциал для повышения чувствительности и разрешения будущих миссий.
Собранные спутниковые данные используются для построения глобальных моделей гравитационного потенциала в виде сферических гармоник. Наиболее известные модели: EGM96, EGM2008, GOCO, GGM, которые включают тысячи коэффициентов, описывающих неоднородности поля.
Путём вычитания нормального гравитационного поля (расчётного по модели эллипсоида) из наблюденного гравитационного потенциала получают гравитационные аномалии. Они интерпретируются с целью выявления структурных особенностей земной коры и мантии, плотностных неоднородностей, рельефа Мохоровичича и др.
Миссия GRACE и её продолжение GRACE-FO позволили впервые напрямую измерить массовые изменения в гидросфере и криосфере:
Эти данные критически важны для изучения глобальных климатических процессов.
Космическая гравиметрия характеризуется высокой точностью, но ограничена по пространственному разрешению:
Кроме того, спутниковые данные менее чувствительны к изменениям плотности на больших глубинах и требуют дополнения сейсмической, магнитной и плотностной информацией.
Для достижения комплексного понимания строения и процессов в недрах Земли, данные спутниковой гравиметрии интегрируются:
Такое объединение создаёт мощный инструментарий для изучения структуры Земли, вулканических процессов, землетрясений, осадконакопления, перераспределения водных масс и климата.
Обеспечили более чем 20-летнюю серию гравитационных карт с месячным шагом. Используются в гидрологии, гляциологии, мониторинге засух и наводнений.
Создала первую карту гравитационного градиентного поля с высоким разрешением. Завершена в 2013 году, но данные до сих пор активно используются.
Эти миссии включают в себя новые технологии для изучения гравитации и высот морской поверхности, движения льда, вертикальных деформаций. Особое внимание уделяется квантовой сенсорике и интерферометрии.
Космическая гравиметрия стала важнейшим компонентом в решении следующих задач:
Таким образом, космическая гравиметрия обеспечивает непрерывный, глобальный, высокоточный и объективный мониторинг физических процессов, протекающих в системе Земля.