СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ БАЗЫ
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ БАЗЫ
Аннотация
В статье представлены результаты использования данных о гравитационном поле Земли (ГПЗ), находящихся в открытом доступе, для обновления исходных материалов лабораторных работ на основе современных технологий. Современные ресурсы позволяют моделировать исходную информацию для решения задач физической геодезии, выполнять эксперименты, интерпретировать и анализировать полученные результаты. Авторами продемонстрирована возможность создания экспериментальной образовательной базы ежегодного формирования исходных данных для выполнения лабораторных работ обучающимися и сравнения полученных результатов характеристик ГПЗ на сайте международного научного-исследовательского центра наук о Земле – International Center for Global Gravity Field Models (ICGEM). В работе представлена технология получения и использования необходимых характеристик ГПЗ по данным глобальных моделей геопотенциала на примере выполнения лабораторных работ по дисциплине гравиметрия.
1. Введение
Современные технологии определения характеристик гравитационного поля Земли (ГПЗ) позволяют решать фундаментальные и прикладные научные и производственные задачи. Технологии базируются на научных достижениях в области применения результатов космической деятельности и выступают инструментом для реализации новых практических решений в различных отраслях экономики государства , . Использование результатов современных технологических решений в образовательном процессе позволяют перейти на качественно новый уровень обучения при подготовке выпускников , , .
Изучение внешнего гравитационного поля Земли (ГПЗ), определение его характеристик является неотъемлемой составляющей основной задачи геодезии. Студенты по направлению подготовки Геодезия и дистанционное зондирование, профиль «Геодезия» начинают свое знакомство с гравитационной составляющей решения фундаментальных и прикладных научных задач геодезии с изучения дисциплины гравиметрия.
В настоящее время для измерения ускорения силы тяжести (ускорения свободного падения) разработаны современные высокоточные относительные и абсолютные гравиметры, совершенствуются способы и методы получения гравиметрической информации . На кафедре космической и физической геодезии СГУГиТ имеются отечественные и зарубежные относительные гравиметры, позволяющие измерять приращения силы тяжести с микрогальной точностью. При изучении дисциплины предусмотрено знакомство с аппаратурой, выполнение измерений в гравиметрическом рейсе, его обработка и получение аномалий силы тяжести. Студенты изучают основные виды гравиметрических работ. Результатом гравиметрических съемок с аппаратурой является гравиметрическая карта. Освоение методики создания гравиметрической карты возможно при наличии результатов площадной съемки и данных ее топографо-геодезического обеспечения. Реальные гравиметрические измерения являются закрытой информацией. Поэтому для качественной подготовки специалистов, способных решать задачи геодезической гравиметрии, авторами предлагается использовать модельные данные – современные разработки по созданию глобальных моделей ГПЗ.
Цель данной работы – продемонстрировать возможность использования современных технологий определения характеристик гравитационного поля Земли для создания экспериментальной образовательной базы.
2. Методы и принципы исследования
Исходной информацией для создания экспериментальной образовательной базы геопространственных данных служат материалы, представленные на сайте международного научного-исследовательского центра наук о Земле – International Center for Global Gravity Field Models (ICGEM) . На сайте ICGEM в открытом доступе находятся глобальные модели гравитационного поля Земли в виде коэффициентов разложения геопотенцила и калькулятор, позволяющий вычислять характеристики ГПЗ на исследуемую территорию.
Рисунок 1 - Пользовательский интерфейс калькулятора для вычисления характеристик гравитационного поля Земли
Примечание: по ист. [7]
– выбрать модель геопотанциала (блок А);
– выбрать расчетный функционал – характеристику ГПЗ (блок Б);
– определить границы исследуемой территории, ограниченной по широте и долготе (блок В).
По запросу пользователя можно вычислить:
– смешанные аномалии силы тяжести;
– аномалии высоты;
– высоты геоида с учетом данных о топографии на исследуемую территорию;
– аномалии силы тяжести Буге;
– силу тяжести на поверхности Земли (включая центробежное ускорение);
– вторые производные по направлению сферического радиуса и др.
Результаты вычисления можно получить в табличном виде (см. рисунок 2), а визуализацию результатов вычисления – в виде картосхем (см. рисунок 3).
На рисунке 2 представлен фрагмент файла результатов вычисления характеристик ГПЗ, полученный в ходе моделирования. В таблице представлены геодезические координаты: широта (longitude) и долгота (longitude), высота над геоидом (height over geoid) и ускорение силы тяжести (gravity earth).
Рисунок 2 - Результаты вычисления характеристик ГПЗ в табличном виде
Рисунок 3 - Визуализация результатов вычисления характеристик ГПЗ в виде картосхемы
3. Основные результаты
Использование современных технологий определения характеристик гравитационного поля Земли позволяет создать набор вариантов исходных данных для выполнения экспериментальных исследований в лабораторной работе по дисциплине «Гравиметрия».
Целью лабораторной работы является освоение методики построения гравиметрических карт аномалий силы тяжести с редукциями в свободном воздухе и Буге.
Содержание работы включает вычисление аномалий силы тяжести с редукцией в свободном воздухе для 25 гравиметрических пунктов, расположенных в узлах регулярной сетки по широте и долготе. По вычисленным значениям построить гравиметрические карты аномалий силы тяжести с редукцией в свободном воздухе.
На рисунке 4 представлена схема выполнения лабораторной работы традиционным методом и с использованием открытых электронных ресурсов.
Рисунок 4 - Схема выполнения лабораторной работы
– моделирование исходных данных на исследуемую территорию. В результате моделирования сформирована база экспериментальных данных, состоящая из координат пунктов и абсолютных значений силы тяжести для любого участка земной поверхности (см.рис.2);
– вычисление нормального значения силы тяжести на поверхности эллипсоида по формуле
где – широта места наблюдения;
– вычисление аномалии силы тяжести с редукцией в свободном воздухе по формуле
где – поправка за высоту точки
над уровнем моря, вычисленная по формуле
– построение гравиметрической карты аномалий силы тяжести с редукцией в свободном воздухе с помощью пакета машинной графики (см. рисунок 5) ;
– вычисление аномалий силы тяжести с редукцией в свободном воздухе с помощью веб-сайта ICGEM ;
– визуализация результатов вычислений аномалий силы тяжести с редукцией в свободном воздухе, полученных с помощью калькулятора (см. рисунок 6);
– критический анализ полученных результатов, на основании которого обучающиеся делают выводы и дают рекомендации.
Рисунок 5 - Гравиметрическая карта аномалий силы тяжести с редукцией в свободном воздухе, созданная с помощью пакета машинной графики
Рисунок 6 - Визуализация результатов вычислений аномалий силы тяжести с редукцией в свободном воздухе с помощью калькулятора
4. Обсуждение
Использование современных технологий определения характеристик ГПЗ не может заменить практическое освоение обучающимися традиционных методик обработки гравиметрической информации, но позволяет сформировать у будущих выпускников необходимые компетенции для решения задач эффективного использования результатов космической деятельности в интересах государства. Возможность получения из открытых источников массивов исходной информации о ГПЗ послужит руководством для будущих исследований .
5. Заключение
Современные технологии определения характеристик гравитационного поля Земли позволяют создать широкие возможности для выполнения лабораторных работ, дополняя учебный процесс результатами международной научно-исследовательской деятельности, представленными в открытом доступе, и повышая качество подготовки будущего выпускника.
Открытые источники с данными о гравитационном поле Земли – современный инструмент наук о Земле, позволяющий студенту проявлять инициативу и самостоятельность в процессе экспериментальных исследований. Обучающиеся приобретают навыки критического мышления, умения ориентироваться в потоках разнородной информации, анализировать исходные данные и интерпретировать получаемые результаты.