MODERN TECHNOLOGIES FOR DETERMINING THE CHARACTERISTICS OF THE EARTH'S GRAVITATIONAL FIELD FOR ESTABLISHING AN EXPERIMENTAL EDUCATIONAL BASIS

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.131.46
Issue: № 5 (131), 2023
Suggested:
24.03.2023
Accepted:
19.04.2023
Published:
17.05.2023
665
7
XML
PDF

Abstract

The article presents the results of using publicly available data on the Earth's gravitational field (EGF) to update the source materials of laboratory works based on modern technologies. Modern resources allow modelling source data for solving physical geodesy problems, performing experiments, interpreting and analysing obtained results. The authors have demonstrated the possibility of creating an experimental educational basis for the annual formation of raw data for laboratory works by students and comparison of the results obtained with the characteristics of EGF on the website of the International Center for Global Gravity Field Models (ICGEM), an international scientific research centre for earth sciences. This work presents the technology of obtaining and using the necessary characteristics of EGF from the data of global geopotential models on the example of laboratory work in the discipline of gravimetry.

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.

Возможности веб-службы ICGEM позволяют определять характеристики ГПЗ по данным глобальных моделей геопотенциала либо в узлах регулярных сеток либо в точках, заданных пользователем. Пользовательский интерфейс калькулятора для вычисления характеристик гравитационного поля Земли состоит из нескольких блоков (см. рисунок 1).
Пользовательский интерфейс калькулятора для вычисления характеристик гравитационного поля Земли

Рисунок 1 - Пользовательский интерфейс калькулятора для вычисления характеристик гравитационного поля Земли

Примечание: по ист. [7]

Для вычисления характеристик ГПЗ в узлах регулярной сетки необходимо:

 – 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).

Результаты вычисления характеристик ГПЗ в табличном виде

Рисунок 2 - Результаты вычисления характеристик ГПЗ в табличном виде

Визуализация результатов вычисления характеристик ГПЗ в виде картосхемы

Рисунок 3 - Визуализация результатов вычисления характеристик ГПЗ в виде картосхемы

Основными методами исследования являются численный эксперимент и моделирование характеристик ГПЗ на заданную территорию по алгоритмам, представленным на сайте ICGEM
,
.

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.

Схема выполнения лабораторной работы

Рисунок 4 - Схема выполнения лабораторной работы

Последовательность выполнения поставленной задачи при использовании возможностей современных технологий получения характеристик ГПЗ:

– 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

img

где img широта места наблюдения;

  вычисление аномалии силы тяжести с редукцией в свободном воздухе по формуле

img

 где img поправка за высоту точки img над уровнем моря, вычисленная по формуле

img

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.

Использование современных технологий определения характеристик ГПЗ на основе данных глобальных моделей геопотенциала, представленных в открытом доступе, позволяет создать базу экспериментальных данных для выполнения лабораторных работ, познакомиться с передовым международным опытом решения задач в области исследования гравитационного поля глобального и регионального характера, выявить особенности методов вычисления трансформант ГПЗ в разных странах.
Гравиметрическая карта аномалий силы тяжести с редукцией в свободном воздухе, созданная с помощью пакета машинной графики

Рисунок 5 - Гравиметрическая карта аномалий силы тяжести с редукцией в свободном воздухе, созданная с помощью пакета машинной графики

Визуализация результатов вычислений аномалий силы тяжести с редукцией в свободном воздухе с помощью калькулятора

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.

Article metrics

Views:665
Downloads:7
Views
Total:
Views:665