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

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

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

Цель данной работы – продемонстрировать возможность использования современных технологий определения характеристик гравитационного поля Земли для создания экспериментальной образовательной базы.

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)

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).

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

Примечание: по ист. [7]

DOI:10.23670/IRJ.2023.131.46.1

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).

Рисунок 2 - Результаты вычисления характеристик ГПЗ в табличном виде

DOI:10.23670/IRJ.2023.131.46.2

Рисунок 3 - Визуализация результатов вычисления характеристик ГПЗ в виде картосхемы

DOI:10.23670/IRJ.2023.131.46.3

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

[8]

,

[9]

.

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

DOI:10.23670/IRJ.2023.131.46.4

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

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.

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.

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

DOI:10.23670/IRJ.2023.131.46.5

Рисунок 6 - Визуализация результатов вычислений аномалий силы тяжести с редукцией в свободном воздухе с помощью калькулятора

DOI:10.23670/IRJ.2023.131.46.6

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

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.