Рис. 3. Сравнение неприливной вариации силы тяжести, вертикального градиента силы тяжести, атмосферного давления и приземной температуры на обсерватории BFO в сентябре 2019 г.: а - неприливная вариация силы тяжести (кривая 1); вертикальный градиент силы тяжести (кривая 2); b - распределение атмосферного давления (кривая 1) и приземной температуры (среднесуточной - кривая 2 и текущей - кривая 3); с - остаточная неприливная вариация силы тяжести (пульсация).
Fig. 3. Comparison of non-tidal gravity variation, vertical gravity gradient, atmospheric pressure, and surface temperature at the BFO Observatory in September 2019: a - non-tidal variation of gravity (curve 1); vertical gradient of gravity (curve 2); b - distribution of atmospheric pressure (curve 1) and surface temperature (average daily-curve 2 and current-curve 3); c - residual non-tidal variation of gravity (ripple).
С влиянием температуры на гравиметрические измерения дело обстоит несколько иначе [14]. Температура воздуха измеряется на поверхности земли, которая соответствует нескольким десяткам метров воздуха над поверхностью. Температура воздуха меняется в широком диапазоне (кривая 3 на рис. 3, b). Но этого недостаточно, чтобы изменить силу тяжести даже на 0.001 мГал. Поэтому лучше взять среднесуточную температуру, которая отражает температуру гораздо большей толщи атмосферы (кривая 2 на рис. 3, b). Среднесуточный ход температуры определяется многокилометровой толщей атмосферы [15] Дневная температура изменяется в широком диапазоне, но это не влияет на измеренные значения. Дело в том, что температура измеряется на поверхности Земли и отражает состояние только приземного слоя воздуха. Если взять среднесуточные изменения температуры воздуха, то ее ход находится внешне в противофазе с давлением. В целом же это правило противофазности между среднесуточным ходом температуры и давлением чаще всего соблюдается. Если проанализировать более тщательно эту противофазность, то отмечается сдвиг по фазе. Максимум температурного хода соответствует максимуму градиента изменения давления и наоборот. Что является первичным в связке температура воздуха и давления, то на данном этапе трудно определить.
Таким образом, неприливные пульсации вызывают изменение вертикального градиента. Рассмотрим еще один пример, но более сложный, когда присутствует несколько пульсаций силы тяжести (рис. 4). В последней декаде января 2019 г. присутствует несколько неприливных вариаций: 19 января - Альфа Гидриды; 21 января - Эта Кариниды и 30 января - Альфа Кариниды и Дельта Велиды. Даты указаны для вспышек метеоров.
Неприливные вариации силы тяжести чаще всего сдвинуты относительно максимумов вспышек. Всем пульсациям соответствуют минимальные значения давления. Вертикальный градиент резко меняется в течение всей недели. Этому способствуют наличие неприливных вариаций (рис. 4, с), непрерывные снегопады, ливни и штормовые ветра (порывы до 17 м/с). Давление меняется часто. Тем не менее, остаточные неприливные пульсации выделяются очень четко (рис. 4, с). Эти же пульсации выделяются в обсерватории Арти (рис. 5, а). Но погода в Арти очень морозная, всю декаду практически стоит штиль.
Приведем еще один пример силы тяжести и вертикального градиента в Арти и BFO (рис. 6). С 22 мая 2020 г. проходит достаточно мощный поток Ариетиды (зенитное число до 60 единиц). На обсерватории BFO поток совпадает с резкой сменой погоды (рис. 6, b), поэтому наблюдается довольно мощная пульсация силы тяжести и вертикального градиента. В Арти (рис. 6, d), нет такого перепада в давления и температуры. Но пульсации на обеих обсерваториях все равно наблюдаются.
Рис. 4. Сравнение неприливной вариации силы тяжести, вертикального градиента силы тяжести, атмосферного давления и приземной температуры на обсерватории BFO в январе 2019 г. Обозначения те же, что на рис. 3.
Fig. 4. Comparison of non-tidal gravity variation, vertical gravity gradient, atmospheric pressure, and surface temperature at the BFO Observatory in January 2019.
Наконец, оценим влияние атмосферных фронтов на вертикальный градиент силы тяжести (рис. 7). На рис. 7 приведены данные градиента за 2019 и 2020 гг. Взята специально середина апреля, когда практически не бывает метеорных потоков. В 2019 г. аномалии вертикального градиента нет. А в 2020 г. наблюдается четкая пульсация. Пульсация вызвана атмосферным фронтом. По данным [14] в 2019 осадков (преимущественно снег) было больше, но они проходили при штилевой погоде. Но в 2020 г. в этот же период был лишь один дождь (13-14 апреля), но этот дождь сопровождался порывами ветра до 15 м/сек. К этому же времени приурочено падение атмосферного давления (рис 7, d), а также понижение значений неприливной вариации силы тяжести (рис 7, с, кривая 2), Понижение амплитуды вариации обусловлено тем, что атмосфера фронта была с повышенной водностью: избыточная масса влаги находится выше пункта наблюдения и создает отрицательную аномалию.
Рис. 5. Сравнение пульсаций силы тяжести в BFO (а) и Арти (b) в январе 2019 г. Обозначения те же, что на рис. 3.
Fig. 5. Comparison of gravity ripples in BFO (a) and Arti (b) in January 2019 The designations are the same as in Fig. 3.
Рис. 6. Сравнение неприливной вариации силы тяжести, вертикального градиента силы тяжести, атмосферного давления и приземной температуры на обсерваториях BFO и Арти в мае 2020 г.
Fig. 6. Comparison of non-tidal variation of gravity, vertical gradient of gravity, atmospheric pressure and surface temperature at the BFO and Arti observatories in may 2020.
Пульсации поля, создаваемые атмосферными фронтами, могут возникать на континентах [15], но они по времени непродолжительны. Другое дело появление пульсаций в прибрежных зонах и океанах. Здесь сила природных стихий в разы больше, чем на суше.
Выводы
В результате можно утверждать, что пульсации вертикального градиента существуют наравне с пульсациями силы тяжести и в тех временных рамках, в которых существуют пульсации силы тяжести. Следовательно, источником для пульсаций вертикального градиента являются метеорные потоки и метеорологические факторы (тайфуны, ураганы и т.д.). Вполне очевидно, что пульсации нужно и можно использовать при проведении полевых работ по измерению вертикального градиента в целях геологоразведки. Можно также использовать для изучения метеорных потоков. В прикладном плане изучение пульсаций внесет определенные коррективы в методику высокоточных измерений силы тяжести.
Рис. 7. Сравнение неприливной вариации силы тяжести, вертикального градиента силы тяжести, атмосферного давления и приземной температуры на обсерватории BFO в апреле 2019 и 2020 гг.
Fig. 7. Comparison of non-tidal gravity variation, vertical gravity gradient, atmospheric pressure, and surface temperature at the BFO Observatory in April 2019 and 2020.
Литература
1. Project IDA [Электронный ресурс]. URL: https://sur.ly/i/ida.ucsd.edu/ (дата обращения: 1.09.2020).
2. Сорокин Л.В. Гравиметрия и гравиметрическая разведка. М., Гостоптехиздат. 1953. 483 с.
3. Балабушевич И.А. Высшие производные потециала силы тяжести. Киев, АН УССР. 1963. 267 с.
4. Goodkind J.M. The superconducting Gravimeter // Rev. Sci. Instrum. 1999. Vol. 70. No.11. pp. 4131-4152.
5. Балавадзе Б.К. О методике определения вертикального градиента силы тяжести // Изв. АН СССР, сер. геофиз. № 1. 1955. С. 45-55.
6. Fajklevicz S.J. Gravity vertical gradient measurements for the direction of small geologie and anthropogenic forms // Geophysics. 1987. Vol. 41. № 5. pp. 1016-1030.
7. Ager C.A., Liard I.O. Vertical Gravity Gradient surveys: Field Reand interpretation in British Columbia. Canada // Geophysics. V. 47. № 7. 1982. pp. 219-295.
8. Антонов Ю.В., Зубченко Е.А., Савинкин А.Т. Измерение вертикального градиента силы тяжести в Таджикистане // Разведка и охрана недр. 1986. № 9. С. 39-42.
9. Антонов Ю.В. Жаворонкин В.И. Слюсарев С.В. О поверхности изостатического равновесия в верхних слоях земной коры // Геофизика. 2003. № 6. С. 28-38.
10. Антонов Ю.В. Измеренные и вычисленные значения силы тяжести и ее производных// Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 2004. № 4. С. 53-57.
11. Антонов Ю.В. Пульсации неприливных вариаций силы тяжести // Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 2014. № 5. С. 54-57.
12. Антонов Ю.В., Сизаск И.А. Синхронные пульсации в неприливных вариациях гравитационного и сейсмического полей // Геология и разведка. Изв. ВУЗ. 2015. № 5. С. 46-52.
13. Антонов Ю.В. Влияние атмосферного фронта на показания гравиметров и сейсмометров // Геология и разведка. Изв. ВУЗ. 2017. № 4. С. 66-71.
14. Расписание погоды [Электронный ресурс]. URL: http://rp5.ru (дата обращения: 01.09.2020).
15. Матвеев Л.Т. Физика атмосферы Л.: Гидрометеоиздат, 2000. 780 с.
References
1. Project IDA. Available at: https://sur.ly/i/ida.ucsd.edu/ (accessed 1.09.2020).
2. Sorokin L.V. Gravimetria i gravimetricheskaya razvedka [Gravimetry and gravimetric exploration]. Moscow, Gostoptekhizdat. 1953. 483 p. (In Russ.).
3. Balabushevich I.A. Vysshie proizvodnye potenziala sily tyazhesti [Higher derivatives of the gravity potential]. Kiev, Ukrainian Academy of Sciences. 1963. 267 p. (In Russ.).
4. Goodkind J.M. The superconducting Gravimeter. Rev. Sci. Instrum. 1999, vol. 70, no.11, pp. 4131-4152.
5. Balavadze B.K. O metodike opredelenia vertikalnogo gradienta sily tyazhesti [On the method of determining the vertical gradient of gravity]. Izv.AN USSR, ser. Geofiz = Izv. USSR Academy of Sciences, ser. geophysis. 1955, no. 1, pp. 45-55. (In Russ.).
6. Fajklevicz S.J. Gravity vertical gradient measurements for the direction of small geologie and anthropogenic forms. Geophysics. 1987, vol. 41, no. 5, pp. 1016-1030.
7. Ager C.A., Liard I.O. Vertical Gravity Gradient surveys: Field Reand interpretation in British Columbia. Canada. Geophysics. 1982, vol. 47, no. 7, pp. 219-295.
8. Antonov Yu.V., Zubchenko E.A., Savinkin A.T. Izmerenie vertikalnogo gradienta sily tyazhesti v Tajikistane [Measuring the vertical gradient of gravity in Tajikistan]. Razvedka i okhrana nedr = Exploration and protection of mineral resources, 1986, no. 9, pp. 39-42. (In Russ.)
9. Antonov Yu.V. Zhavoronkin V.I. Slyusarev S.V. O poverkhnosti izostaticheskogo ravnovesia v verkhnikh sloyakh zemnoy kory [On the surface of isostatic equilibrium in the upper layers of the earth's crust]. Geophysics. 2003, no. 6, pp. 28-38. (In Russ.).
10. Antonov Yu.V. Izmerennye I vychislennye znachenia sily tyazhesti i ee proiiizvodnykh [Measured and calculated values of gravity and its derivatives]. Izv. VUZov. Geologiya i razvedka = Izv. higher educational. Geology and exploration. 2004, no. 4, pp. 53-57. (In Russ.).
11. Antonov Yu.V. Pul'satsii neprilivnykh variatsiy sily tyazhesti [Ripple tidal gravity variations]. Izv. VUZov. Geologiya i razvedka = Izv. higher educational. Geology and exploration., 2014, no. 5, pp. 54-57. (In Russ.).
12. Antonov Yu.V., Sizask I.A. Sinkhronnye pul'satsii v neprilivnykh variatsiyakh gravitatsionnogo i seysmicheskogo poley [Synchronous ripples innon-tidal variations of gravitational and seismicfields]. Izv. VUZov. Geologiya i razvedka = Izv. higher educational. Geology and exploration, 2015, no. 5, pp. 46-52. (In Russ.).
13. Antonov Yu.V. Vliyanie atmosfernogo fronta na pokazaniya gravimetrov i seymometrov [Influence of the atmospheric front on the readings of gravimeters and seismometers]. Izv. VUZov. Geologiya i razvedka = Izv. higher educational. Geology and exploration, 2017, no. 4, pp. 66-71. (In Russ.).
14. Raspisanie pogody [Weather schedule]. Available at: http://rp5.ru archive (accessed 1 september 2020).
15. Matveev L.T. Phyzika atmosfery [Atmospheric physics].
16. Saint-Petersburg, Gidrometeoizdat, 2000. 780 p. (In Russ.).