Техносфера 3 ноября 2023

Гравиметры для освоения Арктики

Российские ученые разрабатывают новые гравиметрические приборы для геофизического и навигационного обеспечения северных территорий. Такие приборы были внесены в санкционный список, и перед специалистами Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) Росстандарта стояла задача создать свои, отечественные решения
Гравиметры для освоения Арктики
Водородные квантовые перевозимые часы - основа измерителя разности гравитационных потенциалов, который предназначен для измерения разности гравитационных потенциалов в двух разнесенных точках
ФГУП «ВНИИФТРИ»

Материалы рубрики читайте также в телеграм-канале «Техносфера, подъем!»

В результате ведущие исследователи ВНИИФТРИ представили на рассмотрение научного сообщества концепцию межведомственной программы «Методы и средства высокоточного геофизического обеспечения удаленных районов РФ, в том числе региона российской Арктики».

Северные территории сейчас осваиваются ускоренными темпами, идет разведка новых месторождений полезных ископаемых, растут объемы грузоперевозок и торговли. Развитие главной арктической судоходной трассы России — Северного морского пути — в числе основных приоритетов.

magnifier.png На базе новых квантовых измерителей разности гравитационных потенциалов, разработанных учеными института, предлагается создать новую измерительную сеть «Квантовый футшток»

Расширение деятельности в Российской Арктике требует создания новых средств разведки земных недр, оснащения транспорта устойчивыми приборами автономной навигации, дополняющими спутниковые системы.

В последние годы на собственной производственной базе специалисты ВНИИФТРИ разрабатывают перспективные технические решения в области наземной, воздушной и космической гравиметрии. Благодаря созданию новых наземных, воздушных и космических гравиметрических измерителей, основанных на использовании микромеханических, микроэлектронных, атомных технологий и технологий использования сигналов ГНСС, возрастет эффективность поиска месторождений полезных ископаемых, в особенности на шельфе Северного Ледовитого океана.

Во ВНИИФТРИ также идут активные исследования с целью создания инновационных средств измерений параметров гравитационного поля Земли (ГПЗ) в рамках реализации одного из самых перспективных направлений развития навигации — создания помехозащищенной автономной навигации по ГПЗ. Результаты этих исследований могут стать основой инновационных подходов к освоению удаленных и труднодоступных территорий России.

На базе новых квантовых измерителей разности гравитационных потенциалов, разработанных учеными института, предлагается создать новую измерительную сеть «Квантовый футшток». Главная задача сети — создание и поддержание единой высотной основы страны — источника исходной высотной информации всех топографических съемок, инженерно-геодезических работ для научных, хозяйственных и других целей.

На основе гравитации

Расскажем о нескольких приборах, разработанных в рамках этого проекта. Измеритель разности гравитационных потенциалов предназначен для измерения разности гравитационных потенциалов в двух разнесенных точках и, как следствие, разности ортометрических высот этих точек. Основа измерителя — высокостабильные квантовые часы, соединенные каналами сличения их шкал времени и частот. В качестве квантовых часов могут использоваться высокостабильные стандарты частоты и времени (водородные, цезиевые, рубидиевые и др.) с относительной нестабильностью 10−16‒10−17, а также оптические стандарты частоты с нестабильностью 10−17‒10−18.

Эту систему из квантовых часов и системы их синхронизации можно назвать квантовым нивелиром. Квантовый нивелир — это минимум два разнесенных в пространстве стандарта частоты и времени, соединенные системой синхронизации. По всей стране можно разместить и соединить между собой сотни таких стандартов. Из множества стандартов частоты и времени, к примеру, будет состоять измерительная сеть «Квантовый футшток». Эта сеть в совокупности с наземными, воздушными и космическими «квантовыми нивелирами» предназначена для решения следующих практических задач:

— создание высокоточной единой высотной основы континентальной части РФ, а также островной части Российской Арктики;

— создание непрерывно действующей системы гравитационного мониторинга Земли в интересах предсказания землетрясений, цунами, оползней и др.;

— обеспечение подготовки высокоточных навигационно-гравиметрических карт для систем автономной навигации по ГПЗ;

— обеспечение опорных значений параметров ГПЗ на материке в интересах гравитационной разведки полезных ископаемых на шельфе Северного Ледовитого океана, а также на островах Арктики.

magnifier.png В качестве квантовых часов могут использоваться высокостабильные стандарты частоты и времени (водородные, цезиевые, рубидиевые и др.) с относительной нестабильностью 10−16‒10−17, а также оптические стандарты частоты с нестабильностью 10−17‒10−18

Помимо измерителя разности гравитационных потенциалов на основе квантовых нивелиров специалисты ВНИИФТРИ разработали гравиметры относительные и абсолютные. Эти приборы предназначены для измерения ускорения силы тяжести (УСТ). Чтобы получить значения УСТ в полевых условиях, используют относительные гравиметры, которые измеряют УСТ по его приращению относительно опорного абсолютного значения УСТ, полученного с помощью абсолютных гравиметров.

Еще один прибор — градиентометр — предназначен для измерения вторых градиентов гравитационного потенциала. Принцип действия градиентометра основан на измерении разности УСТ в двух точках пространства. В космическом исполнении градиентометр основан на измерении параметров движения как минимум двух пробных масс в космическом пространстве.

Для картографического обеспечения высокоточной навигации понадобится и прибор для измерения составляющих уклонения отвесной линии в точке его размещения в режиме реального времени — астроизмеритель уклонения отвесной линии, его также создали ученые ВНИИФТРИ. Это полевые, перебазируемые устройства, они позволяют выполнять измерения составляющих уклонения отвесной линии с любой дискретностью.


ДОНЧЕНКО.jpg
Генеральный директор ФГУП «ВНИИФТРИ» Сергей Донченко
ФГУП «ВНИИФТРИ»

Как гарантировать навигацию

О том, почему дополнительные средства навигации столь важны в Арктической зоне, «Стимулу» рассказал генеральный директор ФГУП ВНИИФТРИ Сергей Донченко. Как пояснил Сергей Иванович,  навигационные системы — ГЛОНАСС и GPS — построены таким образом, что в Арктической зоне у обеих систем возникают определенные проблемы.

Кроме того, по словам руководителя ВНИИФТРИ, в ионосфере на Севере есть дополнительные возмущения, и это создает дополнительные сложности для спутниковой навигации, к которой мы привыкли: и нашей ГЛОНАСС, и американской GPS, и европейской Galileo, и китайской Beidou.

«Ввиду особой важности для нас Арктической зоны нужна гарантированная система навигации. А для этого помимо ГНСС важно иметь какие-то дополнительные системы. В результате решения, основанные на естественных физических полях Земли — магнитном и гравитационном, — для Арктики приобретают особое значение, — говорит Сергей Донченко. — На первом этапе система будет дополнять ГЛОНАСС, GPS, а в дальнейшем не исключено, что они могут стать на Севере главными, основополагающими».

magnifier.png «Если под вами залегает большое скопление газа, то, поскольку газ, как известно, легкий, происходит искажение гравитационного поля. Вот эти искажения и могут быть заранее измерены и определены»

Гравиметрические приборы находят свое применение и еще в одной важнейшей сфере. Арктика — кладовая полезных ископаемых — газа, нефти. Но экология здесь очень хрупкая, и поиск, добыча природных ископаемых всегда влекут за собой серьезные риски.

«Как минимум хотелось бы, чтобы было как можно меньше пробных бурений, которые сильно влияют на природу Арктики, — поясняет гендиректор ВНИИФТРИ. — Каким образом этого добиться? Мы можем повысить нашу осведомленность о том, где находятся месторождения газа и нефти, чтобы проводить меньше пробных бурений. Как раз для этого и служат гравитационные системы. Если под вами залегает большое скопление газа, то, поскольку газ, как известно, легкий, происходит искажение гравитационного поля. Вот эти искажения и могут быть заранее измерены и определены. Для этого используются так называемые относительные гравиметры, которые позволяют с беспилотника или с самолета, который летает на небольшой высоте, проверить, где потенциально могут быть аномалии гравитационного поля. Эти аномалии как раз и говорят о возможных потенциальных залежах природных ископаемых».

Такие гравиметры могут помочь и в решении других проблем. На Севере сейчас идет большое строительство, и крайне важно, чтобы под возводящимися объектами не было пустот, которых много в этих краях. С подобными проблемами сталкиваются и специалисты РЖД, когда прокладывают тоннели, возводят мосты. Иногда происходит проседание грунта, и нужно заранее смотреть, какие породы лежат в основе.
Еще по теме:
27.05.2024
Как сделать так, чтобы научные разработки студентов не оставались «в столе» университетов, а становились востребованными...
26.04.2024
Нужна ли экономика как современная научная дисциплина производству? Если об этом рассуждать, опираясь на знание истории ...
18.04.2024
Задача рационального соединения разных по скорости энергетических, материальных и информационных потоков в одну работающ...
01.03.2024
Оказывается, что любая опасность, создаваемая в результате человеческой деятельности, проявляется, как опасность только ...
Наверх