Гравиметры для освоения Арктики

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.

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.

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.

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».

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.