Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Определение ньютоновской гравитационной постоянной и ее возможных изменений
1.1. Ньютоновская гравитационная постоянная - фундаментальная константа астрометрии и небесной механики 21
1.2. Эксперимент ГАИШ по определению ньютоновской гравитационной постоянной 26
1.2.1. Динамический метод определения гравитационной постоянной 26
1.2.2. Экспериментальная установка 27
1.2.3. Определение абсолютного значения ньютоновской гравитационной постоянной 34
1.3. Принципы обнаружения новых сил в гравитационных экспериментах 37
1.3.1. Теоретические подходы 38
1.3.2. Принципы обнаружения новых сил в гравитационных экспериментах 40
1.4. Экспериментальная проверка закона тяготения для лабораторных расстояний 46
1.4.1. Экспериментальные результаты 49
1.4.2. Обсуждение и интерпретация результатов 51
1.5. Перспективы нового определения гравитационной постоянной 53
1.6. Результаты Главы I 57
Глава 2. Баксанский лазерный интерферометр - деформограф для мониторинга движений земной коры
2.1. Лазерные интерферометры - деформографы для геофизических наблюдений 59
2.2. Характеристика региона и задачи исследования 64
2.3. Оптическая схема интерферометра 69
2.4. Механическая и вакуумная системы 71
2.5. Источник излучения 76
2.5.1. Частотная модуляция излучения 77
2.6. Система регистрации 78
2.7. Автоматизированная система сбора данных 84
2.7.1. Работа программного обеспечения 84
2.7.2. Выходные данные системы 85
2.8. Контроль качества и предварительная обработка данных 86
2.8.1. Контроль качества регистрируемой информации 86
2.8.2. Предварительная обработка данных 88
2.9. Результаты Главы II 92
Глава 3. Метрологические характеристики Баксанского лазерного и нтерферометра
3.1. Основные метрологические характеристики 93
3.2. Порог чувствительности интерферометра 95
3.2.1. Дробовой шум 95
3.2.2. Световое давление 96
3.2.3. Тепловой шум внутренних мод зеркал 97
3.2.4. Равновесные флуктуации остаточного газа 98
3.2.5. Технические флуктуации остаточного газа 99
3.2.6. Технические флуктуации частоты лазера 100
3.3. Компенсация термоупругих и барических процессов в измерениях литосферных деформаций 102
3.3.1. Алгоритм адаптивного компенсатора метеорологических возмущений 104
3.3.2.0бработка наблюдательных данных с помощью адаптивного компенсатора 106
3.4. Регистрация деформаций. Оценка спектральной плотности 110
3.5. Лунно-солнечные приливы по деформационным наблюдениям 116
3.5.1. Приливные деформации 116
3.5.2. Анализ данных наблюдений приливных деформаций 118
3.5.3. Временные вариации амплитудного фактора волны М2 120
3.5.4. Оценка средних значений приливных параметров 123
3.6. Результаты Главы III 126
Глава 4. Исследование собственных колебаний Земли
4.1. Особенности наблюдения собственных колебаний Земли 128
4.2. Спектральный МНК-алгоритм для измерения параметров геофизического сигнала 131
4.2.1. Вывод основных соотношений 131
4.3. Экспериментальная оценка параметров основных мод СКЗ по данным Баксанского лазерного интерферометра 137
4.3.1. Характеристика наблюдательных данных 137
4.3.2. Анализ данных 141
4.4. Наблюдение тонкой структуры основной сфероидальной моды Земли 0S2 146
4.4.1. Характеристика наблюдательных данных 146
4.4.2. Анализ данных 148
4.4.3. Оценки частот квинтета QS2 и параметров расщепления 153
4.5. Результаты Главы IV 156
Глава 5. Резонансный метод контроля динамических процессов и состояния магматических структур вулкана Эльбрус
5.1. Особенности геологического строения Эльбрусского вулканического центра 158
5.2. Оценка резонансных характеристик магматических структур вулкана Эльбрус по наблюдениям литосферных деформаций 164
5.2.1. Принципы резонансного метода выявления и контроля состояния магматических структур спящих вулканов 164
5.2.2. Характеристика наблюдательных данных 1998 - 2001 гг 165
5.2.3. Анализ данных 1998-2001 гг 168
5.3.1. Оценка параметров (частот и добротностей)
региональных резонансных мод по данным 2003 г 173
5.3. Модель и оценка параметров магматической камеры вулкана Эльбрус 179
5.3.1. Модель магматического резонатора 179
5.3.2. Акустические свойства магматических флюидов вулкана Эльбрус 182
5.3.3. Модель спектра низкочастотных мод магматической камеры 186
5.3.4. Оценка размеров магматической камеры 186
5.4. Сравнение полученных результатов с современными геолого-геофизическими данными 188
5.5. Перспективы мониторинга динамического состояния вулкана Эльбрус методами лазерной интерферометрии и спутниковой навигации 192
5.6. Результаты Главы V 197
Глава 6. Использование технологий космической акселерометрии для наблюдения геодинамических процессов в земных условиях
6.1. Прецизионный бортовой акселерометр ISA:
конструкция и технические характеристики 201
6.1.1. Механическая часть акселерометра 202
6.1.2.Система регистрации и контроля 202
6.1.3. Прототип акселерометра ISA 204
6.2. Наблюдения приливных наклонов в подземной лаборатории Гран Зассо 206
6.2.1. Размещение наклономера 206
6.2.2. Наклономер GS1 206
6.2.3. Анализ приливных наклонов 207
6.3. Наблюдение сейсмичности вулкана Этна во время извержения 2002 - 2003 гг 214
6.3.1. Глубоководный гравиметр 215
6.3.2. Наблюдение и оценка характеристик низкочастотного тремора 216
6.3.3. Резонансные характеристики магматической камеры вулкана Этна .220
6.4. Результаты Главы VI 225
Глава 7. Проекты измерения тонких гравитационных эффектов в стратосфере и космическом пространстве
7.1. Экспериментальная база общей теории относительности 227
7.2. Проверка принципа эквивалентности в свободном падении в стратосфере 232
7.2.1. Технологическое обеспечение эксперимента 232
7.2.2. Дифференциальный акселерометр 236
7.2.3. Технические требования к эксперименту и бюджет ошибок 238
7.3. Измерение гравитационных релятивистских эффектов в проекте BEPPI
COLOMBO 242
7.3.1. Конфигурация космического аппарата 242
7.3.2. Гравитационное поле Меркурия 243
7.3.3. Инструментальная база радионаблюдений в проекте BEPPI COLOMBO 246
7.3.4. Релятивистские гравитационные эксперименты: ожидаемые научные результаты 249
7.4. Результаты Главы VII 252
Заключение 254
Список литературы
- Динамический метод определения гравитационной постоянной
- Оптическая схема интерферометра
- Тепловой шум внутренних мод зеркал
- Экспериментальная оценка параметров основных мод СКЗ по данным Баксанского лазерного интерферометра
Введение к работе
Физические поля - гравитационное поле и поле деформаций, составляют предмет исследования двух областей науки - экспериментальной гравитации и экспериментальной геодинамики.
Основой экспериментальных методов измерения и изучения гравитационного поля в земных условиях являются пробные тела. Измеряются либо взаимное притяжение пробных тел, либо ускорение пробного тела в гравитационном поле Земли или Солнца. Методы экспериментальной гравитации и гравиметрии, техническую базу которых составляют акселерометры и градиентометры, развиваются параллельно, взаимно обогащая и дополняя друг друга. Так, крутильные весы, впервые использованные Г. Кавендишем для определения ньютоновской гравитационной постоянной в конце XVIII века, в начале XIX века были использованы Этвешем для проверки принципа эквивалентности. По принципу крутильных весов Этвеш построил гравитационный вариометр -прибор для измерения градиентов гравитационного поля Земли, и с успехом его применял для изучения локальных гравитационных аномалий.
Современные модели гравитационного поля Земли основаны на различных космических и наземных данных, полученных в последние несколько десятилетий. Эти данные включают в себя обычную наземную гравиметрическую съемку, спутниковую альтиметрию океанов, слежение за околоземными космическими аппаратами (КА). Для построения модели гравитационного поля Земли на новом уровне точности, необходимо в первую очередь качественно повысить точность слежения за КА (лазерная и радиолокация, GPS-навигация), а также точность измерения инерциальных ускорений, действующих на КА (акселерометры, градиентометры). Космическая геодезия вступила в XXI век с абсолютно новым поколением низкоорбитальных спутников, оборудованных высокоточными системами слежения "земля-спутник" и "спутник-спутник" и высокоточными трехкомпонентными акселерометрами. В первую очередь к спутникам нового поколения следует отнести уже реализованные проекты (CHAMP, GRACE) и планируемый к запуску в 2006 году GOCE.
В проекте GRACE два идентичных спутника, следующих друг за другом вдоль одной и той же орбиты, образуют космический гравитационный градиентометр. Спутники связаны друг с другом микроволновой связью Ка-диапазона, способной измерять относительную скорость с точностью лучше, чем 1 мкм/с. Помимо трехкомпонентного акселерометра, входящего также в штатное бортовое оборудование КА CHAMP и GRACE, на борту КА GOCE впервые планируется установить чувствительный гравитационный
Г^ОсГнАЦИО«ДЛЬНАЯ 1
І з БИБЛИОТЕКА I
градиентометр, который должен обеспечить высокие точности измерений.
Аналогичные космические технологии используются для исследования планет Солнечной системы. В качестве примера можно назвать совместный европейско-японский проект BEPPI COLOMBO, запуск КА планируется на 2012 год. Проект подразумевает комплексное исследование Меркурия, его внутреннего строения, гравитационного и магнитного полей. Благодаря близости к Солнцу, миссия предоставляет уникальные возможности для проверки общей теории относительности (ОТО) и других метрических теорий гравитации с беспрецедентной точностью. Двухчастотная микроволновая радиолокация космического аппарата в Ка- (32.5 ГГц) и Х- (7.2 ГГц) диапазонах и бортовой прецизионный трехкомпонентный акселерометр обеспечат измерение компонент гравитационного поля Меркурия, постньютоновских параметров, квадрупольного момента Солнца, проверку сильного принципа эквивалентности, оценку космологических изменений ньютоновской гравитационной постоянной.
ОТО предсказывает существование гравитационных волн. Гравитационная волна должна изменять расстояние между двумя свободно падающими пробными массами. Соответственно, наиболее перспективные гравитационно-волновые антенны - это лазерные интерферометры. Ведущие страны мира активно участвуют в реализации наземных гравитационно-волновых лазерных детекторов: LIGO (США), VIRGO (Италия, Франция), GEO-600 (Англия, Германия), ТАМА-300 (Япония). Большинство из них вступило в строй, начат мониторинг сигналов с целью обнаружения гравитационных волн.
Благодаря своим уникальным качествам: высокой чувствительности, широкому частотному и большому динамическому диапазонам, большебазовые лазерные интерферометры также являются наиболее совершенными инструментами для высокоточных измерений литосферных деформаций, и соответственно, проведению широкого круга геодинамических исследований. В настоящее время в мире работают несколько геофизических болшебазовых лазерных интерферометров. Три из них установлены в подземных туннелях нейтринных обсерваторий и обладают сравнимыми характеристиками - это лазерный интерферометр INFN (Гран Зассо, Италия) [Crescentini, 1997], лазерный интерферометр группы ТАМА (Камиоко, Япония) [Takemoto, 2004] и Баксанский лазерный интерферометр ГАИШ (Баксанская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН, Северный Кавказ).
Таким образом, история развития экспериментальной гравитации и экспериментальной геодинамики демонстрирует взаимное проникновение и общность методов исследований, применяемых для решения задач в этих научных областях. Не претендуя на полноту перечисления всех таких
методов, укажем экспериментальные методы, которые были рассмотрены в диссертации. Это измерение тонких гравитационных эффектов с помощью крутильных весов и дифференциальных акселерометров, исследование литосферных деформаций средствами лазерной интерферометрии, измерение гравитационного поля Меркурия и релятивистских гравитационных эффектов с помощью КА на орбите вокруг Меркурия.
Актуальность темы
Ньютоновская гравитационная постоянная G, вместе с постоянной Планка ft и скоростью света с, относится к универсальным константам природы, представляющих фундаментальные предельные величины: с -максимальная скорость света, h - минимальный момент количества движения, G - гравитационный радиус единичной массы (максимальный радиус сферы, внутри которой происходит релятивистский гравитационный коллапс). Гравитационная постоянная также входит в систему основных астрономических постоянных ["Эфемеридная астрономия", 2004; Kovalevsky, 2004] и играет важную роль в астрометрии и небесной механике. Если абсолютные значения фундаментальных констант с и й известны с высокой точностью и их "постоянство" не подвергается сомнению, то ситуация с гравитационной постоянной G совсем иная. В силу слабости гравитационного взаимодействия точность экспериментального определения С существенно ниже точности других фундаментальных констант, прогресс происходит достаточно медленно - величина ошибки уменьшается приблизительно в 10 раз за столетие [Gilles, 1997]. Современная история (последние 25 лет) определения G насчитывает достаточно большое количество лабораторных экспериментов, однако, разброс результатов заметно превосходит их доверительные интервалы. До сих пор нет убедительных объяснений такому большому расхождению значений гравитационной постоянной, полученных в различных экспериментах.
Широко также обсуждаются вопросы возможных изменений гравитационной постоянной. Возможная зависимость G от химического состава взаимодействующих тел или расстояния между ними существенно меняет наши представления о физических законах, в частности, приводя к появлению новых видов взаимодействий. Возможные изменения G с космологическим временем будут иметь важные космологические следствия, как в масштабах Солнечной системы, так и для всей Вселенной. Имеющиеся данные, полученные в лабораторных экспериментах, астрономических наблюдениях и наблюдениях за КА, дают верхний предел на возможные изменения G. Таким образом, проблема гравитационной постоянной, включая
все ее аспекты, по-прежнему актуальна, значение G для фундаментальной науки трудно переоценить.
Для измерения тонких гравитационных эффектов применяются как традиционные методы экспериментов с пробными телами, так и новые, использующие космические технологии. Совместное применение средств радиослежения за КА и бортовой акселерометрии позволяет в идеале сделать космический аппарат нечувствительным к эффектам негравитационных возмущений и радиосвязь с наземными станциями свободной от плазменного шума, т.е. рассматривать КА виртуально свободным от сноса. Реализация этих космических технологий открывает новые перспективы в решении фундаментальных и прикладных задач геофизики, геодезии, гравитации, планетофизики и космической навигации.
В последние десятилетия произошло значительное повышение точности методов и средств измерений, используемых для исследования физики Земли. Это, прежде всего, упомянутые выше современные технологии наблюдения за орбитальными КА, методы космической навигации, сверхпроводящие гравиметры. Достойное место среди прецизионных средств исследования геодинамических процессов занимают большебазовые лазерные интерферометры, лучшие представители которых способны измерять литосферные деформации с разрешением порядка 10"13. Размещение лазерного интерферометра в Приэльбрусье - одном из наиболее активном в геодинамическом плане регионов России, позволяет в режиме мониторинга регистрировать изменения напряженного состояния земной коры, фиксировать медленные тектонические процессы, измерять приливные деформации и динамику их вариаций во времени, исследовать собственные колебания Земли (СКЗ). Режимные наблюдения дают возможность исследовать сейсмотектонические особенности региона, проявление глобальных сейсмических событий в динамических характеристиках неоднородных структур региона, в том числе, магматических образований вулкана Эльбрус. Важной прикладной задачей автор считает участие в комплексном геоэкологическом мониторинге Приэльбрусья, цель которого -изучение, оценка и прогнозирование возможных природных катастроф.
Проведение современных исследований, представляющих интерес для широкого научного сообщества, опирается, как правило, на коалицию ученых - как российскую, так и международную. Поэтому актуальность темы подтверждается также тем, что исследования, изложенные в диссертации, выполнялись в сотрудничестве с учеными ИФЗ РАН, ИГЕМ РАН, Географического факультета МГУ, Института физики межпланетного пространства (Италия), Хуаджуньского университета науки и технологий (Китай).
Цель работы
Основная цель работы - развитие современных методов измерения и исследования тонких гравитационных и геодинамических эффектов. В рамках этой цели были поставлены следующие задачи:
Развитие и использование методов лазерной интерферометрии для изучения в широком диапазоне частот глобальных (земные приливы, собственные колебания Земли) и региональных (сейсмотектоника, резонансные параметры и динамика магматических вулканических структур) геодинамических процессов.
Развитие и создание инструментальной базы экспериментальной гравитации, включающей в том числе, космические технологии.
Измерение гравитационной постоянной и проверка ньютоновского закона гравитации динамическим методом с помощью прецизионных крутильных весов. Определение в метрической системе единиц масс и средних плотностей Земли, Луны и Солнца.
Научная новизна
-
Впервые в мире выполнена серия экспериментов обшей продолжительностью около трех лет, состоявшая из 23 независимых измерений G, в результате которой было получено новое абсолютное значение ньютоновской гравитационной постоянной. На основании этого значения G были уточнены массы и средние плотности Земли, Луны и Солнца в метрической системе единиц.
-
Выполнена одна из первых проверок закона тяготения в диапазоне расстояний 11 - 21 см. Получен результат - |ДС /G| < 7 1(Г5, подтверждающий постоянство гравитационной константы на малых лабораторных расстояниях. На основании этого результата сделаны оценки параметров некоторых гипотетических частиц, ответственных за новые взаимодействия.
-
Разработаны новые принципы и изготовлены новые конструкции систем регистрации сигнала и модуляции лазерного излучения, существенно расширяющие технические возможности Баксанского лазерного интерферометра и повышающее качество выходных данных. Разработана автоматизированная система и создан пакет программ, осуществляющие автоматизированный сбор данных и обеспечивающие в квазиреальном временном режиме контроль качества поступающей информации по всем регистрирущим каналам комплекса.
-
Разработан адаптивный МНК-алгоритм спектрального оценивания неизвестных параметров геофизического сигнала на фоне стационарной помехи с неизвестной спектральной плотностью, который применен для оценивания мод СКЗ и региональных резонансных мод. Введены понятия «холодный» и «разогретый» шум, позволяющие построить эффективный критерий обнаружения геофизического сигнала на данном временном отрезке, а также производить графическое изображение спектров в наглядной форме отношения "сигнал/шум".
-
Высказана гипотеза о том, что вариации амплитуд приливных деформаций являются индикатором изменения напряженно-деформированного состояния региона. Гипотеза основана на сопоставлении наблюденных вариаций амплитудного фактора приливной волны N12 и сейсмической активности региона.
-
Впервые для землетрясений с умеренным энерговыделением (магнтитуды 7-8) разрешена тонкая структура сфероидального моды СКЗ 0S2. Получены оценки параметров расщепления 0J32 и Qyn.
-
Разработан новый метод контроля динамических процессов и состояния вулканических магматических структур, основанный на оценке резонансных параметров собственных колебаний этих структур, возбужденных внешним сейсмическим воздействием. Метод особенно эффективен в применении к «спящим» вулканам, у которых отсутствует собственная сейсмическая активность, способная запускать триггерный механизм акустических вибраций магматических резонансных систем.
-
Разработана схема эксперимента по проверке слабого принципа эквивалентности (ПЭ) в вертикальном свободном падении дифференциального акселерометра внутри капсулы, которая в свою очередь падает в стратосфере с высоты порядка 40 км. Ожидаемый
уровень точности проверки ПЭ - 5х10"15 .
9. Разработана конструкция и создан прототип прецизионного
акселерометра, предназначенного для измерения гравитационного поля
Меркурия и релятивистских гравитационных эффектов в рамках проекта
BEPPI COLOMBO.
Научная и практическая значимость
Абсолютное значение гравитационной постоянной, полученное 25 лет назад в эксперименте ГАИШ, совпадает внутри одного стандартного отклонения с результатами новейших (после 2000 г.) экспериментальных определений гравитационной постоянной и значением С, рекомендованным CODATA (Committee of Data for Science and Technology) в 2003 г. Это доказывает высокий технологический уровень эксперимента ГАИШ, актуальность и значимость его результата в настоящее время.
На основании полученного значения G были вычислены значения масс и средних плотностей Земли, Луны и Солнца в метрической системе единиц, которые определяют современный уровень знания этих астрономических величин.
Баксанский лазерный интерферометр-деформограф по техническим характеристикам (интерферометр Майкельсона с измерительным плечом порядка 100 м, разрешающей способностью порядка 10 стрейн) и способу размещения (подземный туннель нейтринной обсерватории) относится к лучшим лазерным интерферометрам-деформографам, работающими в настоящее время в мире (обсерватория Камиоко, Япония; обсерватория Гран Зассо, Италия).
В задачах обнаружения СКЗ Баксанский лазерный интерферометр имеет метрологические характеристики, сопоставимые с криогенными гравиметрами. Преимущество лазерного интерферометра состоит в возможности регистрации не только сфероидальных колебаний, но и торсионных, недоступных наблюдению гравиметрами. Таким образом, наблюдение СКЗ Баксанским лазерным интерферометром и их интерпретация дают новый материал для изучения внутреннего строения Земли и уточнения ее модели.
Для контроля вертикальных и горизонтальных движений земной коры в области вулкана Эльбрус методами спутниковой навигации созданы два стационарных пункта наблюдения, оснащенных совмещенными приемниками GPS/ГЛОНАСС Legacy-E. Начатый в 2005 году мониторинг Приэльбрусья средствами спутниковой навигации совместно с деформационными наблюдениями открывает перспективы комплексного исследования геодинамики Приэльбрусья. Такой мониторинг может также сыграть важную роль в получении достоверной прогнозной информации о вероятной активизации вулкана Эльбрус.
Разработанный резонансный метод контроля динамических процессов и состояния вулканических магматических структур был применен к вулкану Этна (Италия). По наблюдению сейсмичности вулкана во время его активной стадии в 2002-2003 гг. выявлен ряд резонансных мод магматических структур вулкана Этна в сверхнизкочастотом диапазоне спектра. Получена оценка характерного размера возможной магматической камеры, которая согласуется с данными других наблюдений.
Полученные в диссертации результаты составляют основу нового совместного эксперимента по определению ньютоновской гравитационной постоянной в рамках международного сотрудничества между Россией и Китаем. Оценки показывают, что новые технологические подходы и оптимизация конфигурации экспериментальной установки могут обеспечить определение гравитационной постоянной на уровне точности в 10-30 ррт.
Результаты диссертации используются в подготовке нового эксперимента по проверке принципа эквивалентности в свободном падении в стратосфере в рамках сотрудничества Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario INAF, Roma (Италия) и Harvard-Smitsonian Center for Astrophysics, Cambridge (США) при участии ГАИШ МГУ.
Результаты диссертации используются в подготовке европейско-японского проекта BEPPI COLOMBO (миссия к Меркурию), в котором автор диссертации является соисполнителем направления Radio Science Experiments. Основные научные задачи этого направления - измерение гравитационного поля Меркурия и релятивистские гравитационные эксперименты.
Основные результаты, выносимые на защиту
I. Экспериментально определенное абсолютное значение ньютоновской гравитационной постоянной - фундаментальной константы систем физических и астрономических постоянных:
G=(6.6745±0.0008)х10"" м3кг"'с"2. Уточненные значения масс и средних плотностей Земли, Луны и Солнца в метрической системе единиц. Экспериментальное подтверждение справедливости закона тяготения Ньютона для лабораторных расстояний
с относительной точностью 7x10" .
Действующий в Приэльбрусье в режиме долговременных наблюдений болыиебазовый вакуумированный лазерно-интерферометрический комплекс для прецизионных измерений литосферных деформаций в широком диапазоне частот. Организация системы режимных наблюдений литосферных деформаций.
Теоретические и экспериментальные оценки пороговой чувствительности Баксанского лазерного интерферометра-деформографа в диапазоне частот 10б—103 Гц. Порог чувствительности интерферометра к
измерению деформаций для частот /<ЗхЮ~3Гц, ограничивается
техническими флуктуациями частоты лазера, а для />Зх10_3Гц техническими флуктуациями вакуума. Технические ограничения лежат ниже наблюдаемых деформаций, которые аппроксимируются полученной в работе эмпирической формулой ЗхЮ"'2/""1 (єхГц"2).
Экспериментальные оценки периодов низкочастотных мод (п<25) собственных колебаний Земли и параметров тонкой структуры сфероидального мультиплета 0S2, полученные по наблюдениям литосферных деформаций, возбужденных землетрясениями с умеренным энерговыделением (магнтитуды 7-8). Точность оценок составляет 0.1-0.5%.
Выявление близповерхностной магматической камеры в структуре Эльбрусского вулканического центра с характерным размером около 9 км, располагающейся на глубинах 1-7 км. Экспериментальная оценка акустических свойств магматических флюидов магматической камеры, характеризующихся богатым содержанием газовых компонент, порядка 30-70 %, магма представляет собой жидкостно-газовую пену с плотностью 1500-2000 кг/м3.
Калибровка прототипа бортового акселерометра ISA, предназначенного для космического аппарата BEPPI COLOMBO, в режиме долговременных наблюдений приливных наклонов в подземной лаборатории Гран Зассо
(Италия). Чувствительность прибора составляет
2.8x10-" (м/с2)/Гц|/2,
нелинейность характеристики не более 0.4%, долговременная стабильность коэффициента преобразования не хуже 99.5% в год.
7. Схема эксперимента по проверке принципа эквивалентности в свободном падении в стратосфере. Технологическая структура реализации свободного падения GIZERO и дифференциальный акселерометр с
пороговой чувствительностью 1.5х10_,3(м/с2)ЛГц"2 обеспечивают точность экспериментальной проверки принципа эквивалентности на
уровне 5х1(Г15 в 95% доверительном интервале.
Аппробация работы
Результаты исследований, изложенные в диссертации, обсуждались на семинарах ряда научных учреждений России, Китая и Италии, а также докладывались на многих российских и международных конференциях, в том числе:
Генеральных ассамблеях геофизического и геодезического союза IUGG (Москва1971, Будапешт 1980, Вена 1991, Грац 1996, Будапешт 2001, Саппоро 2003);
Всесоюзных и всероссийских гравитационных конференциях (Минск 1976, Москва 1981, Москва 1984, Цахкадзор 1988, Пушино 1993, Новгород 1996, Владимир 1999);
Всесоюзных школах "Основания физики" (Сочи 1989, 1990, 1991); Международных школах "Particles and Cosmology" (Баксан 1989, 1993, 1997,1999,2001);
Международной конференции по теоретической физике (Пекин 1992);
Международном симпозиуме "Geodesy and Physics of the Earth" (Потсдам 1992);
Международных конференциях "Laser Optics" (С-Петербург 1993, 1998);
Международных конференциях азиатских и тихоокеанских стран по гравитации и астрофизике (Тайвань 1995, Пекин 1999, Москва 2001);
Конгрессе Балканского геофизического общества (Афины 1996);
Международном симпозиуме " Short-Term Experiments under Strongly Reduced Gravity Conditions" (Бремен 1996);
Симпозиуме Европейского космического агентства "Utilization of the International Space Station" (Дармштадт 1996);
Генеральной ассамблее международного общества сейсмологии и физики Земли (Солоники 1997);
Международных конференциях "Marcel Grossman Meeting on General Relativity" (Иерусалим 1997, Рим 2000);
Международном симпозиуме по земным приливам (Мицузава 2000);
Всероссийских конференциях «Внутреннее ядро Земли» (Москва 2000,
2005);
Генеральной ассамблее Европейского геофизического общества EGS (Ницца 2001);
Международном симпозиуме по нелинейной акустике (Москва 2002);
Международной конференции по космическим лучам ICRC-2O03 (Тсукубо 2003);
Сагитовских чтениях (Москва 2003,2004, 2005);
Генеральных ассамблеях Европейского союза наук о Земле EGU (Ницца 2004, Вена 2005).
Личный вклад автора
Основные результаты, представленные в диссертации, получены автором самостоятельно.
В совместных работах по измерению гравитационной постоянной вклад автора равен вкладу других соавторов. Проверка закона обратных квадратов выполнена автором самостоятельно. Создание Баксанского лазерного интерферометрического комплекса, разработка основных его систем, исследование метрологических характеристик были выполнены под руководством и при непосредственном участии автора диссертации. Автору принадлежит постановка экспериментальных геодинамических исследований, проведенных с помощью Баксанского лазерного интерферометра. Анализ геодинамических эффектов был выполнен также под руководством и при непосредственном участии автора, ряд результатов этих исследований (например, тонкая структура сфероидальной моды 0S2) были получены автором самостоятельно. В работах с прототипом бортового акселерометра ISA автору принадлежат: идея использования его в качестве наклономера для исследования метрологических характеристик, методика измерений и анализ экспериментальных данных. В разработке проектов гравитационных экспериментов в стратосфере и космическом пространстве вклад соавторов равный.
В список положений, вынесенных на защиту, включены лишь те результаты, в которых вклад автора был основным, или, по крайней мере, равным вкладу других соавторов.
Динамический метод определения гравитационной постоянной
В эксперименте ГАИШ гравитационная постоянная определялась с помощью крутильных весов динамическим методом, принцип которого описан ниже.
Если вблизи крутильных весов на равном расстоянии от них поместить две одинаковые большие пробные массы М, то момент сил взаимного притяжения этих масс и крутильных весов создает дополнительную "гравитационную жесткость", и квадрат частоты основной моды крутильных колебаний Щ в этом случае описывается выражением Р + ОРГ/Э (,.,) где D - жесткость крутильных весов, обусловленная жесткостью подвеса и стационарными градиентами гравитационного поля в лаборатории; J - момент инерции весов относительно оси крутильной нити; G(dr/d p) - производная момента сил взаимного притяжения масс М и крутильных весов по углу их отклонения от положений равновесия ("гравитационная жесткость").
Частота 0)х измеряется в процессе проведения эксперимента. Коэффициент (дГ/д р) и момент инерции J вычисляются на основании взвешивания пробных масс и крутильных весов, измерении их геометрических размеров и взаимного расположения. Следовательно, в выражении (1.1) имеются два неизвестных параметра: жесткость крутильных весов D и гравитационная константа G. Поэтому для определения G необходимо экспериментально измерить частоту основной моды крутильных колебаний, по крайней мере, для двух различных положений больших пробных масс М. Тогда гравитационная постоянная может быть найдена из соотношения 4k),-k)J ,._ (эг/Эр),-(эг/эр)2 где индексы 1 и 2 обозначают два разных положения масс М. Глава I. Определение ньютоновской гравитационной постоянной и ее возможных изменений Таким образом, для определения G динамическим методом необходимо произвести следующие измерения: 1) частот крутильных колебаний при двух различных положениях пробных масс М; 2) геометрических размеров и плотностей крутильных весов; 3) геометрических размеров и плотностей пробных масс М; 4) взаимного расположения крутильных весов и пробных масс М.
Корпус прибора представляет собой массивную медную камеру, в верхней части которой имеется ряд стеклянных иллюминаторов, служащих для регистрации крутильных колебаний и измерения расстояний. Для уменьшения влияния неоднородностей окружающего гравитационного поля на крутильные весы нижняя часть корпуса имеет цилиндрическую форму (диаметр = 374 мм). Высота корпуса обеспечивает применение крутильных нитей длиной 1 м.
Юстировка крутильных весов и задание амплитуды осуществлялись с помощью крутильной головки, к которой крепился верхний конец крутильной нити. Вывод крутильных весов в заданный азимут производился дистанционно с помощью сельсин-датчика и редуктора.
Большие пробные массы были изготовлены в виде прямых круговых цилиндров диаметром 180 мм и высотой 200 мм из стали марки У10А-Ш. Заготовки для этих масс многократно отковывали и переплавляли в элетродуговой печи с целью повышения однородности. Поверхность пробных масс отшлифована по 12 классу чистоты. Фигура каждой массы определена путем измерения их различных сечений и известна с точностью до десятых долей микрона. Основные метрологические параметры больших и малых пробных масс приведены в табл. 1.3.
Система ваккумирования и термостатирования. Двухступенчатая откачка с помощью форвакуумного и диффузионного насосов создавала вакуум внутри корпуса порядка 5x10" торр, что обеспечивает добротность крутильных колебаний (2=10 . Термозащита осуществлялась следующим образом: крутильные весы были помещены в толстостенный медный корпус, служащий для выравнивания температурных градиентов, который, в свою очередь, находился в пенопластовом боксе. Все приборы, выделяющие тепло в процессе работы, находились за пределами бокса.
Регистрация крутильных колебаний осуществлялась независимо и одновременно двумя фотоэлектрическими системами - неподвижной и локаторной. Основным элементом обоих систем являлся индикатор малых угловых перемещений - оптический рычаг дифференциального типа, работающий по принципу "ножа" и "щели". Излучение He-Ne лазера, отраженное от зеркала крутильных весов, попадало на щель фотоприемника, на дифференциальном выходе которого формировались узкие электрические реперные импульсы. Интервалы времени между импульсами измерялись поочередно двумя электронно-цифровыми счетчиками с опорной частотой 100 кГц. Результаты измерения регистрировались цифропечатающим устройством.
Первая система регистрации измеряла время между последовательными прохождениями крутильной системой фиксированной фазы колебаний. Период крутильных колебаний, измеряемый таким образом, равен сумме двух последовательных интервалов между двумя реперными импульсами. Минимальные угловые перемещения, которые могут быть зафиксированы такой системой, оцениваются величиной (Д п=10-8рад.
Вторая система регистрации, помимо индикатора, содержала промежуточное равномерно вращающееся зеркало, помещенное между индикатором и крутильными весами. Такая система работает аналогично радиолокатору со сканирующим лучом, измеряющим азимут цели, и позволяет получать в цифровом виде значение угловой координаты крутильных весов с дискретом один раз за период вращения зеркала (20 с). Регистрограмма второй системы регистрации позволяла получать не только частоту колебаний, но и амплитуду, закон затухания, характер дрейфа и т.д. Основным фактором, ограничивающим разрешающую способность локаторной системы, является неравномерность вращения зеркала. Положение систем регистрации в схеме экспериментальной установки изображено нарис. 1.7.
Оптическая схема интерферометра
Оптическая схема Баксанского лазерного интерферометра (БЛИ) представляет собой двухпроходный (N=2) неравноплечный интерферометр Майкельсона, работающий в режиме разнесенных пучков, который реализуется применением в качестве отражающих элементов триппельпризменных отражателей. Триппельпризменный отражатель представляет собой призму типа "угол куба", в которой пучок претерпевает тройное отражение. При работе по схеме разнесенных пучков легко реализуется оптическая развязка, препятствующая попаданию отраженного излучения обратно в лазер. Длина большого (измерительного) плеча интерферометра равна 75 м (соответственно, оптическая длина равна150 м), длина малого (опорного) плеча - 0.3 м.
На рис. 2.4 представлена общая функциональная схема интерферометра. Излучение He-Ne лазера (1) попадает на телескопическую систему (2), образованную двумя объективами, в фокусе которых установлена диафрагма для обрезания более высоких дифракционных порядков (увеличение системы Г=25х). Телескопическая система формирует перетяжку на дальнем отражателе интерферометра. Сформированный телескопической системой пучок с фронтом большого радиуса кривизны падает на светоделительный куб (3), который делит луч на две части (по амплитуде) и направляет их на измерительный (5) и опорный (4) триппельпризменные отражатели. Отраженные пучки с помощью оптического клина (6) сбиваются под малым углом и рекомбинируют на светоделительном кубе (рис. 2.5).
Интерференционная картина, возникающая в результате рекомбинации опорного и измерительного пучков, представляет собой прямые полосы. Выходной суммарный луч фокусируется линзой (7) и попадает на зеркало скоростного шлейфового гальванометра (8). Далее поворотное зеркало (9) направляет интерференционную картину на растр (10), пройдя который сфокусированный линзой (11) луч попадает на фотоприемное устройство (12). Растр (10) представляет собой стеклянную пластинку с нанесенными на нее непрозрачными полосками. Период чередования полос приблизительно равен 1 мм, что соответствует периоду интерференционной картины в плоскости растра.
Оптические части интерферометра смонтированы в двух вакуумных цилиндрических камерах (рис. 2.6). В первой камере (6), диаметром 0.8 м и высотой 1 м размещены светоделительный куб, отражатель опорного плеча интерферометра и оптический клин (рис. 2.5). Эта камера имеет два оптических окна, одно из которых используется для введения лазерного излучения в интерферометр, а второе для вывода рекомбинированного пучка. Вторая камера (7), диаметром 0.6 м и высотой 0.6 м, содержит отражатель измерительного плеча интерферометра. Камеры соединены между собой посредством трех сильфонов, (3), (4), (5), и вакуумных труб диаметром 30 см, образующих светопровод (9). Применение сильфонов позволяет компенсировать передачу деформаций на оптические элементы интерферометра, обусловленных тепловым расширением светопровода.
Труба светопровода вдоль всей ее длины поддерживается рядом стоек. Труба опирается на стойки через ролики, которые обеспечивают ее свободное расширение и сокращение. Все элементы вакуумной системы выполнены из нержавеющей стали. Температура узлов интерферометра и окружающей среды контролируется тремя температурными датчиками с коэффициентом преобразования 0.125 В/С, разрешением 0.005 С и осуществляется автоматизированной системой сбора данных.
Вакуумная система откачки интерферометра состоит из двух параллельных ячеек (рис 2.4, п.п. (21), (22) и (23), (24)), содержащих форвакуумные и высоковакуумные части, и шести магниторазрядных диодных охлаждаемых насосов НОРД-100. В штатном режиме вакуум в объеме интерферометра обеспечивается попеременным включением одной из ячеек. Общий откачиваемый объем составляет величину порядка 6 м . Давление в системе в стационарном режиме составляет 1x10 мм рт.ст. Применение магниторазрядных насосов НОРД-100 позволяет довести уровень вакуумирования до 10" -10" торр. Уровень давления внутри интерферометра контролируется вакуумным электроразрядным магнитным датчиком. На рис. 2.7. показан светопровод интерферометра в Главной штольне БНО. Металлическая решетка ограждает светопровод и вакуумные насосы от остальной части штольни.
Блок излучения (лазер и телескопическая система) и вакуумные камеры, содержащие оптику интерферометра, смонтированы на трех независимых фундаментах. Фундамент блока излучения установлен на песочной подушке, а фундаменты вакуумных камер жестко связаны с коренной породой. Для изготовления фундаментов в коренных скальных породах были пробурены колодца глубиной 1.5 м. На дне этих колодцев в скальную породу были вбиты несколько металлических стержней так, что их верхние концы выступали на несколько десятков сантиметров. Внутри колодцев была установлена опалубка меньшего сечения, которая была залита бетоном. Опорные фундаменты интерферометра представляют собой бетонные столбы, выступающие за нижний уровень штольни на 30 см (для установки камер) и на 70 см (для установки блока излучения). Оставшаяся свободная часть колодца вокруг бетонного столба заполнена до поверхности пенопластовыми шариками (рис. 2.8).
В нижние крышки вакуумных камер были ввернуты по шесть конусообразных анкерных болтов, сваренных между собой горизонтальными прутами. Анкеры и нижние крышки камер на глубину 20 мм были вмурованы в бетон. В верхние поверхности фундаментов были также вмурованы крепежные резьбовые гнезда для жесткого крепления лазера и телескопической системы (на фундаменте блока излучения) и блока фотоприемника (на фундаменте для большой камеры).
Тепловой шум внутренних мод зеркал
Основными процессами, возмущающими геофизические наблюдения в низкочастотной области (измерения наклонов, деформаций, вызванные "полезным" геофизическим сигналом), являются упругие деформации как самих приборов, так и постаментов, на которых они установлены, под влиянием изменения температуры и атмосферного давления. Задача воздействия атмосферного давления и температуры окружающей среды на наклоны и деформации земной поверхности может решаться как в академической плоскости, изучая механизмы связи этих процессов (например, [Латынина, 2001]), так и практической, компенсацией этого воздействия. Решение задачи компенсации в каждом конкретном случае зависит от поставленных научных задач, особенностей наблюдений, используемых приборов и условий их расположения. Баксанский лазерный интерферометр находится на 400 м ниже уровня дневной поверхности (рис. 2.1), что в целом обеспечивает достаточно слабую зависимость поведения геофизической среды от вариаций температуры и давления в месте наблюдения. Вместе с тем, особенности размещения интерферометра в штольне с принудительной вентиляцией приводят к значительным суточным вариациям температуры, что обуславливает термоупругие деформации механической системы интерферометра. Для подавления помех метеорологического происхождения в наблюдениях литосферных деформаций был разработан адаптивный компенсатор метеорологических возмущений, основанный на комплексировании лазерного деформографа и контрольных измерительных устройств.
Механическая система интерферометра подробно описана в разделе 2.4. Схема механической системы интерферометра и размещения метеорологических измерительных устройств изображена на рис. 3.3. Температура узлов интерферометра и окружающей среды контролируются тремя датчиками с коэффициентом преобразования 0.125 В/С, разрешением 0.005 С0. Датчик ТІ смонтирован на бетонном фундаменте, ниже уровня пола штольни. Датчик Т2 смонтирован на поверхности светопровода. Датчик ТЗ смонтирован в нижней части вакуумной камеры. Атмосферное давление регистрируется датчиком Р мембранного типа с коэффициентом преобразования 0.0375 В/торр, разрешением 2х10-5 торр. Уровень давления внутри интерферометра контролируется
Задача компенсации метеорологических вариаций в деформационных измерениях решалась в сформулированных ниже предположениях.
Термоупругие деформации. Отклик интерферометра как механической системы на изменения температуры происходит по двум "каналам", обладающим разной температурной динамикой: 1) термоупругие деформации 75-метрового светопровода с включенными в систему тремя сильфонами (инструментальная деформация); 2) термоупругие деформации скальной породы и жестко связанных с ним бетонных фундаментов (деформация геофизической среды). Наблюдения показывают, что в зависимости от условий окружающей среды, изменения температуры во втором канале по отношению к первому происходят с задержкой 10-30 часов. Следует также отметить, что суточные изменения температуры происходят только по первому каналу. Суточные вариации температуры геофизической среды практически не наблюдаются. Поэтому адаптивный алгоритм учета термоупругих деформаций строится в двух частотных диапазонах. Для периодов более 30 часов термоупругие деформации определяются суммарным эффектом в двух каналах (инструментальной деформацией и деформацией геофизической среды); для периодов менее 30 часов термоупругие деформации определяются только инструментальным фактором (первый канал).
Барические деформации. В общем случае барические деформации определяются как вариациями вакуума внутри системы (технические флуктуации давления), так и изменениями внешнего атмосферного давления. Механизм влияния первого эффекта в основном происходит через флуктуации показателя преломления. Подробно этот эффект рассмотрен в предыдущем параграфе. Оценка величины технических флуктуации давления показывает, что деформации, вызванные эти эффектом, на один-два порядка меньше наблюдаемых литосферных деформаций во всем диапазоне частот, поэтому этот эффект можно не принимать во внимание. Отклик интерферометра на изменение внешнего атмосферного давления происходит через механические элементы интерферометра и геофизическую среду, потому учет этого эффекта происходит также как и для температуры, в двух частотных диапазонах.
Алгоритм строится на основании пяти входных параметров: 1. Tx(t) - температура скальной породы (измеряется датчиком ТІ); 2. Г/4(t) - температура механической системы в высокочастотном диапазоне (измеряется датчиком Т2, фильтрацией выделяется составляющая с / ЗО-1 час"1); 3. T3H4(t) - температура механической системы в низкочастотном диапазоне (измеряется датчиком ТЗ, фильтрацией выделяется составляющая с / ЗО-1 час"1); 4. Px(t) - давление в низкочастотном диапазоне (измеряется датчиком Р, фильтрацией выделяется составляющая с / 30_1час"); 5. P2(t) - давление в высокочастотном диапазоне (измеряется датчиком Р, фильтрацией выделяется составляющая с / ЗО"1 час 1). Входные данные формируются в виде временных числовых рядов с дискретом 1 мин или 10 мин.
Суточные вариации температуры происходят на частотах, близких к частотам лунно-солнечного прилива, поэтому вводится еще один входной параметр - расчетная приливная деформация td(t).
Экспериментальная оценка параметров основных мод СКЗ по данным Баксанского лазерного интерферометра
Использовались данные в двух временных форматах, с дискретами 10 сек и 1 мин. В соответствии с разработанной методикой процедура оценивания параметров мод СКЗ, - частоты, дисперсии частоты и добротности, - состояла из следующих этапов:
1. Фильтрация исходных данных цифровым ВЧ фильтром с частотой среза fc = 2ХІ0"4 Гц (самая низкая мода СКЗ 0S2 имеет частоту 3.1х10"4Гц).
2. Оценка уровня спектральной плотности "холодного" шума. Для исследования статистических свойств аддитивной помехи использовались методы адаптивного приема: непараметрическая оценка спектральной плотности Nn(CO) вычислялась путем усреднения спектральных плотностей, построенных по 15 спокойным в сейсмическом отношении участкам записи (где заведомо не было сильных сейсмических событий). Порог, устанавливаемый этой оценкой, используется для формирования критерия обнаружения реализаций, содержащих геофизический сигнал. Спектральная плотность такой реализации сравнивается с заданным порогом "холодного" шума; его превышение с вероятностью 0.95 обнаруживает ГС.
3. Построение "сигнального" спектра. Оценка строилась по реализации, на которой по критерию п. 2 обнаружен ГС. Длина реализации, следующей непосредственно за сейсмическим событием, выбиралась порядка 3 суток. Спектральная плотность строилась с использованием окна Ханнинга с п=32768 для данных с дискретом 10 сек и п=4096 для дискрета 1 мин.
4. Построение спектра "разогретого" шума. Спектр вычислялся в соответствии с формулой (4.3а). Критерием обнаружения спектральных максимумов, соответствующих модам СКЗ, являлось превышение "сигнальным" спектром уровня "разогретого" шума. Параметры этих максимумов принимались за нулевое приближение оценок параметров мод СКЗ.
5. Оценка параметров мод СКЗ по формулам (4.14), (4.15) и (4.16).
Спектры СКЗ в двух диапазонах периодов: 400-700 сек и 700-3300 сек, показаны на рис. 4.2а и 4.26 по записи землетрясения в Индийском океане. Амплитуды мод СКЗ на рисунках соответствуют разности амплитуд спектральных плотностей ГС и "разогретого" шума, т.е. за нулевое значение амплитуды принимается значение амплитуды "разогретого" шума на данной частоте. На рис. 4.3 показано сравнение спектров СКЗ, построенным по записям четырех землетрясений.
Таблица 4.3 содержит наблюденные периоды и добротности основных тонов сфероидальных и крутильных колебаний с п 25, а также среднеквадратичные ошибки для периодов. Оценки параметров строились для каждого из указанных землетрясений. Критерием идентификации наблюденного периода как тона СКЗ являлось "попадание" в его 95% доверительный интервал соответствующего теоретического значения. Были использованы теоретические значения периодов СКЗ для достаточно простой сферически-симметричной модели Земли HBi [Буллен, 1978]. В табл. 4.3 вошли наблюденные значения периодов, наилучшим образом согласующиеся с теоретическими. Верхний индекс указывает землетрясение, по которому была сделана эта оценка.
Полученные оценки периодов первых 25 основных мод собственных колебаний Земли, как сфероидальных, так и торсионных, достаточно хорошо согласуются с теоретическими значениями и оценками, полученными в других наблюдениях [Gilbert, Dziewonski, 1975], как правило, различия составляют доли секунды. Дисперсии полученных нами оценок также в основном равны этой величине. Добротности мод определяются менее уверенно, ошибки их определения могут достигать десятков процентов. В целом, значения добротности увеличиваются с номером моды. Оценки добротности первых низкочастотных мод, скорее всего, занижены. Так, в работе [Tanimoto, 1990] оценка добротности для моды 0S2 равна 560. Добротность для моды oSo может достигать нескольких десятков тысяч.
Основная сфероидальная мода QS2 является самой низкочастотной модой собственных колебаний Земли. Период ее вырожденного значения, согласно нашим определениям, равен 3231.6 ±5.2 с (табл. 4.3). Тонкая структура мультиплета 0S2 состоит из пяти синглетов 0S2 , 0S2 , 0S2, о 2 и о 2 данном разделе приводятся результаты расщепления основной сфероидальной моды 0S2 по наблюдениям четырех землетрясений, зарегистрированным Баксанским лазерным интерферометром.
Для анализа были выбраны четыре землетрясения: на островах Баллени (25 марта 1998 г., Mw 8.1), в Турции (17 августа 1999 г., Mw 7.6), на Суматре (4 июня 2000 г., Mw 7.9) и на Аляске (17 ноября 2003 г., Mw 7.8), со сравнимыми магнитудами и небольшими глубинами очагов, 10-30 км. По энерговыделению, первое из рассмотренных землетрясений относится к высшей категории "great", остальные четыре - относятся к категории "major" (классификация USGS National Earthquake Information Center). Основные параметры землетрясений приведены в табл. 4.4.
