قياس تدرج الجاذبية

قياس تدرج الجاذبية هو دراسة الاختلافات ( الشذوذ ) في مجال جاذبية الأرض من خلال قياسات التدرج المكاني لتسارع الجاذبية . موتر تدرج الجاذبية هو موتر 3x3 يمثل المشتقات الجزئية، على طول كل محور إحداثي ، لكل من المكونات الثلاثة لمتجه التسارع ( )، بإجمالي 9 كميات قياسية : ${\displaystyle g=[g_{x}g_{y}g_{z}]^{T}}$

${\displaystyle G=\nabla g={\begin{bmatrix}\partial {g_{x}}/\partial {x}&\partial {g_{x}}/\partial {y}&\partial {g_{x}}/\partial {z}\\\partial {g_{y}}/\partial {x}&\partial {g_{y}}/\partial {z}\\\partial {g_{z}}/\partial {x}&\partial {g_{z}}/\partial {y}&\partial {g_{z}}/\partial {z}\end{bmatrix}}}$

لها بعد مربع الزمن المتبادل ، بوحدات s ^-2 (أو m ⋅ m ^-1  ⋅ s ^-2 ).

يستخدم منقبو النفط والمعادن مقياس التدرج الجاذبي لقياس كثافة باطن الأرض ، وذلك عن طريق قياس معدل تغير تسارع الجاذبية بسبب خصائص الصخور الأساسية. ومن خلال هذه المعلومات، من الممكن بناء صورة للشذوذ تحت السطح والتي يمكن استخدامها بعد ذلك لاستهداف رواسب النفط والغاز والمعادن بشكل أكثر دقة. كما يستخدم أيضًا لتصوير كثافة عمود الماء ، عند تحديد موقع الأجسام المغمورة، أو تحديد عمق المياه ( قياس الأعماق ). يستخدم علماء الفيزياء مقاييس الجاذبية لتحديد الحجم والشكل الدقيق للأرض، كما أنها تساهم في تعويضات الجاذبية المطبقة على أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي.

قياسات الجاذبية هي انعكاس لجاذبية الأرض وقوتها المركزية وتسارع المد والجزر بسبب الشمس والقمر والكواكب والقوى الأخرى المطبقة. تقيس أجهزة قياس تدرج الجاذبية المشتقات المكانية لمتجه الجاذبية. المكون الأكثر استخدامًا وبديهيًا هو تدرج الجاذبية الرأسي، G _zz ، والذي يمثل معدل تغير الجاذبية الرأسية ( g _z ) مع الارتفاع ( z ). يمكن استنتاجه عن طريق فرق قيمة الجاذبية عند نقطتين تفصل بينهما مسافة رأسية صغيرة، l، والقسمة على هذه المسافة.

${\displaystyle G_{zz}={\partial g_{z} \over \partial z}\approx {g_{z}{\bigl (}z+{\tfrac {\ell }{2}}{\bigr )}-g_{z}{\bigl (}z-{\tfrac {\ell }{2}}{\bigr )} \over \ell }}$

يتم توفير قياسات الجاذبية من خلال أجهزة قياس التسارع التي يتم مطابقتها ومحاذاتها بمستوى عالٍ من الدقة.

وحدة تدرج الجاذبية هي eotvos (اختصارًا E)، والتي تعادل 10 ⁻⁹ s ⁻² (أو 10 ⁻⁴ m Gal /m). الشخص الذي يمشي على مسافة 2 متر سيعطي إشارة تدرج جاذبية تقارب E. يمكن للجبال أن تعطي إشارات بمئات Eotvos.

تقيس أجهزة قياس التدرج الكامل معدل تغير متجه الجاذبية في جميع الاتجاهات الثلاثة العمودية مما يؤدي إلى ظهور موتر تدرج الجاذبية (الشكل 1).

نظرًا لكونها مشتقات للجاذبية، فإن القدرة الطيفية لإشارات تدرج الجاذبية يتم دفعها إلى ترددات أعلى. وهذا يجعل عمومًا شذوذ تدرج الجاذبية أكثر محلية بالنسبة للمصدر من شذوذ الجاذبية. يقارن الجدول (أدناه) والرسم البياني (الشكل 2) بين استجابات g _z و G _zz من مصدر نقطي.

	الجاذبية ( g · z )	تدرج الجاذبية ( G zz )
إشارة	${\displaystyle {GM\,z \over (r^{2}+z^{2})^{3/2}}\times 10^{5}\;\left[{\text{mGal}}\right]}$	${\displaystyle {GM(r^{2}-2z^{2}) \over (r^{2}+z^{2})^{5/2}}\times 10^{9}\;\left[{\text{E}}\right]}$
إشارة الذروة ( r = 0)	${\displaystyle {GM \over z^{2}}\times 10^{5}}$	${\displaystyle {2GM \over z^{3}}\times 10^{9}}$
العرض الكامل عند الحد الأقصى للنصف	${\displaystyle 1.53\,z}$	${\displaystyle \approx z}$
الطول الموجي (λ)	${\displaystyle 3.07\,z}$	${\displaystyle 2\,z}$

وعلى العكس من ذلك، تتمتع قياسات الجاذبية بقوة إشارة أكبر عند التردد المنخفض، مما يجعلها أكثر حساسية للإشارات الإقليمية والمصادر العميقة.

إن قياس المشتق يضحي بالطاقة الكلية في الإشارة، ولكنه يقلل بشكل كبير من الضوضاء الناتجة عن اضطراب الحركة. على منصة متحركة، يكون اضطراب التسارع الذي يقيسه مقياسا التسارع متماثلاً بحيث عند تكوين الفرق، يتم إلغاؤه في قياس تدرج الجاذبية. هذا هو السبب الرئيسي لنشر مقاييس التدرج في المسوحات الجوية والبحرية حيث تكون مستويات التسارع أكبر من الإشارات ذات الأهمية بأضعاف. تستفيد نسبة الإشارة إلى الضوضاء بشكل أكبر عند التردد العالي (فوق 0.01 هرتز)، حيث تكون ضوضاء التسارع المحمولة جواً هي الأكبر.

تم استخدام قياس التدرج الجاذبي بشكل أساسي لتصوير الجيولوجيا تحت السطحية للمساعدة في استكشاف الهيدروكربون والمعادن. تم الآن مسح أكثر من 2.5 مليون كيلومتر خطي باستخدام هذه التقنية. ^[1] تسلط المسوحات الضوء على شذوذ الجاذبية التي يمكن أن تكون مرتبطة بالسمات الجيولوجية مثل حواجز الملح وأنظمة الصدع وهياكل الشعاب المرجانية وأنابيب الكمبرليت وما إلى ذلك. تشمل التطبيقات الأخرى اكتشاف الأنفاق والمخابئ ^{[2] ومهمة} GOCE الأخيرة التي تهدف إلى تحسين معرفة دوران المحيطات.

خلال سبعينيات القرن العشرين، بصفته أحد المسؤولين التنفيذيين في وزارة الدفاع الأمريكية، بدأ جون بريت تطوير مقياس التدرج الجاذبي لدعم نظام ترايدنت 2. وتم تكليف لجنة بالبحث عن تطبيقات تجارية لنظام Full Tensor Gradient (FTG) الذي طورته شركة Bell Aerospace (التي استحوذت عليها لاحقًا شركة Lockheed Martin ) وتم نشره على غواصات Trident من فئة Ohio التابعة للبحرية الأمريكية والمصممة للمساعدة في الملاحة السرية. ومع اقتراب الحرب الباردة من نهايتها، أصدرت البحرية الأمريكية التكنولوجيا السرية وفتحت الباب للتسويق الكامل للتكنولوجيا. وقد تم الكشف عن وجود مقياس التدرج الجاذبي بشكل مشهور في فيلم The Hunt for Red October الذي صدر عام 1990.

يوجد نوعان من أجهزة قياس تدرج الجاذبية من إنتاج شركة لوكهيد مارتن قيد التشغيل حاليًا: جهاز قياس تدرج الجاذبية ثلاثي الأبعاد (FTG؛ يُستخدم إما في طائرة ذات أجنحة ثابتة أو سفينة) ومقياس تدرج الجاذبية FALCON (نظام موتر جزئي مزود بثمانية أجهزة قياس تسارع ويُستخدم في طائرة ذات أجنحة ثابتة أو مروحية). يحتوي نظام FTG ثلاثي الأبعاد على ثلاثة أجهزة قياس تدرج الجاذبية (GGIs)، يتكون كل منها من زوجين متقابلين من أجهزة قياس التسارع مرتبة على قرص دوار مع اتجاه قياس في اتجاه الدوران.

مقياس التدرج الجاذبي الكهروستاتيكي

هذا هو مقياس التدرج الجاذبي المستخدم في مهمة GOCE التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية . وهو عبارة عن مقياس تدرج قطري ثلاثي المحاور يعتمد على ثلاثة أزواج من مقاييس التسارع التي يتم التحكم فيها بواسطة محرك سيرفو كهربائي ثابت.

مقياس التدرج الجاذبي ARKeX Exploration

إن جهاز قياس الجاذبية الاستكشافية (EGG) الذي طورته شركة ARKeX (وهي شركة لم تعد موجودة الآن) هو تطور للتكنولوجيا التي تم تطويرها في الأصل لوكالة الفضاء الأوروبية، ويستخدم مبدأين رئيسيين للموصلية الفائقة لتقديم أدائه: تأثير مايسنر ، الذي يوفر رفع كتل EGG المقاومة للتآكل وتكميم التدفق ، مما يمنح EGG ثباته المتأصل. وقد تم تصميم EGG خصيصًا لبيئات المسح عالية الديناميكية.

مقياس التدرج بمستشعر الشريط

يتكون مستشعر مقياس التدرج الجاذبي من Gravitec من عنصر استشعار واحد (شريط) يستجيب لقوى التدرج الجاذبي. وهو مصمم لتطبيقات الآبار الجوفية.

مقياس تدرج الجاذبية UWA

جهاز قياس الجاذبية بجامعة غرب أستراليا (المعروف أيضًا باسم VK-1) هو جهاز فائق التوصيل يستخدم تصميم المستجيب الرباعي المتعامد (OQR) استنادًا إلى أزواج من عوارض التوازن المدعومة بالانحناء الدقيق.

جهاز قياس الجاذبية Gedex

مقياس التدرج الجاذبي Gedex (المعروف أيضًا باسم مقياس التدرج الجاذبي المحمول جواً عالي الدقة، HD-AGG) هو أيضًا مقياس تدرج جاذبي من النوع OQR فائق التوصيل، ويعتمد على التكنولوجيا التي تم تطويرها في جامعة ماريلاند.

مقياس تدرج الجاذبية iCORUS

جهاز قياس تدرج الجاذبية iCORUS هو جهاز قياس تدرج الجاذبية المحمول جواً والذي يعتمد على التكنولوجيا التي تم تطويرها في شركة iMAR Navigation في ألمانيا.

أجهزة قياس التدرج الجاذبي باستخدام تكنولوجيا الكم

يتم حاليًا تطوير أجهزة قياس التدرج الجاذبي القائمة على تقنية الكم والتي تعتمد على قياس التداخل الذري من قبل عدد من الجامعات في جميع أنحاء العالم، وقد بدأت في الاستخدام في التطبيقات العملية. ^[3]

• تثبيت تدرج الجاذبية  – طريقة لتثبيت وتوجيه المركبات الفضائية المختلفة
• خريطة الجاذبية
• روبرت ل. فوروارد#Forward كاشف الكتلة  – فيزيائي وكاتب أمريكي (1932–2002)
• مقياس التسارع  – جهاز يقيس التسارع المناسب
• مبدأ التكافؤ  - الفرضية القائلة بأن الكتلتين القصورية والجاذبية متكافئتان
• قياس الجاذبية  – قياس قوة المجال الجاذبي
• الأجهزة  – أدوات القياس التي تراقب وتتحكم في عملية ما

• التطورات والتحديات في تطوير ونشر أنظمة قياس التدرج الجاذبي أرشيف 2015-06-26 على موقع واي باك مشين
• حمولة مهمة GOCE