Gravitační anomálie a gravimetrie

27. říjen 2009 | 06.00 |

Na naší planetě se podle "záhadologů" vyskytují místa s takzvanou gravitační anomálií.Mezi ně patří místo u Moravské Třebové (49°45'8.462"N, 16°35'44.991"E), kde se prý odbržděná auta pohybují do kopce stejně jako na zem položená PET lahev. Další takové místo je u  řeckého městečka Livitra, kam dokonce posílají cestovní kanceláře své zájezdy, aby pozorovaly samovolnou jízdou automobilů do kopce či spontánní zastavení kutálející se koule z kopce. Podobné místo je na Filipínách, kde v televizní reportáži ukazovali jak po silnici obklopené lesem se pohybovali cyklisté bez šlapání do kopce či auta s vypnutým motorem i malé autobusy údajně jely do kopce. Po zemi do kopce kutálely prázdné láhve. Naopak z kopce cyklisté jedoucí bez šlapání zastavovali.Další magická místa s touto vlastností jsou Mystery Spot v Kalifornii u Santa Cruz, v Oregonu - tzv. Oregonský vortex, Japonsku a v Kanadě i 30 km od Říma na místě nazvaném Hlava světa. Při jízdě autem po Moravě bych i já přísahal, že znám další místa, kde to auto jede do "kopce" samo.

Takovéto chování těles je vysvětlováno nejrůznějšími způsoby. Za samovolnou jízdou automobilů do kopce je prý zvláštní skladba podloží, zejména zvýšený obsah železa a tedy působené magnetického pole. Jak však vysvětlit kutálení plastikových lahví, které je zachyceno na videu nebo skleněných lahví na Filipínách? Nejspíše nepůjde o gravitační anomálii, ale o pouhý optický klam. Vodováha položená v reportáži na silnici ve směru jejího údajného sklonu a následující střih kamery vypadají nejspíše na podařený aprílový či silvestrovský žertík. Na vodu ve vodováze přitom gravitace musí působit stejně jako na auto. 

A co je to vlastně ta gravitační anomálie? Projevuje se stále nebo jen někdy či její intenzita kolísá? Co vlastně anomálii způsobuje? Následná studie Petra Bartoše se zaměříla na vysvětlení gravimetrie a gravitačního mapování.

Gravitační síly jsou nejslabší ze 4 základních fyzikálních interakcí, a přesto jsou to ony, které určují strukturu galaxií, hvězd i planety Země. Měřením a systematickým studiem zemského tíhového pole, které významně ovlivňuje řadu procesů v zemském tělese, na zemském povrchu i v atmosféře se zabývá gravimetrie. Gravimetrie zkoumá tíhové pole Země za účelem vymezení hustotních nehomogenit v zemské kůře. V geodézii jsou výsledky tíhových měření využívány k určení geoidu, což je plocha konstantního tíhového potenciálu, která splývá s klidnou hladinou světových oceánů.

Fyzikální podstatou gravimetrie je Newtonův gravitační zákon. Tíhová síla působící na těleso na povrchu Země je výslednice gravitační síly a setrvačné síly odstředivé, dané neinercialitou způsobenou rotací Země. Už Isaac Newton vypočítal, že díky rotaci kolem vlastní osy musí mít Země tvar rotačního elipsoidu, jehož rovníková poloosa je větší než polární poloosa. Newtonem stanovená hodnota zploštění Země je (a–c)/a = 1/230, což je hodnota velmi blízká zploštění stanovenému současnými metodami kosmické geodézie f = 1/298,2572. Rozpracování a zobecnění Newtonových výpočtů, zejména v 19. a 20. století vedlo k definici referenčního hladinového elipsoidu – tzv. normální Země.

První správné určení velikosti tíhového zrychlení je připisováno Galileimu, který v roce 1590 určil metodou volného pádu hodnotu g = 9,8 m.s-2. V gravimetrii se na jeho počest stále používá jednotka 1 Gal = 10-2 m.s-2.Metoda volného pádu je i v současné době nejpřesnější metodou pro měření absolutní velikosti tíhového zrychlení. Podrobná tíhová měření v terénu jsou však realizována pomocí snadno přenosných gravimetrů, což jsou pružinové systémy umožňující relativní určení tíže s přesností až 10-8 m.s-2. Jsou to tak citlivé přístroje, že nepřichází v úvahu, aby byly drženy v ruce a proto odhalí mnohem větší odchylky než senzibilové či další proutkaři s virgulí v ruce.

Rozdíl mezi měřeným tíhovým zrychlením a tíhovým zrychlením matematicko-fyzikálního modelu Země je nazýván tíhovou anomálií. Výsledky měření tíhového zrychlení jsou zobrazovány ve formě map vypočtených tíhových anomálií, které poskytují názornou představu o rozložení hustotních nehomogenit v zemské kůře.

Při určování tvaru Země je důležité mít na zřeteli, že více než 70 % zemského povrchu tvoří hladiny moří a oceánů, jejichž volná hladina je ekvipotenciální plochou zemského tíhového potenciálu. Již Newton dokázal, že rovnovážný stav otáčející se homogenní nestlačitelné kapaliny je rotační elipsoid s malým zploštěním. Newtonovy závěry zobecnil Clairaut, který odvodil vztah mezi tíhovým zrychlením a polohou tíhového bodu na povrchu elipsoidu i pro případ, kdy se hustota Země mění v radiálním směru. Pro gravimetrii měl Clairautův teorém zásadní význam, neboť jeho pomocí lze z tíhových měření vypočítat zploštění elipsoidu, kterým aproximujeme Zemi.

Gauss v roce 1828 definoval "matematický tvar Země" jako plochu konstantního tíhového potenciálu, která splývá s klidnou hladinou oceánů. Stokes ukázal, že pro rovnovážné rotující těleso ohraničené plochou konstantního tíhového potenciálu jeho vnější silové pole nezávisí na rozložení hmot v jeho nitru. Listing navrhl název geoid pro plochu konstantního tíhového potenciálu, která splývá s klidnou hladinou oceánů. Ortogonální trajektorie geoidu jsou siločáry tíhového pole, které jsou nazývány tížnicemi. Tvar geoidu je dán fyzikálními vlastnostmi Země a jejím silovým polem.

Skutečný povrch Země je matematicky nedefinovatelný, proto jej nahrazujeme referenčním

elipsoidem. Normální Zemí je nazýván rotační hladinový elipsoid, který má stejnou hmotu jako Země, stejnou úhlovou rychlost rotace a tíhový potenciál, na němž je roven tíhovému potenciálu na geoidu. Střed referenčního elipsoidu splývá s těžištěm Země. Referenční rotační hladinový elipsoid je určen 4 vhodně zvolenými konstantami. Světový geodetický referenční systém 1984 (WGS 84) je definován následujícími primárními konstantami:

- hlavní poloosa referenčního elipsoidu a = 6 378 137 m,

- geocentrická gravitační konstanta (součin gravitační konstanty a hmotnosti Země)
   GM = 3 986 005 ×108 m3.s-2,

- dynamické zploštění Země J2 =108 263 ×10-8,

- úhlová frekvence rotace Země ω = 7 292 115 ×10-11 rad.s-1,

Z uvedených charakteristik hladinového elipsoidu referenčního systému WGS 84 lze

vypočítat tíhové zrychlení na tomto elipsoidu. Gravimetrické mapy přinášejí geofyzikům velmi cenné informace o hustotních nehomogenitách zemské kůry a svrchního pláště. Kvantitativní interpretací gravimetrických map lze vymezit průběhy zlomových linií a vyhledávat struktury perspektivní pro výskyt ložisek ropy a zemního plynu a dalších

nerostných surovin. Plošnou integrací tíhových anomálií se v geodézii odvozuje průběh geoidu, který definuje nulovou hladinu pro určování výšek nad hladinou moře. Detailní znalost geoidu pod kontinenty umožňuje transformaci mezi výškami učenými GPS technologií a ortometrickými výškami určenými nivelací.

První ucelené gravimetrické mapování našeho státního území proběhlo v letech 1953 až 1961.

Výsledkem těchto prací bylo sestavení Gravimetrické mapy ČSSR v měřítku 1 : 200 000. Tato mapa vycházela z měření tíhového zrychlení na přibližně 50 000 tíhových bodech o průměrné vzdálenosti 2,5 km. Vzhledem ke značnému významu a ohlasu tohoto díla v geofyzikální i geodetické komunitě bylo rozhodnuto pokračovat v detailním gravimetrickém mapování se střední vzdáleností tíhových bodů 0,5 km, za použití přesnějších gravimetrů. Do současnosti bylo detailním gravimetrickým mapováním změřeno asi 300 000 tíhových bodů a pokryto přibližně 80 % území ČR.

Hlavní využití nacházejí gravimetrické mapy při výzkumu regionální geologické stavby, při

vyhledávání struktur perspektivních pro výskyt ložisek ropy a zemního plynu, při průzkumu uhelných pánví a rudních ložisek. Záporné tíhové anomálie jsou projevem svrchně korových sedimentárních hornin a granitoidů s přirozenými hustotami menšími než 2650 kg m-3. Kladné tíhové anomálie jsou projevem bazických a ultrabazických vyvřelých a metamorfovaných hornin, resp. těžkých granitoidů s přirozenými hustotami většími než 2700 kg.m-3. Hustotní modely geologické stavby jsou sestrojovány metodou gravimetrického modelování, kdy srovnáváme gravitační účinek hustotního modelu s tíhovou anomálií vypočtenou z měření tíhového zrychlení.

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 1 (8x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Komentáře

RE: Gravitační anomálie a gravimetrie zdenda* 29. 10. 2009 - 11:56
RE: Gravitační anomálie a gravimetrie luděk 06. 02. 2012 - 12:29
RE: Gravitační anomálie a gravimetrie milan zacha kučera 06. 03. 2012 - 09:34
RE: Gravitační anomálie a gravimetrie jirik 23. 12. 2012 - 23:04