Пирс в 1883 году обнаружил, что выемки, сделанные в его маятниках для вставки хвостовиков, несущих призмы, привели к изгибу стержня маятника. [98] Экспериментально он также обнаружил еще больший изгиб у маятника Репсольда. Чтобы устранить этот источник погрешности, Пирс спроектировал маятник с призмами, выступавшими с каждой стороны цилиндрического стержня, и получил разрешение от суперинтенданта Береговой и геодезической службы организовать изготовление таких маятников Готье в Париже. Пирс, который составил свои планы по согласованию с Готье, был отозван домой до завершения изготовления маятников, и эти новые приборы остались недоставленными.
В мемуаре под названием «Влияние изгиба маятника на период его колебаний» [99] Пирс аналитически определил влияние на период маятника с одним упругим соединением между двумя жесткими частями стержня. Таким образом, Пирс экспериментально обнаружил изгиб стержня и вывел для упрощенного случая влияние на период. Неизвестно, нашел ли он когда-либо интегрированный эффект континуума упругих соединений в маятнике. Лоренцони в 1896 году предложил решение этой проблемы, а Альманси в 1899 году дал расширенный анализ. После независимого открытия проблемы в Геодезическом институте д-р Хельмерт занялся этим вопросом и подверг критике теории Пирса и Лоренцони. Затем он изложил собственную теорию изгиба в исчерпывающем мемуаре. [100] Учитывая прежнее пренебрежение изгибом стержня маятника при обработке наблюдений, Хельмерт распорядился, чтобы Геодезический институт выполнил новое абсолютное определение интенсивности силы тяжести в Потсдаме. Для этой цели Кюнен и Фуртвенглер использовали следующие оборотные маятники, изготовленные фирмой А. Репсольда сыновей в Гамбурге:
1. Секундный маятник Геодезического института, приобретенный в 1869 году.
2. Секундный маятник из Астрономической обсерватории Падуи.
3. Тяжелый секундный маятник из Императорского и королевского военно-географического института Вены.
4. Легкий секундный маятник из Императорского и королевского военно-географического института.
5. 1/2-секундный оборотный маятник Геодезического института, приобретенный в 1892 году.
Работа началась в 1898 году, и в 1906 году Кюнен и Фуртвенглер опубликовали свой фундаментальный мемуар «Bestimmung der Absoluten Grösze der Schwerkraft zu Potsdam mit Reversionspendeln».
Ускорение силы тяжести в маятниковой комнате Геодезического института было определено как 981,274 ± 0,003 см/с2. Принимая во внимание исключительно тщательное и детальное определение в Институте, Потсдам был принят в качестве мировой базы для абсолютного значения интенсивности силы тяжести. Абсолютное значение силы тяжести на какой-либо другой станции по потсдамской системе определялось по времени качания неизменяемого маятника на этой станции и в Потсдаме из соотношения T12 / T22 = g2 / g1. Так, в 1900 году ассистент Г. Р. Патнэм из Береговой и геодезической службы качал маятники Менденхолла на вашингтонской базе и в Потсдаме и путем переноса из Потсдама определил интенсивность силы тяжести на вашингтонской базе как 980,112 см/с2. [101] В 1933 году лейтенант Э. Дж. Браун выполнил сравнительные измерения с усовершенствованным аппаратом и увеличил значение на вашингтонской базе до 980,118 см/с2. [102]
Ввиду расхождений между результатами различных относительных определений Береговая и геодезическая служба в 1928 году обратилась к Национальному бюро стандартов с просьбой выполнить абсолютное определение для Вашингтона. Хейл и Кук использовали оборотные маятники из плавленного кварца (silica) с периодом около 1 секунды. Их результат, опубликованный в 1936 году, был истолкован как свидетельство того, что значение в Потсдаме было завышено на 20 частей на 1 миллион. [103] Эта оценка была немного снижена сэром Гарольдом Джеффрисом из Кембриджа (Англия), который пересчитал результаты Хейла и Кука другими методами. [104]
Рисунок 31. Карта, показывающая распределение гравиметрических станций по территории Соединенных Штатов по состоянию на декабрь 1908 года.
Рисунок 32. Карта, показывающая распределение гравиметрических станций по территории Соединенных Штатов в 1923 году.
В 1939 году Дж. С. Кларк опубликовал результаты определения силы тяжести с помощью маятников из цветного Y-сплава [105] в Национальной физической лаборатории в Теддингтоне (Англия), и после пересчета результатов Джеффрисом было обнаружено, что это значение на 12,8 частей на 1 миллион меньше значения, полученного путем переноса из Потсдама. Д-р Хью Л. Драйден из Национального бюро стандартов и д-р А. Беррот из Геодезического института в Потсдаме пересчитали потсдамские данные с помощью различных методов уравнивания и пришли к выводу, что потсдамское значение было завышено примерно на 12 частей на миллион. [106] Определение силы тяжести в Ленинграде российскими учеными также показало, что потсдамское значение 1906 года является завышенным. В свете современной информации для целей сравнения представляется оправданным уменьшить потсдамское значение 981,274 на 0,013 см/с2. Если бы перенос из Потсдама, выполненный Брауном в 1933 году, был принят за точный, значение для вашингтонской базы составило бы 980,105 см/с2. В связи с этим представляет интерес отметить, что значение, приведенное Чарльзом С. Пирсом для сопоставимой Смитсоновской базы в Вашингтоне, определенное им с помощью сравнительных методов в 1880-х годах и опубликованное в «Annual Report of the Superintendent of the Coast and Geodetic Survey for the year 1890-1891», составляло 980,1017 см/с2. [107] Это значение, судя по всему, указывает на то, что маятники, наблюдения и методы обработки данных Пирса не уступали таковым у ученых Королевского прусского геодезического института в Потсдаме.
Сомнения в точности потсдамского значения силы тяжести стимулировали проведение множества новых определений интенсивности силы тяжести после окончания Второй мировой войны. В статье, опубликованной в июне 1957 года, А. Х. Кук из Отдела метрологии Национальной физической лаборатории в Теддингтоне (Англия) заявил:
В настоящее время около десятка новых абсолютных определений находятся в стадии реализации или планируются. Аппарат с оборотным маятником Хейла и Кука используется в Буэнос-Айресе, а дальнейшие эксперименты с оборотным маятником были проведены во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологии в Ленинграде (ВНИИМ) и планируются в Потсдаме. Метод с использованием очень длинного маятника был опробован в России около 1910 года и снова сравнительно недавно, и имеются планы проведения аналогичных работ в Финляндии. Первый эксперимент со свободно падающим телом был проведен Воле детектив(...)/Воле, который сфотографировал падающую шкалу с делениями в кожухе при низком давлении воздуха. Аналогичные эксперименты завершены в Ленинграде и проводятся в Физико-техническом федеральном ведомстве (Брауншвейг) и в Национальном исследовательском совете (Оттава), а похожие эксперименты подготавливаются в Национальной физической лаборатории и в Национальном бюро стандартов. Наконец, профессор Меди, директор Национального института геофизики (Рим), пытается измерить фокусное расстояние параболоидной поверхности жидкости в вращающейся чаше. [108]
Применение гравиметрических съемок
Ранее мы отмечали, что в древности и в ранний период нового времени предполагалось, что Земля имеет сферическую форму. Определение фигуры Земли заключалось в измерении радиуса астрономо-геодезическим методом, изобретенным Эратосфеном. Поскольку предполагалось, что Земля сферическая, делался вывод о постоянстве силы тяжести по поверхности Земли. Этот вывод казался подтвержденным определениями длины секундного маятника на различных станциях в Европе Пикаром и другими. Наблюдения Рише в Южной Америке, теоретические дискуссии Ньютона и Гюйгенса и измерения градусов широты в Перу и Швеции продемонстрировали, что Земля представляет собой сплюснутый сфероид.
Рисунок 33. Гравитационные характеристики земного шара. Из измерений силы тяжести можно сделать выводы о распределении масс внутри Земли. На этом глобусе показаны всемирные вариации силы тяжести в том виде, в каком они предстают сейчас по результатам наблюдений на море (на подводных лодках), а также на суше. Глобус основан на данных Института геодезии Университета штата Огайо.
Теория тяготения и теория центральных сил привели к выводу, что интенсивность силы тяжести непостоянна на поверхности Земли. Соответственно, определения интенсивности силы тяжести приобрели ценность для геодезиста как средство определения фигуры Земли. Ньютон на основе имевшихся в его распоряжении скудных данных вычислил сжатие Земли как 1/230 (сжатие определяется как (a - b)/a, где a — экваториальный радиус, а b — полярный радиус). Наблюдения интенсивности силы тяжести проводились во время исторических экспедиций в Перу и Швецию. Бугье и Кондамин обнаружили, что на экваторе на уровне моря секундный маятник на 1,26 парижской линии короче, чем в Париже. Мопертюи обнаружил, что в северной Швеции определенные маятниковые часы спешили на 59,1 секунды в сутки по сравнению с их ходом в Париже. Затем Клеро, исходя из предположения, что Земля является равновесным сфероидом, вывел теорему, из которой сжатие Земли может быть получено из значений интенсивности силы тяжести.
Рисунок 34. Экспозиция маятниковых аппаратов в Смитсоновском институте. Подвес на стене, слева направо: неизменяемые маятники Менденхолла (1/2-секундный), Пирса (1873–1874) и Пирса (1881–1882); двойной маятник Эдварда Кюбеля (см. рис. 15, с. 319) и оборотный маятник Пирса. На витрине слева направо: вакуумная камера, телескоп и мигающий аппарат для 1/4-секундного аппарата Менденхолла. Ниже показаны четыре маятника, использовавшиеся с аппаратом Менденхолла; к правому из них прикреплен термометр. Внизу справа показан упомянутый в тексте аппарат Gulf (крышка снята) с одним кварцевым маятником.
В начале XIX века стали проводиться систематические ряды наблюдений с целью определения интенсивности силы тяжести на станциях по всему миру. Неизменяемые маятники Кейтера, экземпляры которых в количестве 13 штук упоминаются в литературе, использовались в гравиметрических съемках Кейтером, Сабином, Голдингемом и другими британскими исследователями, качавшими маятники. Как отмечалось ранее, неизменяемый маятник Кейтера использовался адмиралом Литке из России в кругосветном путешествии. Французы также направляли экспедиции для определения значений силы тяжести. После нескольких десятилетий относительного затишья капитаны Басеви и Хевисайд из Индийской съемки выполнили важную серию наблюдений с 1865 по 1873 год с помощью неизменяемых маятников Кейтера и российских маятников Репсольда — Бесселя. В 1881–1882 годах майор Дж. Гершель качал неизменяемые маятники Кейтера № 4, 6 (1821) и 11 на станциях в Англии, а затем привез их в Соединенные Штаты для проведения наблюдений, которые связали бы американские и английские базовые станции. [109]
Обширные ряды наблюдений силы тяжести обеспечили основу для вычислений сжатия Земли. Полковник А. Р. Кларк в своей книге «Геодезия» (Лондон, 1880) вычислил по результатам гравиметрических съемок сжатие, равное 1/(292,2 ± 1,5). Представляет интерес вычисление Чарльза С. Пирса, который использовал только определения, выполненные с помощью неизменяемых маятников Кейтера и исправленные за высоту, атмосферное действие и расширение маятника от температуры. [110] Он вычислил сжатие Земли как 1/(291,5 ± 0,9).
XIX век ознаменовался кульминацией эллипсоидальной эпохи геодезии, но быстрое накопление данных позволило получить более точное приближение фигуры Земли с помощью геоида. Геоид определяется как средний уровень моря, мысленно продолженный сквозным образом через материки. Основой геодезических вычислений, однако, служит референц-эллипсоид, для которого формула силы тяжести выражает значение нормальной силы тяжести в точке на эллипсоиде как функцию силы тяжести на уровне моря на экваторе и широты. Генеральная ассамблея Международного геодезического и геофизического союза, учрежденного после Первой мировой войны для продолжения работы Международного измерения дуг меридиана (Die Internationale Erdmessung), приняла в 1924 году международный референц-эллипсоид, [111] сжатие (flattening) которого равно значению Хейфорда 1/297. В 1930 году генеральная ассамблея приняла согласованную Международную формулу силы тяжести вида γ = γE (1 + β(sin2 φ) + ε(sin2 2φ)), где γ — нормальная сила тяжести на широте φ, γE — значение силы тяжести на уровне моря на экваторе, β — параметр, вычисляемый на основе теоремы Клеро по значению сжатия меридиана, а ε — константа, получаемая теоретическим путем. Отвес перпендикулярен геоиду, а компоненты угла между перпендикулярами к геоиду и референц-эллипсоиду представляют собой уклонения отвеса. Геоид располагается выше референц-эллипсоида под горами и ниже эллипсоида над океанами, где геоид совпадает со средним уровнем моря. В физической геодезии гравиметрические данные используются для определения геоида и компонентов уклонений отвеса. Для этой цели необходимо привести наблюдаемые значения силы тяжести к уровню моря с помощью различных поправок, таких как поправка за свободный воздух, поправка Бугье и изостатические поправки. Если g0 — наблюдаемая сила тяжести, приведенная к уровню моря, а γ — нормальная сила тяжести, полученная из Международной формулы силы тяжести, то Δg = g0 - γ представляет собой аномалию силы тяжести. [112]
В 1849 году Стоксом была выведена теорема, согласно которой расстояние N геоида от референц-эллипсоида может быть получено путем интегрирования аномалий силы тяжести по поверхности Земли. Венинг Мейнес дополнительно вывел формулы для вычисления компонентов уклонения отвеса.
Геометрическая геодезия, которая базировалась на астрономо-геодезических методах, могла дать информацию только о внешней форме фигуры Земли. Гравиметрические методы физической геодезии в сочетании с такими методами, как сейсмология, позволяют ученым проверять гипотезы относительно внутреннего строения Земли. Хейсканен и Венинг Мейнес резюмируют современные достижения гравиметрического метода физической геодезии, заявляя, [113] что только он один может дать:
1. Сжатие референц-эллипсоида.
2. Ундурации N геоида.
3. Компоненты уклонения отвеса ζ и η в любой точке, включая океаны и острова.
4. Приведение существующих геодезических систем к единой мировой геодезической системе.
5. Редукцию базисных линий триангуляции от геоида к референц-эллипсоиду.
6. Исправление ошибок триангуляции в горных районах, обусловленных влиянием уклонений отвеса.
7. Геофизические применения измерений силы тяжести, например, изостатическое изучение земных недр и разведку нефтяных и рудных месторождений.
С помощью астрономических наблюдений или существующих триангуляций гравиметрический метод может достичь и других результатов. Хейсканен и Венинг Мейнес заявляют:
Авторы глубоко убеждены, что гравиметрический метод является наилучшим из существующих методов решения главных задач геодезии, а именно: определения формы геоида как на материках, так и на море и приведения существующих геодезических систем к мировой геодезической системе. Он также может оказать неоценимую помощь в вычислении референц-эллипсоида. [114]
Резюме
С момента создания классической механики в XVII веке маятник служил основным прибором для определения интенсивности силы тяжести, которая выражается как ускорение свободно падающего тела. Основой теории является простой маятник, время колебания которого под действием силы тяжести пропорционально квадратному корню из длины, деленной на ускорение свободного падения. Поскольку длина простого маятника, деленная на квадрат времени его колебания, равна длине маятника, отбивающего секунды, интенсивность силы тяжести также выражалась через длину секундного маятника. Оборотный составной маятник служил для абсолютного определения силы тяжести с помощью теории, разработанной Гюйгенсом. Неизменяемые составные маятники с одной осью также использовались для определения относительных значений силы тяжести по сравнительному времени колебаний.
История гравитационных маятников начинается с шарового или «простого» маятника Галилея как приближения к идеальному простому маятнику. Определения длины секундного маятника французскими учеными завершились историческим определением в Париже Борда и Кассини на основе исправленных наблюдений с длинным шаровым маятником. В XIX веке Бессель нашел длину секундного маятника в Кенигсберге и Берлине с помощью наблюдений с шаровым маятником и на основе оригинальных теоретических соображений. Однако в течение этого столетия составной маятник стал предпочтительным для абсолютных и относительных определений.
Капитан Генри Кейтер в Лондоне сконструировал первый оборотный составной маятник для абсолютного определения силы тяжести, а затем разработал неизменяемый составной маятник, экземпляры которого использовались для относительных определений на различных станциях в Европе и других местах. Бессель теоретически продемонстрировал преимущества оборотного составного маятника, который имеет симметричную форму и подвешен на взаимозаменяемых призмах. Фирма А. Репсольда сыновей в Гамбурге сконструировала маятники по спецификациям Бесселя для европейских гравиметрических съемок.
Чарльз С. Пирс в 1875 году получил в Гамбурге маятник Репсольда — Бесселя для Береговой службы США и проводил с ним наблюдения в Женеве, Париже, Берлине и Лондоне. По первоначальному толчку от Байера, основателя организации «Die Europäische Gradmessung», Пирс экспериментально и теоретически доказал, что результаты, ранее полученные с помощью аппарата Репсольда, требуют исправления из-за изгиба штатива под воздействием колебаний маятника. На Штутгартской конференции геодезической ассоциации в 1877 году Эрве Фай предложил решить проблему изгиба путем качания двух подобных маятников на одной опоре с равными амплитудами и в противоположных фазах. Пирс в 1879 году теоретически доказал надежность этого метода и представил проект его применения, но «двойной маятник» был отвергнут в то время. Пирс также спроектировал и изготовил четыре экземпляра маятника нового типа — неизменяемого оборотного маятника цилиндрической формы, что позволило провести экспериментальное исследование теории Стокса о сопротивлении движению маятника в вязкой жидкости. Комендант Деффорж из Франции также спроектировал и использовал цилиндрические оборотные маятники, но иной длины, так что влияние изгиба устранялось при обработке наблюдений. Майор Роберт фон Штернек из Австро-Венгрии положил начало новой эре в исследованиях силы тяжести, изобретя аппарат с коротким маятником для относительных определений силы тяжести. В Европе тогда были сконструированы штативы, на которых одновременно подвешивались два или четыре маятника. Наконец, в начале текущего века Венинг Менейс обнаружил, что метод Файя — Пирса с качанием маятников на четырехмаятниковом штативе Штюкрата решает проблему нестабильности из-за подвижности грунта в Голландии.