Gravimetría

La gravimetría es la medición de la intensidad de un campo gravitatorio . Puede utilizarse cuando interesa tanto la magnitud de un campo gravitatorio como las propiedades de la materia responsables de su creación. El estudio de los cambios gravitatorios pertenece a la geodinámica .

La gravedad se suele medir en unidades de aceleración . En el Sistema Internacional de Unidades (SI) , la unidad estándar de aceleración es el metro por segundo al cuadrado (m/s² ⁾ . Otras unidades incluyen el galio cgs (a veces conocido como galileo , en ambos casos con el símbolo Gal), que equivale a 1 centímetro por segundo al cuadrado, y la g ( g _n ), que equivale a 9,80665 m/s² ^. El valor de la g _n se define como aproximadamente igual a la aceleración debida a la gravedad en la superficie terrestre , aunque la aceleración real varía ligeramente según la ubicación. 

Un gravímetro es un instrumento que se utiliza para medir la aceleración gravitatoria . Toda masa tiene un potencial gravitatorio asociado. El gradiente de este potencial es una fuerza. Un gravímetro mide esta fuerza gravitatoria.

Para un cuerpo pequeño , la relatividad general predice efectos gravitatorios indistinguibles de los efectos de la aceleración por el principio de equivalencia . Por lo tanto, los gravímetros pueden considerarse acelerómetros de propósito especial . Muchas balanzas pueden considerarse gravímetros simples. En una forma común, se utiliza un resorte para contrarrestar la fuerza de gravedad que tira de un objeto. El cambio en la longitud del resorte puede calibrarse a la fuerza necesaria para equilibrar la atracción gravitatoria. La medición resultante puede hacerse en unidades de fuerza (como el newton ), sin embargo, los gravímetros muestran sus mediciones en unidades de gals (cm/s² ⁾ , ^{[ a ]} y partes por millón, partes por billón o partes por billón de la aceleración vertical promedio con respecto a la Tierra.

Aunque de diseño similar a otros acelerómetros, los gravímetros suelen diseñarse para ser mucho más sensibles. Sus primeros usos fueron para medir los cambios en la gravedad debidos a las variaciones en la densidad y distribución de las masas dentro de la Tierra, así como a las variaciones temporales de las mareas en la forma y distribución de la masa en los océanos, la atmósfera y la Tierra.

La resolución de los gravímetros se puede aumentar promediando las muestras durante períodos más largos. Las características fundamentales de los gravímetros son la precisión de una sola medición (una sola muestra ) y la frecuencia de muestreo .

${\displaystyle {\text{Resolución}}={{\text{Resolución de Medición Única}} \over {\sqrt {\text{Número de Muestras}}}}}$^{[ b ]}

Por ejemplo:

${\displaystyle {\text{Resolución por minuto}}={{\text{Resolución por segundo}} \over {\sqrt {60}}}}$

Además de la precisión , la estabilidad también es una propiedad importante para un gravímetro, ya que permite monitorizar los cambios de gravedad . Estos cambios pueden ser el resultado de desplazamientos de masa dentro de la Tierra o de movimientos verticales de la corteza terrestre sobre la que se realizan las mediciones. ^{[ c ]}

Los primeros gravímetros fueron acelerómetros verticales , especializados en medir la aceleración constante de la gravedad hacia abajo en la superficie terrestre. La gravedad vertical de la Tierra varía de un lugar a otro en su superficie en aproximadamente ±0,5%. Varía en aproximadamente ^± 1000 nm / s² ( nanómetros por segundo al cuadrado) en cualquier lugar debido a los cambios en la posición del Sol y la Luna con respecto a la Tierra.

La mayoría de los gravímetros modernos utilizan resortes de longitud cero, de metal o cuarzo, diseñados especialmente para sostener la masa de prueba. La propiedad especial de estos resortes es que el período de resonancia natural de oscilación del sistema masa-resorte puede ser muy largo , llegando a aproximarse a mil segundos. Esto aísla la masa de prueba de la mayoría de las vibraciones locales y el ruido mecánico, aumentando la sensibilidad y la utilidad del gravímetro. Se eligen resortes de cuarzo y metal por diferentes razones: los de cuarzo se ven menos afectados por los campos magnéticos y eléctricos, mientras que los de metal presentan una deriva mucho menor debido a la elongación con el tiempo. La masa de prueba se sella en un recipiente hermético para que las pequeñas variaciones de la presión barométrica causadas por el viento y otras condiciones climáticas no alteren su flotabilidad en el aire. Los gravímetros de resorte son, en la práctica, instrumentos relativos que miden la diferencia de gravedad entre diferentes ubicaciones. Un instrumento relativo también requiere calibración mediante la comparación de las lecturas tomadas en ubicaciones con valores absolutos de gravedad conocidos. 

Los gravímetros absolutos proporcionan dichas mediciones determinando la aceleración gravitatoria de una masa de prueba en el vacío. Se deja caer libremente una masa de prueba dentro de una cámara de vacío y su posición se mide con un interferómetro láser y se cronometra con un reloj atómico . La longitud de onda del láser se conoce con una precisión de ±0,025 ppb y el reloj es estable con una precisión de ±0,03 ppb. Se debe tener cuidado para minimizar los efectos de fuerzas perturbadoras como la resistencia residual del aire (incluso en el vacío), la vibración y las fuerzas magnéticas. Estos instrumentos son capaces de una precisión de aproximadamente 2 ppb o 0,002 mGal ^{[ 1 ]} y referencian su medición a patrones atómicos de longitud y tiempo. Su uso principal es para calibrar instrumentos relativos, monitorear la deformación de la corteza y en estudios geofísicos que requieren alta precisión y estabilidad. Sin embargo, los instrumentos absolutos son algo más grandes y significativamente más caros que los gravímetros de resorte relativos y, por lo tanto, son relativamente raros.    

Los gravímetros relativos se utilizan para comparar la gravedad entre diferentes lugares. Están diseñados para restar automáticamente la gravedad vertical promedio. Pueden calibrarse en un lugar donde se conoce la gravedad con precisión y luego transportarse al lugar donde se va a medir. También pueden calibrarse en unidades absolutas en su lugar de operación.

Gravímetros absolutos comerciales

Un tipo común de gravímetro portátil mide la aceleración de pequeñas masas en caída libre en el vacío mientras el acelerómetro está firmemente sujeto al suelo. La masa incluye un retrorreflector y termina en uno de los brazos de un interferómetro de Michelson . Al contar y cronometrar las franjas de interferencia , se puede medir la aceleración de la masa. ^{[ 4 ]} Un desarrollo más reciente es una versión de ascenso y descenso que lanza la masa hacia arriba y mide tanto el movimiento ascendente como el descendente. ^{[ 5 ]} Esto permite cancelar algunos errores de medición .

Los gravímetros absolutos se utilizan para la calibración de gravímetros relativos, la detección de anomalías gravitatorias (por ejemplo, vacíos) y el establecimiento de la red de control geodésico vertical .

Los métodos de interferometría atómica y de fuente atómica se utilizan para la medición precisa de la gravedad terrestre, y los relojes atómicos y los instrumentos diseñados específicamente para ello pueden utilizar mediciones de dilatación del tiempo para rastrear los cambios en el potencial gravitatorio y la aceleración gravitatoria en la Tierra.

La microgravimetría es una rama importante desarrollada a partir de la gravimetría clásica. Las investigaciones en microgravedad se realizan para resolver diversos problemas de geología de la ingeniería , principalmente la localización y el monitoreo de cavidades. Mediciones muy detalladas y de alta precisión permiten detectar cavidades de cualquier origen, siempre que su tamaño y profundidad sean suficientes para producir un efecto gravitatorio medible.

Jean Richer fue la primera persona en observar un cambio en la fuerza gravitatoria sobre la superficie de la Tierra.

El gravímetro moderno fue desarrollado por Lucien LaCoste y Arnold Romberg en 1936. También inventaron la mayoría de las mejoras posteriores, incluyendo el gravímetro naval en 1965, instrumentos resistentes a la temperatura para perforaciones profundas e instrumentos portátiles ligeros. La mayoría de sus diseños siguen en uso, con mejoras en la recopilación y el procesamiento de datos.

Actualmente, los parámetros del campo gravitatorio terrestre, tanto estáticos como variables en el tiempo, se determinan mediante misiones satelitales modernas, como GOCE , CHAMP , Swarm , GRACE y GRACE-FO . ^{[ 14 ] [ 15 ]} Los parámetros de menor grado, incluyendo el achatamiento de la Tierra y el movimiento del geocentro, se determinan mejor con mediciones láser satelitales . ^{[ 16 ]}

Las anomalías gravitatorias a gran escala pueden detectarse desde el espacio, como resultado de las misiones satelitales de medición de la gravedad. Estas misiones tienen como objetivo generar un modelo detallado del campo gravitatorio de la Tierra, que normalmente se presenta en forma de una expansión en armónicos esféricos del potencial gravitatorio terrestre, pero también se producen presentaciones alternativas, como mapas de ondulaciones del geoide o anomalías gravitatorias.

El experimento GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment ) consistió en dos satélites que detectaron cambios gravitacionales en la Tierra. Estos cambios se manifestaron como variaciones temporales de anomalías gravitacionales. El laboratorio GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory ) también consistió en dos naves espaciales que orbitaron la Luna durante tres años antes de su desorbitación en 2015.

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