Anomalie gradientu pionowego przyspieszenia siły ciężkości jako

Transkrypt

Anomalie gradientu pionowego przyspieszenia siły
ciężkości jako narzędzie do badania zmian o charakterze
hydrologicznym
Dawid Pruchnik
Politechnika Warszawska
16 września 2016
Cel pracy
Zbadanie możliwości użycia rzeczywistego gradientu pionowego
przyspieszenia siły ciężkości jako narzędzia do interpretacji geofizycznej w
zakresie zmian warunków środowiskowych w najbliższym sąsiedztwie
stanowiska;
W pomiarach geofizycznych gradient Wzz pełni funkcję dodatkowej
informacji pozwalającej na całościową interpretację obserwowanych zmian
Wz . Dodatkowe cechy związane głównie z niejednorodnością mas pod
stanowiskiem, "wewnątrz" mas Ziemi charakteryzują się zależnością od
gęstości oraz jej zmian, wynikających z np. ze zmian o charakterze
hydrologicznym;
Dodatkowe informacje byłyby nieocenione w przypadku pomiarów
absolutnych wartości przyspieszenia siły ciężkości na punktach podstawowej
osnowy grawimetrycznej.
Dawid Pruchnik (Politechnika Warszawska)
Anomalie gradientu pionowego przyspieszenia siły ciężkości jako narzędzie16do
września
badania
2016
zmian o1charakt
/ 16
Obserwacje zmian hydrologicznych metodami
grawimetrycznymi
Metody naziemne - przeważnie AG i SG;
Metody satelitarne - np. misja GRACE.
W tworzeniu globalnych modeli hydrologicznych uczestniczą głównie metody
satelitarne. Modele tego typu posiadają rozdzielczość przestrzenną 25km oraz
czasową 3h. Modele te definiują zawartość tzw. ekwiwalentu wód gruntowych,
np. GLDAS, WGHM.
września
badania
2016
zmian o2charakt
/ 16
Zmiana g wywołana efektem hydrologicznym
Zakładając, że pomiar przyspieszenia wykonamy na powierzchni Ziemi:
∆g
r s
4.2 σ P ∆H ,
(1)
r s
g
%
gdzie: σ - gęstość cm
3 , P - porowatość gleby (pojemność wodna) 100 ,
∆H - zmiana poziomu wody m .
r s
września
badania
2016
zmian o3charakt
/ 16
Przykład - Józefosław
września
badania
2016
zmian o4charakt
/ 16
Empiryczne określenie współczynnika zmiany poziomu wody
gruntowej i ciężkości
∆g
µGal
r
woda s 9, 67
∆h
m
(2)
września
badania
2016
zmian o5charakt
/ 16
Przykład - SG
września
badania
2016
zmian o6charakt
/ 16
Wpływ zmiany wilgotności na gradient pionowy - punkt na
powierzchni Ziemi [1]
W modelu płyty Bouguera o promieniu R, wysokości L dla punktu P znajdującego
się w osi symetrii walca, wartość zaburzenia gradientu wywołanego masą walca,
dla punktu znajdującego się na wysokości hp nad górną powierzchnią walca,
można opisać wzorem:
L
h
a 2p 2
Vzz 2π Gσ a
(3)
R
hp
R 2 p hp L q 2
Dla punktu znajdującego się na wysokości hp 0, czyli położonego na górnej
hp
powierzchni walca:
Vzz
2π G σ ?
L
R2
L2
(4)
września
badania
2016
zmian o7charakt
/ 16
Dla warstwy wody o gęstości σ
gradientu:
1000 mkg otrzymuje się wpływ na zmianę
Przy uwzględnieniu porowatości gleby P
3
0.25 dla Józefosławia:
września
badania
2016
zmian o8charakt
/ 16
Możliwość wykrycia zmian wilgotności, w kontekście przedstawionej analizy dokładności,
przeprowadzona będzie w oparciu o model GLDAS i parametr TWS (Total Water Storage)
określony dla czterech warstw (layer 1, 2, 3, 4) w ujęciu jednego roku dla modelu o
miesięcznej rozdzielczości czasowej dla Józefosławia.
września
badania
2016
zmian o9charakt
/ 16
Przeliczając zawartość TWS na
zmianę dg w określonych warstwach uzyskano:
Przeliczając na zmiany gradientu
względem epoki wyjściowej
2015.04 uzyskano:
Anomalie gradientu pionowego przyspieszenia siły ciężkości jako narzędzie
16 do
września
badania
2016
zmian 10
o charakt
/ 16
Wpływ wilgotności na gradient pionowy - punkt wewnątrz
Ziemi [1]
Mierząc gradient wewnątrz mas Ziemi mamy do czynienia z wpływem
wynikającym ze zmiany redukcji Poincarego-Preya pochodzącej ze zmiany
rozkładu mas pomiędzy poziomami pomiaru. Skoro:
p0.30855 2 0.04192 σq H
(5)
to mierząc różnicę przyspieszenia wewnątrz mas dg RPP pomiędzy poziomami
RPP
o różnicy wysokości H otrzymujemy:
σ
0.30855 H
dg0.08384
H
(6)
16 do
września
badania
2016
zmian 11
o charakt
/ 16
Wpływ wilgotności na gradient pionowy - punkt wewnątrz
Ziemi [2]
Im mniejsze będzie przewyższenie pomiędzy obserwowanymi punktami, tym większy
będzie błąd wyznaczenia gradientu. Przyjmując, że
mdh
dg
dh
3.08 µcmGal , m∆g 2µGal ,
1mm, obliczono wpływ błędów pomiaru różnicy ciężkości i przewyższenia na błąd
wyznaczenia gradientu:
Z tabeli wynika, że operowanie wartościami gradientu wyznaczonymi na różnych nawet
wysokościach na podstawie niewielkich przewyższeń nie jest wiarygodne, zatem należy
mierzyć gradientu pionowy przy różnicy wysokości co najmniej jednego metra.
16 do
września
badania
2016
zmian 12
o charakt
/ 16
Eksperyment [1]
Obiekt: Obserwatorium Astronomiczno-Geodezyjne w Józefosławiu;
Pomiary rzeczywistego gradientu pionowego w dwóch różnych epokach
(15.06.2016 oraz 12.08.2016);
Pomiary wilgotności gleby na poziomie gruntu oraz 0,5 metra poniżej gruntu
w pięciu punktach wokół budynku Obserwatorium;
Odczyty głębokości tafli wód gruntowych;
Pomiar na punkcie podstawowej osnowy grawimetrycznej w Józefosławiu;
Instrument wykorzystany do eksperymentu - LaCoste&Romerg G-986
(feedback).
16 do
września
badania
2016
zmian 13
o charakt
/ 16
Eksperyment [2]
Pomiar wilgotności:
Epoka I: 13%
Epoka II: 8%
Pomiar poziomu wody gruntowej:
Epoka I: -11.57m
Epoka II: -11.75m
Pomiar gradientu pionowego:
Epoka I: -252.5
Epoka II: -248.6
µGal
m
µGal
m
16 do
września
badania
2016
zmian 14
o charakt
/ 16
Eksperyment [3]
Z analizy wpływu zmiany poziomu wód gruntowych na gradient pionowy wynika,
że jej wpływ w eksperymencie jest znikomy, znacznie poniżej dokładności
pomiaru.
Dzięki uzyskanym wartościom pomierzonego gradientu pionowego możemy
określić gęstość utworów wokół stanowiska pomiarowego ze wzoru (6) w obu
epokach pomiarowych. Zmiana gradientu przekłada się na różnicę gęstości,
którą można interpretować jako różnicę w ilości wody zawartej w glebie.
W eksperymencie różnica gęstości dla obu epok wyniosła
47 mkg .
3
Przekładając to na wilgotność gleby można uznać, że spadła ona o 4,7%.
Wynik ten jest bardzo podobny do tego uzyskanego z pomiarów wilgotności za
pomocą czujników.
16 do
września
badania
2016
zmian 15
o charakt
/ 16
Wnioski
Z analizy parametru TWS wynika, że najlepiej mierzyć zmianę gradientu na
poziomie gruntu lub niewiele poniżej tego poziomu (do 100 cm pod
powierzchnią);
Przy tego typu podejściu zmiana poziomu wody gruntowej jest
niewykrywalna;
Przydatność informacji w postaci zmiany gradientu pionowego do ewaluacji
wpływu efektów hydrologicznych na pomiar absolutny przyspieszenia jest
nieoceniona;
Należałoby uwzględnić fakt, iż pomiary odbywały się w piwnicy, więc efekt
jest śledzony z odległości około 4 metrów;
Kolejne epoki dla pełnej analizy dokładności;
Uwzględnienie pomiarów absolutnych przyspieszenia;
Planowany eksperyment - 2 sensory, jeden na poziomie "0" (LCR G-986),
drugi na poziomie -6m (LCR ET26), pomiar ciągły w ujęciu miesiąca.
16 do
września
badania
2016
zmian 16
o charakt
/ 16

Anomalie gradientu pionowego przyspieszenia siły ciężkości jako

Transkrypt

Podobne dokumenty

Pionowy gradient przyspieszenia w systemach niwelacji O

Zapytanie ofertowe na dwa termocyklery niezależne lub w systemie

PARP: Portal Innowacji – Zawód z przyszłością

Napis ze złotego piasku - Photoshop

Szklany przycisk - Gimp

Zbigniew Jan Grabowski Prof. zw. dr hab. inż. ur. 08.03.1930 r

w konkursie fotograficznym i JEGO ŚWIAT

Życiorys zawodowy Członka Zarządu

Program MiT 2016_28 kwietnia 2016 (002)