Эффект Паунда-Ребки: на Запад утекает ещё одна Глонасс-технология
Несмотря на бытующее мнение, спутниковые системы геопозиционирования (глобальные навигационные спутниковые системы, ГНСС) – такие, как GPS и Глонасс – только лишь навигационными системами не являются. Круг их возможностей несравненно шире.
Фактически, они являются высокоточными координатными детекторами особого рода, использующими для восстановления информации о местоположении высокостабильные сигналы, излучаемые спутниками.
Такие сигналы можно использовать для решения целого спектра иных, подчас неожиданных, задач.
Так, рефракция сигналов GPS в ионосфере уже используется для мониторинга внешних слоёв атмосферы Земли и всеобъемлющего контроля (вертикального профилирования) параметров атмосферы вообще.
С помощью ГНСС можно исследовать так называемые «океанические вихри» - одну из наименее изученных компонент модели климата Земли, играющую важную роль в вертикальной динамике морей и океанов.
Спутники GPS могут использоваться для создания систем радиолокации особого рода, в которых пассивные приёмники регистрируют сигналы, отражённые от движущихся объектов, и с их помощью восстанавливают координаты цели, оставаясь при этом незамеченными противником.
Спутниковые системы можно использовать для мониторинга технических сооружений, для обеспечения непрерывного и всеобъемлющего контроля соблюдения скоростного режима всеми водителями, и даже для создания систем управления развитием мегаполисов.
Исследовательская группа КБ «Южное» под руководством Сергея Матвиенко предложила использовать сигналы спутников навигационных систем для мониторинга гравитационного поля Земли – и изучения его аномалий. Результаты работ в этой области были доложены на круглом столе по неогеографии, прошедшем в Донецке.
В основе технологии – так называемый эффект Паунда-Ребки. Он был обнаружен в ходе эксперимента, поставленного в 1959 г. в Джефферсоновской лаборатории Гарвардского университета Робертом Паундом (Robert Pound) и Гленом Ребкой младшим (G. A. Rebka Jr.).
Было показано, что в гравитационном поле электромагнитное излучение (использовались гамма-кванты источника Fe-57 энергией 14 КэВ) испытывает допплеровское смещение, описываемое релятивистскими уравнениями.
Для регистрации малого сдвига энергии гамма-квантов (на базе длиной 22,5 м в поле Земли относительный сдвиг энергии составляет 2,5х10-15) использовались методы мёссбауэровской спектроскопии.
Аналогичный сдвиг частоты излучения испытывают и сигналы спутников навигационных систем. Эти сигналы отличаются высокой временной и частотной стабильностью – следовательно, их можно использовать для исследования изменений гравитационного поля Земли во времени и в пространстве.
Подобного рода задача не носит абстрактный характер – исследования гравитационного поля Земли чрезвычайно важны для геодезии, геологии.
Изучение изменения ускорения свободного падения во времени позволит контролировать геологические процессы – и, в частности, обеспечить прогнозирование процессов в зоне геологических разломов, необходимое для обеспечения безопасной эксплуатации сложных технических и инфраструктурных сооружений.
Как сообщил на круглом столе по Неогеографии Сергей Матвиенко, разработанный его группой радиофизический метод измерения параметров гравитационного поля Земли позволяет определить гравитационный потенциал и абсолютное значение ускорения силы тяжести с использованием существующих ГНСС.
При этом для измерения флуктуаций гравитационного поля на уровне 10 мГал (модуль полного изменения ускорения силы тяжести от среднего значения до его экстремальных значений на полюсе либо экваторе) необходимо использование стандартов частоты с относительной стабильностью не хуже 10-15.
“Известно, что для разведки полезных ископаемых и мониторинга тектонических процессов необходима точность порядка 100 мГал, - отметил в беседе с корреспондентом портала Исследования и разработки – R&D.CNews Сергей Матвиенко. – Разработанная нами методика уже сейчас обеспечивает на порядок большую точность. Этот показатель будет расти по мере совершенствования спутниковых эталонов частоты”.
Помимо перечисленных выше задач, новый метод позволит осуществлять:
Возможно, потенциал технологии этими областями не ограничивается.
Интересно, что влияние эффекта Паунда-Ребки на передаваемые космическими аппаратами сигналы было исследовано советскими учёными ещё 43 года назад.
26 ноября 1965 года в СССР на орбиту был выведен КА ДС-У2-М (молекулярный), одной из задач научной программы которого являлось исследование гравитационного сдвига частоты бортового молекулярного генератора с целью проверки общей теории относительности.
КА был оснащён двухпучковым молекулярным генератором МГ-2, работающим на линии инверсного перехода аммиака с квантовыми числами j = 3, к = 3 (генерируемая
частота 23870,13 МГц, относительная нестабильность частоты 10-11 за 60 мин.).
Аппарат выполнил свою задачу, однако должного продолжения работы не получили.
Несмотря на национальный приоритет в этой области, перспективное направление осталось невостребованным в России – Глонасс-сообщество ставит и решает иные задачи.
В настоящее время разработка учёных днепропетровского КБ, защищённая патентом, активно финансируется европейским космическим агентством ESA – её отработка и массовое внедрение позволит существенно повысить конкурентоспособность европейской системы Galileo, а также модифицировать ТТХ системы с учётом новых возможностей её эксплуатации – в частности, перейти к использованию стандартов частоты со стабильностью не хуже порядка 10-16, использующих технологию "цезиевого фонтана".
В то же время именно в России новая технология была бы особенно востребованной – геоцентрическая модель Земли, используемая в Глонасс, не в полной мере удовлетворяет специалистов.
Вероятно, использование ГНСС для мониторинга вариаций гравитационного поля во времени и в пространстве является не единственной перспективной областью их применения, не связанной непосредственно с решением навигационных или геодезических задач.
Рассказ об интересных сферах приложения уже имеющихся спутниковых технологий и инновациях в этой области будет продолжен порталом Исследования и разработки – R&D.CNews.
Информация об итогах работы круглого стола по неогеографии, прошедшего в Донецке 30-31 октября 2008 года, будет представлена на портале Исследования и разработки – R&D.CNews. Получить более подробную информацию об уникальной и перспективной технологии, установить контакт с её разработчиками можно через редакцию портала.
Поделиться