к оглавлению

Измерение вариаций хода оптического луча

Никитин Г.Г.

Аннотация. На расстоянии 1.52 м, в приземных слоях атмосферы, экспериментально измерены периодические от 0 до -20" (угловых секунд) и "случайные" от +15" до - 46" отклонения оптического луча от уровенной поверхности в течение 109 суток. Обнаружено систематическое, не рефракционное среднее отклонение оптического (светового) луча "вниз", к центру Земли в среднем на 11".6. Рассмотрен феномен относительного постоянства коэффициента атмосферной рефракции k = 0.14±0.05). Предложен абсолютный оптический гравиметр для прогнозирования сильных землетрясений. Установлено двухсуточное запаздывание влияния лунных фаз на длиннопериодические отклонения оптического луча.

 Вариации хода оптических лучей были экспериментально обнаружены в 1980 г. Корреляция (0.52) полученных данных только с показаниями серийных относительных гравиметров позволила предположить связь обнаруженного оптического эффекта с местными вариациями  гравитационного потенциала. [1]

     Тогда же, с помощью мобильного варианта измерительного устройства, были проведены качественные опыты в лифте и на кораблях. Стабильно наблюдалась адекватная реакция светового луча (по направлению и величине) на ускорения при различных эволюциях корабля и при ускорениях лифта.

     Сравнение результатов предварительного эксперимента по измерению абсолютных отклонений хода светового луча в апреле - мае 2003 г. (Крым, г. Севастополь) и показаний, за тот же период, гравитационных датчиков, на основе крутильных весов (Казахстан, станция "Узун-Агач", ПНК ПРОГНОЗ РГП "Казселезащита" АЧС РК) иллюстрирует их достаточную идентичность.

      Так же известно, что при определении высот, например в геодезии, в измеренные вертикальные направления (углы), обязательно вводится поправка, связанная с эмпирическим, безразмерным "коэффициентом атмосферной рефракции" - k. Указанный коэффициент - величина достаточно постоянная, с небольшими (до 30%) отклонениями от среднего значения. В настоящее время принято считать k = 0,14 [2], в  XIX веке считалось, что k = 0,16 [3] . Автором было замечено, что k, представленный в угловой мере (на оптимальных, часто используемых расстояниях, 2 - 5 км), соответствует поправке -7", 5 (угловых секунд) и мало зависит от атмосферных параметров. Феномен "постоянства" k указывает на возможность систематического отклонения оптического луча, не связанного с рефракцией.

      Предварительные исследования (начиная с 1980 г.) показали необходимость создания принципиально нового оборудования и более трудоемкой методики обнаружения и измерения "абсолютных" (от уровенной, "горизонтальной" плоскости) отклонений оптического луча. В частности, было сконструировано и в 1983 г. изготовлено специальное зеркало и признана необходимость проведения измерений в течение длительного (более 3-х месяцев) периода с использованием статистической обработки полученных результатов.     

     Следует учесть, что эмпирически известные в геодезии вариации коэффициента атмосферной рефракции - от 0.1 до 0.2 [2], определяют пределы  значений среднего ожидаемого отклонения светового луча от -5" до -10". Однако, на практике могут наблюдаться отклонения от +5" до -25".

     В апреле-мае 2003 г. была предпринята попытка выполнения такого эксперимента, но недоработки в методике измерений и малый период наблюдений не позволили получить достаточно верифицированные результаты. Была запланирована осенне-зимняя серия измерений и по результатам наблюдений за первый месяц (23 сентября - 27 октября 2003 г.) опубликована статья. [1]

     Устройство для измерения отклонений оптического луча в вертикальной плоскости - АГОН (Абсолютный Гравиметр Оптический Никитина) состоит из двух основных частей: точного (не хуже 2") угломерного прибора - теодолита (использовался Т2 N109211, 1974 г.) с визирной целью и, находящегося напротив него, специального зеркала в котором наблюдалось отражение теодолита и визирной цели. Двухстороннее, плоскопараллельное зеркало выполнено в форме стеклянного диска диаметром 150 мм и толщиной 20 мм, обе стороны которого являются просветленными зеркалами высокой чистоты. Непараллельность обеих сторон зеркала (в вертикальной плоскости) ¦ 0",2.

     Зеркало было подвешено к металлической балке в потолке на тонкой нити двойной встречной скрутки и длиной 0,5 м, позволяющей поочередно "вручную" ориентировать "к теодолиту" обе его стороны. Расстояние между осями вращения теодолита и зеркала равно 1.52 м. Визирная цель выполнена из капроновой нити белого цвета, толщиной около 0.015 мм, которая закрепляется горизонтально по центру объектива.  Теодолит был установлен на деревянном штативе, использующимся в геодезических работах. [1] Ориентация устройства "теодолит - зеркало" (АГОНа) "север - юг" 5º.

     Видимое (через некоторое время) в поле зрения теодолита, смещение визирной цели "вверх - вниз", относительно сетки нитей зрительной трубы, характеризует реальное отклонение хода оптического луча и является предметом измерения.

     Процесс единичного измерения отклонения светового луча предусматривает двукратное "круг - лево" (Кл) и "круг - право" (Кп) снятие отсчетов по каждой стороне зеркала (стороны I и II), т.е. один полный прием измерения состоит из четырех наведений перекрестия сетки нитей теодолита на зеркальное изображение визирной цели (нити). После первых двух отсчетов с переводом трубы через зенит (Кл и Кп) по одной из сторон зеркала, последнее поворачивалось на 180 градусов и производилась вторая пара отсчетов (Кп и Кл) по другой стороне зеркала.  Перед каждым отсчетом   угла производилась коррекция контактного уровня при алидаде вертикального круга. Конкретной величиной отклонения луча света - Ω, в определенный момент времени, является алгебраическая полусумма средних значений угла по двум сторонам зеркала:

Ω = (I ср + II ср) / 2.

     Измерения осуществлялись через каждые шесть часов по Киевскому времени (+ 2 часа к Всемирному Времени), непрерывно в течение 109 суток, одним исполнителем - автором данной работы.

     Штрихи на лимбе стеклянного круга теодолита Т2 нанесены через 10 угловых минут, цена  деления отсчетного приспособления (охватывающего интервал 10 угловых минут) равна одной угловой секунде, что позволяет снимать показания с визуальной оценкой до 0".1. В данном случае показания снимались с округлением до 1".

     Общая погрешность одного измерения - МΩ состоит из: ошибки наведения на визирную цель, ошибки снятия отсчетов, ошибки горизонтирования теодолита и ошибки за

     Принято считать, что в лабораторных условиях, при равномерном электрическом освещении визирной цели и нониусов теодолита и при обеспечении комфортных условий оператора (положение "сидя"), погрешность наведения mн  в 2 - 2.5 раза меньше, т.е. ее можно принять ¦ 0".8. Погрешность отсчитывания теодолитом Т2 в лабораторных условиях mо считается тоже 0".8 [2]. Ошибка горизонтирования mг (по опыту работ) близка к   0".3. Погрешность от непараллельности сторон зеркала mп была сведена к минимуму, что позволило воспользоваться паспортной погрешностью 0".2. Таким образом, инструментальная погрешность единичного измерения - МΩ  равна:  

МΩ  =  sqrt( ((mн)² + (mо)² + (mг)² + (mп)²) ) =  1".2 

     При наступлении некоторых природных явлений (осеннего равноденствия, зимнего солнцестояния, перигелия, апогея и перигея, солнечных и лунных затмений и др.) измерения, по возможности, выполнялись в два раза чаще - через три часа. Результаты промежуточных измерений не вносились в сводную таблицу и использовались только для некоторых уточнений и последующего анализа результатов измерений.

 

Рис.1 Зависимость отклонений оптического луча от даты измерений
(23 сентября 2003 г. - 09 января 2004 г.)

 

     Результаты измерений представлены графиком (Рис.1), на котором видны различия во временных интервалах:

 

     Среднее отклонение за весь период наблюдений (109 суток) равно - 13",2, сигма 7",5.     

     График зависимости величины отклонений луча от даты измерений обнаруживает соответствие некоторым гравиметрическим событиям (обращение Луны, затмения, землетрясения и др.).   

      С помощью полученного графика, совместно с К.А. Хайдаровым, выявлены характерные особенности отклонений оптического луча, предшествующие сильным землетрясениям (пока с магнитудой более 6-ти). Удалось спрогнозировать сильное землетрясение в Японии (19:50:07 UTC on Thursday, September 25, 2003. The magnitude 8.0), когда был получен предварительный прогноз за трое суток и окончательный за сутки до события. Прогноз был представлен по Интернету сейсмологам в Казахстане, непосредственно К.А. Хайдарову (karim@mail.kz).

      Для статистической обработки результатов измерений был выбран интервал времени с 22 октября по 13 декабря 2003 г (около 52 суток), когда не наблюдались аномальные отклонения светового луча - т.е. период "спокойного гравитационного фона". Среднее (систематическое) отклонение за этот период -11".6, стандартное отклонение (сигма)  5".2, СКО - 0".24. Физическая природа систематического отклонения оптического луча не известна. Можно только гипотетически предположить влияние 2-й космической скорости (скорости убегания на поверхности Земли), когда возможен угол отклонения порядка -7".7.

      Графики аппроксимирующей кривой и 2-й лунной гармоники (максимумы синусоиды совмещены с сизигиями) показывают систематическое смещение на 48 - 50 часов, характеризующее запаздывание влияния фаз Луны относительно видимого их положения. Что соответствует сопоставлению аппроксимирующей кривой и, смещенных на двое суток, синусоид лунных гармоник. При этом была выявлена корреляция со второй гармоникой - коэффициент 0,62 (Рис.2) и корреляция, одновременно с тремя гармониками (1-й, 2-й и 4-й) - коэффициент 0.81. Необходимо отметить, что известно запаздывание приливов, обозначаемое термином "возраст прилива" - промежуток запаздывания наибольших приливов по отношению к астрономической сизигии, выражаемый в сутках и их долях.  

Причинами запаздывания приливов принято считать только физическое воздействие вязкости воды, конфигурацию акватории и характер дна в узких бухтах, фьордах и заливах. Физическая природа временно'й задержки влияния лунных фаз на приливы и график отклонений оптического луча не известна.

 

Рис.2 Аппроксимация отклонений оптического луча и, смещенная на двое суток вперед, 2-я гармоника Луны  (22 октября - 13 декабря 2003 г.) [построено К.А. Хайдаровым]

    Основным помехообразующим фактором измерений является своеобразный фликкер-шум с периодом от нескольких минут до нескольких часов и амплитудой порядка 10". Кроме того, процесс измерений пока не автоматизирован, что не дает возможности непрерывного наблюдения за весьма информативными нюансами вариаций отклонения светового луча.

      Следует добавить, что наличие реальных, нерефракционных  отклонения светового луча с амплитудой в десятки угловых секунд, не исключает достаточно точных научных и технических измерений (например, в астрономии и геодезии). Выработанная и используемая на практике методика относительных измерений и их обработка, позволяют эмпирически учитывать и минимизировать (или исключать), периодически возникающие, "ошибки".  

Заключение 

     Измерения на АГОНе уверенно показали систематические, периодические и случайные отклонения оптического луча от горизонтальной плоскости с амплитудой более 60" (угловых секунд) за 109 суток.

     Установлено явление систематического отклонения луча "вниз" на 11",6 (угловых секунд) в периоды "спокойного фона".

     Данные оптических отклонений, обусловленные вариациями гравитационного потенциала, составляют большую часть эмпирических отклонений оптического луча, которые в геодезии и астрономии связываются только с атмосферной рефракцией.

     Обнаружен эффект временной (около двух суток) задержки влияния фаз Луны, относительно визуального их положения, на физические и другие процессы, происходящие на Земле. В периоды "спокойного фона" аппроксимация зависимости отклонений светового луча от даты измерений практически совпадает со, смещенной на двое суток вперед, синусоидой 2-й лунной гармоники (коэффициент корреляции - 0,62).

     Показана возможность АГОНа для прогнозирования сильных (М > 6) землетрясений. 

     Работа может представлять интерес для специалистов в области геодезии, гравиметрии, астрономии, физики Земли и теоретической физики. 

Благодарности 

     Автор чрезвычайно признателен Рухловой А.А.  за создание уникального зеркала, Астафьеву Н.Г., Грандт А.А., Пинчуку Г.Г. и Никитину А.Г. за техническое и материальное содействие в проведении экспериментов, а так же Гнедому С.А., Кобычеву В.В., Полянскому М.Ю., Хайдарову К.А. и Щербине Л.А.  за помощь в обработке данных, рецензировании работы и в подготовке графических материалов.

  

          Список литературы: 

1.     Г.Г. Никитин, Абсолютный гравиметр оптический - АГОН, "Геодезия и Картография",  N 6, 2004 г. 

2.     В.Г. Зданович, А.Н. Белоликов, Н.А. Гусев, К.А. Звонарев, Высшая геодезия, М., Недра, 1970. Стр. 434.

3.     Н.А.Богуславский, Курс геодезии, С.- Петербург, Типография Ю.Н. Эрлих,  1897. Стр. 579 - 580.

 

к оглавлению
Знаете ли Вы, что "гравитационное линзирование" якобы наблюдаемое вблизи далеких галактик (но не в масштабе звезд, где оно должно быть по формулам ОТО!), на самом деле является термическим линзированием, связанным с изменениями плотности эфира от нагрева мириадами звезд. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution