В зоне турбулентности: новый метод точных измерений в самый разгар зноя
Геодезистам приходится работать в самых разных условиях, и жара для них — настоящий враг. В солнечный полдень, когда воздух над раскаленным асфальтом дрожит, обычные оптические измерения становятся практически невозможными. Визирная цель, на которую наводится прибор, не просто расплывается — она начинает хаотично «плясать», и её положение меняется каждое мгновение. Это происходит из-за того, что потоки нагретого воздуха с разной температурой и плотностью постоянно искривляют световой луч. В геодезии это явление называют вертикальной рефракцией. Классические методы учета этой помехи дают большую погрешность, которая может в десятки и сотни раз превышать точность самого современного прибора. Именно поэтому в инструкциях четко сказано: тригонометрическое нивелирование выполняйте только утром или вечером, а в жаркий полдень приборы лучше убирать в чехол.
Однако группа исследователей из Московского государственного университета геодезии и картографии решила проверить, можно ли нарушить это правило, применив принципиально новый подход. Их метод основан не на попытке заранее рассчитать рефракцию по средним параметрам атмосферы (что, как показала практика, крайне неточно), а на измерении её текущего значения в тот самый момент, когда выполняются наблюдения. Идея в том, чтобы использовать сам световой луч, проходящий через турбулентную атмосферу, как измерительный зонд. Если приёмник регистрирует микроскопические колебания угла прихода луча (то, что глазу кажется дрожанием изображения), то по характеру этих флуктуаций можно вычислить величину рефракции прямо сейчас, сию секунду. Для этого используется специальная формула, которая учитывает не только температуру и давление, но и так называемую структурную характеристику поля показателя преломления, зависящую от хаотичных завихрений воздуха.
Чтобы проверить этот турбулентный метод в деле, ученые поставили эксперимент в тот самый период, когда работать запрещено: с 10 утра до 4 часов дня, при температуре +27…+29 °C и слабом ветре. Трасса длиной 572 метра пролегала над асфальтированным тротуаром, а для измерений использовался роботизированный тахеометр с инструментальной точностью 1″. Для чистоты эксперимента истинное превышение между точками было заранее определено самым точным способом — геометрическим нивелированием II класса. В ходе серии измерений, которые проводились практически непрерывно, они сравнивали реальные углы рефракции с теми, что рассчитывали по своему турбулентному алгоритму. Результат оказался впечатляющим: несмотря на хаотичный характер атмосферных явлений, когда график рефракции за несколько минут напоминал случайный шум и абсолютно не повторялся, расчетные значения совпали с эталонными с ошибкой всего 1,2″. Это практически соответствует точности самого дорогого прибора.
Из этого следует сразу несколько важных выводов. Во-первых, классическая традиция вводить в измерения некий усредненный коэффициент рефракции на данный день ошибочна — в жаркой атмосфере рефракция меняется так быстро и непредсказуемо, что любое усреднение бессмысленно. Её нужно ловить и измерять здесь и сейчас. Во-вторых, новый метод оказался прост в реализации — он не требует доработки серийных электронных тахеометров, нужно лишь использовать их режим быстрых измерений. И, что самое важное для климатологов и экологов, это позволяет проводить высокоточные геодезические работы в условиях, которые раньше считались непригодными. Это открывает новые возможности для мониторинга деформаций земной поверхности, изучения ледников или отслеживания последствий засух, когда наблюдения нужно вести в самое жаркое время суток, а не ждать утренней дымки. Теперь у исследователей, работающих на открытом воздухе, появляется инструмент, который позволяет не зависеть от капризов погоды, получая достоверные данные даже в самый зной.
Источник: Журнал «Вестник СГУГиТ»
