© Bundesamt für Kartographie und Geodäsie Frankfurt am Main, 2012

División G4 – Sistemas de referencia nacionales, campo gravitacional

Agencia Federal de Cartografía y Geodesia de Alemania (BKG)Richard-Strauss-Allee 11, 60598 Frankfurt/Main, Alemania

Características:• alta sensitividad: aprox. 0.1 nm/s2

• alta relación señal a ruido• estabilidad a largo plazo• desviación baja y casi lineal• amplio rango de frecuencias

Compressor

Coldhead yDiaphragma

Dewar

Tilt-Compensation Esfera de superconducción

Bobinas de superconducción

bobinas de superconducción

retroalimentación

campo magnético constante placas capacitivas

bobina ajustable:campo magnéticovariable

parametro medido:voltaje del control

Señales medidas por Gravímetros de Superconducción

Distribución espectral de las señales registradas con gravímetros superconductores según Crossley et. al., EOS, 1999.La línea verde indica la función de transferencia de frecuencia de un SG.

Transfer function TIDE-Filter SG-30

El gravímetro superconductor

El gravímetro superconductor (SG) funciona como un gravímetro relativo con una alta sensibilidad y alta estabilidad en el tiempo.El SG usa la levitación magnética para suspender una masa de prueba (esfera hueca de Neodymium) en un campo magnético de bobinas superconductoras.Una variación en la gravedad o un movimiento de la Tierra genera un voltaje en un ciclo de retroalimentación el cual se registra con muy alta precisión.

Global Geodynamics Project (GGP) - Red internacional de gravímetros de superconducciónEl objetivo del proyecto Geodinámica Global (GGP) es el monitoreo y registro de datos con alta precisión de las variaciones del campo gravitacional de la Tierra con gravímetros superconductores (SG). Los datos son usados en múltiples estudios sobre la Tierra, que van desde los movimientos globales de la Tierra, como el Chandler Wobble, hasta los efectos gravitacionales de la atmósfera y la variabilidad del almacenamiento del agua en el suelo. Las estaciones SG son operadas de forma independiente por grupos nacionales de científicos. GGP se propone como un nuevo candidato para ser servicio permanente en la Asociación Internacional de la Geodesia (IAG).La estación TIGO en Concepción es una de las 5 estaciones SG ubicadas en el hemisferio sur y la unica en sudamerica.

Variación del señal por mareas terrestres: aprox. 2.5 ∙ 10-6 m/s2

Principio de medición

Fuerza de suspensión:

Las corrientes eléctricas en las bobinas de superconducción, inducen corrientes secundarias en la superficie de la esfera de superconducción (ley de inducción de Faraday), esto hace que la esfera levite sobre las bobinas

La fuerza de levitación es extremamente estable en el tiempo debido a que no hay pérdidas resistivas (óhmicas), que normalmente declinarían las corrientes con el tiempo.

Los elementos superconductores tan fabricados de Niobium (Nb), un elemento que posee características de superconducción, como por ejemplo, resistencia cero en un ambiente con menos de 9,2 K:

- Masa levitada: esfera hueca, diámetro 2.54 cm, masa aproximada .de 5 g - Bobinas de inducción: alineado axialmente, ubicadas aprox. 2.5 cm bajo el centro de la esfera - Blindaje magnético: generado por 2 bobinas de Niobium

Transductor de desplazamiento Un puente de capacitancia está instalado alrededor de la esfera (3 capacitores, amplificador lock-in sensitivo a la fase):

• Placas superior e inferior: capacitores semi-esféricos envolviendo la esfera (señal de referencia de 10 kHz )

• Placa central: anillo esférico alrededor del ecuador de la esferal con 1 mm de distancia.

• Señal AC del anillo central es proporcional al desplazamiento de la esfera relativa al centro del puente.

Sistema de retro-alimentación:• La señal AC (posición de la ésfera en el capacitor) es amplificada, demodulada, filtrada y aplicada

a una red de integración.• La señal DC de salida es conectada a una resistencia de precisión en serie a una bobina de retro-

alimentación de 5 vueltas (bajo la esfera). • La fuerza de retro-alimentación resultante es proporcional a la aceleración de la esfera (cambios

de la gravedad y desplazamiento). • El voltaje está medido con un voltímetro de alta precisión.• Ventajas del control retro-alimentado: Aumento en el rango dinámico lineal y rápida respuesta.

Nuestro Actual sistema SG cuenta con un pequeño dewar, un sistema de refrigeración eficiente que permite licuar el gas de helio. En la figura, el cool-head esta en la posición de mantención. El equipo no requiere la transferencia de helio líquido durante su operación.

Los gravímetros superconductores cubren un amplio rango de las señales, desde los largos periodos de las mareas sobre variaciones estacionales o variaciones diarias, hasta los modos normales sísmicos:

– Mareas terrestres: de 18.6 años (periodo lunar) hasta un periodos de un cuarto de día

– Cargas de las mareas oceánicas

– Cambios en la masa atmosférica y sus deformaciones.

– Movimiento polar (diario, anual, periodo de Chandler)

– Cambios en el almacenamiento del agua en el suelo

– Oscilaciones libres del nucleo de la Tierra

La señal residual de gravedad obtenida por la red internacional de los gravímetros superconductores proporciona información importante sobre el transporte de masas y cambios en la altura dentro del sistema de la Tierra. Ésta información puede ser utilizada para comparar con modelos del campo gravitacional de la Tierra obtenidas por misiones satelitales (que dependen del tiempo), con modelos hidrológicos globales o con observaciones relacionadas a cambios de la hidrósfera y la criósfera.

Diseño: • el sensor dentro del dewar esta

sumergido en helio líquido (4,2 K)• el sistema de refrigeración, es capaz

de re-licuar el gas de Helio.• regulación de la temperatura (0.001 K)• sistema de retroalimentación y registro

de datos.

Cortesia: GWR Instruments, Inc.http://www.gwrinstruments.com/ Corte transversal por el sistema de la medición de un gravímetro de

superconducción.

Distribución de los SG en todo el mundo que forman la red del proyecto geodinámico global (GGP).

El instrumento más sensitivo y establepara medir variaciones de la gravedad de la Tierra

Gravímetro Superconductor