Was ist ein Gradiometer?
Ein Gradiometer misst die Änderungsrate, die bei einer bekannten Größe auftritt, die von Temperatur über Druck bis hin zu einem magnetischen oder gravimetrischen Feld reichen kann. Gradiometer finden in der Wissenschaft zahlreiche und weit verbreitete Anwendungen. Sie werden in allen Bereichen eingesetzt, von der Archäologie bis zur Kartierung der Erdoberfläche und des Klimas.
Ein Schwerkraftgradiometer kann verwendet werden, um die Dichte von Erdschichten unter der Oberfläche für die Erkundung von Erdöl und Mineralien zu messen. Miniaturisierte Versionen von ihnen werden entwickelt, um unterirdische Ozeane zu erkennen, wie beispielsweise Saturns Mond Enceladus. Radio-Gradiometer wurden an unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) angebracht, mit denen das US-Militär die Leitungsdrähte von improvisierten Sprengkörpern (IEDs) auf irakischen Straßen aufspürt, und sie werden auch eingesetzt, um Tunnel unter der Erde zwischen Mexiko und den USA aufzuspüren Grenze, die Drogenschmuggler verwenden. Da ein Gradiometer auch eine Art Neigungsmesser ist, können sie auch zum Messen von Winkeln in Bezug auf den Horizont für Bau- und Vermessungsgeräte, Flugrouten für Flugzeuge und Cross-Country-Sportradfahrer verwendet werden.
Die Schwerkraftgradiometrie ist unterschiedlich ausgefeilt, um verschiedene Beschleunigungsachsen zu messen. Dies hängt davon ab, wie viele unabhängige Gradiometer- oder Beschleunigungsmessereinheiten in ein Gerät integriert sind. Alle Gradiometer nehmen jedoch die erzeugten Daten und vergleichen sie mit einer Standardgröße, um die Änderungsrate oder die vorhandene Gradientensteigung zu bestimmen. Die Gravitationsgradiometertechnologie wird bereits im Weltraum im Gravitationsfeld und im stationären Ocean Circulation Explorer (GOCE) eingesetzt, die 2009 von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) in die erdnahe Umlaufbahn gebracht wurden.
Das GOCE-Schiff kreist in der äußeren Atmosphäre in einer Höhe von 260 Kilometern, um die Auflösung der an Bord befindlichen Gradiometer zu erhöhen und das Verhalten der Meeresströmungen und der vulkanischen Aktivität zu untersuchen. Seit 2009 entwickeln Forscher an der Universität Twente in den Niederlanden eine Miniaturversion des Gradiometers, die auf ähnlichen Prinzipien basiert. Sie wiegt nur ein Kilogramm und könnte Raumsonden hinzugefügt werden, die zur Erforschung des Sonnensystems gesendet werden. Zwei federbelastete Massen, die an Federn aufgehängt sind, würden vergleichbare Schwankungen der Schwerkraft messen, die der Pikometerskala oder einem Billionstel eines Meters entsprechen. Diese Gradiometer könnten unterirdische Mondmerkmale mit einem Durchmesser von 200 km (124 Meilen) oder weniger auflösen.
Radiowellengradiometer, die ursprünglich in der Bergbauindustrie als Handgeräte verwendet wurden, wurden 2004 so angepasst, dass sie in UAV-Flugzeugen in einer Höhe von 61 Metern über dem Boden fliegen. Sie senden eine Radiowelle aus und erfassen Reflexionen der Wellenrückseite, die durch das Vorhandensein von Metallleitern unter der Oberfläche oder hohlen Strukturen verändert werden. Die ursprüngliche Funkwelle wird von den Detektoren als eine Art Rauschen herausgefiltert, wodurch es möglich ist, die viel schwächeren Schwankungen der Welle aufgrund von Gefälleunterschieden im Untergrund zu erkennen. Die US-Regierung hat den Einsatz und die Entwicklung solcher Radio-Gradiometer-Systeme mit laufenden Feldtests ab 2007 und 2008 weiter gefördert.
Eine andere Art von Gradiometer ist das magnetische Gradiometer, das in der Archäologie und verwandten Gebieten verwendet wird. Es zeigt die Fähigkeit, nicht von Schwankungen des Erdmagnetfeldes beeinflusst zu werden, die durch magnetische Stürme verursacht werden, und wird verwendet, um sehr kleine Anomalien in der Nähe der Oberfläche zu lokalisieren, die auf Fossilien oder andere Ablagerungen aus alten Zivilisationen hindeuten könnten. Das Fluxgate-Gradiometer und der Cäsiumdampfsensor werden zusammen verwendet, um das Magnetfeld zu messen, das die Erde im Laufe der Zeit auf vergrabene Wände, gebrannte Reste von Objekten usw. ausübt. Diese Messwerte werden dann mit dem Erdmagnetfeld verglichen, um archäologische Merkmale in geringen Tiefen zu lokalisieren.