gravimetria

Parte della geofisica che considera le teorie e i metodi di osservazione destinati allo studio del campo gravitazionale terrestre e alla misurazione dell’accelerazione di gravità. L’accelerazione di gravità sulla superficie terrestre può essere misurata in modo assoluto o relativo. La misura assoluta, effettuata in alcune località dette stazioni gravimetriche fondamentali, corrisponde al valore dell’effettiva accelerazione di un oggetto in caduta libera nel vuoto. La misura relativa fornisce la differenza fra i valori registrati dalle stazioni di misura e viene effettuata con strumentazione meno sofisticata allo scopo di determinare le anomalie di gravità. La stazione gravimetrica prende nome diverso a seconda del tipo (assoluta o relativa) e della precisione della medesima (per es., stazione gravimetrica assoluta fondamentale, stazione gravimetrica relativa del 1° ordine). Le stazioni costituiscono i nodi di una rete gravimetrica, estesa, a seconda dello scopo, sino a coprire una certa regione (rete gravimetrica locale), una intera nazione (rete gravimetrica nazionale), più nazioni o un intero continente (rete gravimetrica internazionale).

Misurazioni assolute

Lo strumento fondamentale della g. assoluta è stato per moltissimo tempo il pendolo semplice poiché l’accelerazione di gravità g è legata alla lunghezza l e al periodo T delle sue piccole oscillazioni dalla relazione di Huygens:

.

Se la misurazione dell’accelerazione di gravità g a mezzo del pendolo è in linea teorica molto semplice, in pratica è molto delicata, principalmente per la difficoltà di valutare con sufficiente precisione la lunghezza del pendolo e il periodo delle sue oscillazioni; una ulteriore difficoltà è costituita dal fatto che parte dell’energia di oscillazione passa dal pendolo al supporto, con conseguente alterazione del periodo. Sono stati via via escogitati sistemi sempre più raffinati per ridurre le cause di errore; con i pendoli geodetici (➔ pendolo) si arriva a misurare g con l’approssimazione di 10⁻⁵-10⁻⁶ m/s². Oggi, nelle stazioni gravimetriche fondamentali, le strumentazioni a pendolo sono state sostituite dal gravimetro a caduta libera che si basa sulla registrazione dei tempi di salita e di discesa libera, tra due punti di determinata distanza, di un prisma retroriflettore costituente il braccio mobile di un interferometro a luce laser: contatori elettronici effettuano il conteggio delle frange di interferenza che sfilano nell’oculare dell’interferometro via via che il prisma sale o scende e contemporaneamente effettuano il conteggio del tempo trascorso; con questo strumento si raggiunge un’approssimazione dell’ordine di 10⁻⁹ del valore della gravità.

Misurazioni relative

fig.

Anche per le misure relative dell’accelerazione di gravità, i sistemi a pendolo sono stati sostituiti dai gravimetri, in particolare dal gravimetro differenziale portatile; il tipo originario di gravimetro (gravimetro lineare) è costituito (v. fig.) da una massa (da qualche decina di grammi a 2-3 kg) sospesa elasticamente; una variazione di Δg della gravità provoca una variazione della forza peso p agente sulla massa m: Δp=mΔg; varia pertanto l’assetto di equilibrio del sistema e, in definitiva, si ha uno spostamento dz della massa e di un indice a essa collegato; tale spostamento viene osservato direttamente con un microscopio su una scala graduata e misurato con vari artifici, e costituisce una misura di Δg. Un aumento della sensibilità sino a 10⁻⁴ gal (1 gal=10⁻² m/s²), si consegue disponendo la massa in modo che essa sia in equilibrio instabile: un leggero spostamento dovuto alla variazione di gravità da misurare viene allora aumentato dall’insorgere di sollecitazioni nello stesso senso della variazione.

Dopo anni di misurazioni su stazioni a terra e con navi oceanografiche, si è notevolmente sviluppato in g. relativa il metodo della misura da aeromobile. Con questa tecnica è necessaria un’accurata e continua determinazione della posizione, della velocità e delle accelerazioni verticale e orizzontale dell’aeromobile, rese possibili dall’uso del sistema GPS differenziale e dall’accurata determinazione della quota dell’aeromobile. Anche la tecnologia spaziale ha fornito nuovi potenti mezzi per lo studio del campo di gravità. Nelle loro orbite, infatti, i satelliti riflettono la struttura del campo gravitazionale terrestre, ossia la reale forma e distribuzione delle masse e quindi delle disomogeneità all’interno della Terra. Pertanto, tutti i disturbi della posizione e velocità dell’orbita satellitare, considerati tali rispetto a un’orbita ellittica teorica, registrano fedelmente il discostarsi del campo di gravità da un campo perfettamente radiale, nonché le deviazioni del geoide dall’ellissoide. Grazie alle complesse apparecchiature ottiche e agli strumenti astronomici di cui dispongono i satelliti geodetici, sono stati effettuati sviluppi in analisi armonica sferica della gravità fino alla trentesima armonica, che corrispondono a un dettaglio lungo la superficie terrestre di circa 1000 km.

Anomalie della gravità

La g. ha importanti applicazioni anche nel campo pratico della ricerca geomineraria. Infatti lo studio delle cosiddette anomalie della gravità, cioè delle divergenze locali dell’accelerazione di gravità dai corrispondenti valori ‘normali’, permette di rilevare eventuali deficienze o eventuali eccessi di massa a piccole profondità sotto la superficie terrestre (➔ prospezione). Tuttavia nell’analisi delle anomalie vengono distinte quelle locali, la cui interpretazione permette di avere sufficienti informazioni circa la forma, la profondità e la densità dei corpi locali perturbanti, da quelle regionali che traggono origine da strutture a profondità molto maggiore rispetto a quelle che sono normalmente investigate attraverso la prospezione gravimetrica e che sovrapposte a quelle locali tendono in generale a renderle meno evidenti.