izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2022-9-33-39izmertech-1630Research ArticleОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯOPTICOPHYSICAL MEASUREMENTSОпределение разности гравитационных потенциалов в поле Земли на основе измерения гравитационной задержки световых волн в оптическом волокнеDetermination of the difference in gravitational potentials in the Earth's field based on the measurement of the gravitational delay of light waves in an optical fiberhttps://orcid.org/0000-0001-7902-0212ФатеевВ. Ф.FateevV. F.

Вячеслав Филиппович Фатеев

г. п. Менделеево, Московская обл.

Vyacheslav F. Fateev

Mendeleevo, Moscow region

generalfat@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9051-6227КолмогоровО. В.KolmogorovO. V.

Олег Викторович Колмогоров

г. п. Менделеево, Московская обл.

Oleg V. Kolmogorov

Mendeleevo, Moscow region

kolmogorov@vniiftri.ruВсероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измеренийРоссияRussian Metrological Institute of Technical Physics and Radio EngineeringRussian Federation202219052023093339Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1630

Предложена и исследована возможность определения разности гравитационных потенциалов и ортометрических высот в поле Земли на основе измерений разности фаз лазерного излучения в оптическом волокне, обусловленной эффектом гравитационной задержки световых волн. Предложена структурная схема измерительного комплекса, предназначенного для измерений разности фаз световых волн, обусловленной указанным эффектом. При измерениях использованы две когерентные световые волны от одного лазера, каждая из которых распространяется по отдельной волоконно-оптической линии связи. В состав каждой волоконно-оптической линии связи включены одинаковые катушки длинного оптического волокна, разнесённые по высоте. Проведён анализ факторов, влияющих на фазовые соотношения волн, распространяющихся по двум линиям связи измерительного комплекса. Определены фазовые эффекты задержки, вызванные влиянием истинного гравитационного поля Земли, а также влиянием полей сил инерции и гироскопических эффектов вследствие вращения Земли. Предложены пути подавления мешающих эффектов, оценены достижимые погрешности измерения разности гравитационных потенциалов и соответствующей разности ортометрических высот. При длине волокна в катушках 100 км и разности высот 100 м эти погрешности составляют соответственно 0,2 м2/с2 и 2 см. Исследуемый измерительный комплекс предложено назвать лазерным гравипотенциометром. Он является оптическим аналогом известного радиочастотного квантового нивелира, однако не требует сверхстабильных стандартов частоты и времени. Результаты исследований предложенного измерительного комплекса актуальны при разработке и совершенствовании средств измерений параметров гравитационного поля Земли, а также средств высокоточной синхронизации шкал времени удалённых эталонов.

Abstract. The possibility of determining the difference in gravitational potentials and optometric heights in the Earth's field based on measurements of the phase difference of laser radiation in an optical fiber, due to the effect of the gravitational delay of light waves, is proposed and investigated. A block diagram of a measuring complex designed to measure the phase difference of light waves caused by this effect is proposed. The measurements use two coherent light waves from a single laser, each propagating along a separate fiber optic communication line. The composition of each fiber-optic communication line includes the same coils of a long optical fi beer, spaced apart in height. The analysis of the factors info fencing the phase relations of waves propagating along two communication lines of the measuring complex is carried out. The phase effects of the delay caused by the influence of the true gravitational field of the Earth, as well as the info hence of the fields of inertial forces and gyroscopic effects due to the rotation of the Earth are determined. Ways to suppress the effects that introduce measurement errors are proposed. The achievable errors in measuring the diff Terence in gravitational potentials and the corresponding diff Terence in optometric heights are estimated. With a fi err length in coils of 100 km and a height diff Terence of 100 m; these errors are 0.2 m2/s2 and 2 cm, respectively. It is proposed to call the measuring complex under study a laser gravipotentiometer. It is an optical analogue of the well-known radio-frequency quantum level, but does not require ultra-stable frequency and time standards. The research results of the proposed measuring complex are relevant for the development and improvement of measuring instruments for the parameters of the Earth's gravitational fi eld, as well as means of high-precision synchronization of time scales of remote standards.

разность гравитационных потенциаловразность ортометрических высотлазерный гравипотенциометризмерение разности фазоптическое волокноgravitational potential differenceorthometric height differencelaser gravipotentiometerphase difference measurementoptical fiberисследование выполнено при поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-29-11023.ReferencesФатеев В. Ф., Жариков А. И., Сысоев В. П., Рыбаков Е. А., Смирнов Ф. Р. Об измерении разности гравитационных потенциалов Земли с помощью перевозимых квантовых часов // Доклады Академии наук. 2017. Т. 472. № 2. С. 206−209. https://doi.org/10.7868/S0869565217020189Fateev V. F., Zharikov A. I., Sysoev V. P., Rybakov E. A., Smirnov F. R., Doklady Earth Sciences, 2017, vol. 472, no. 1, pp. 91−94. https://doi.org/10.1134/S1028334X17010147Фатеев В. Ф., Смирнов Ф. Р., Донченко С. С. Измерение эффекта гравитационного замедления времени дуплексным наземным квантовым нивелиром // Измерительная техника. 2022. № 2. С. 22–27. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-2-22-27Fateev V. F., Smirnov F. R., Donchenko S. S., Measurement Techniques, 2022, vol. 65, no 2, pp. 104–110. https://doi.org/10.1007/s11018-022-02061-0Müller J., Dirkx D., Kopeikin S. M., Lion G., Panet I., Petit G., Visser P. N. A. M., Space Science Reviews, 2018, vol. 214, 5. https://doi.org/10.1007/s11214-017-0431-zMüller J., Dirkx D., Kopeikin S. M., Lion G., Panet I., Petit G., Visser P. N. A. M., Space Science Reviews, 2018, vol. 214, 5. https://doi.org/10.1007/s11214-017-0431-zЛандау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория поля. М.: Наука, 1967. 460 с.Landau L. D., Lifshic E. M., Teorija polja [Field theory], Moscow, Science Publ., 1967, 460 p. (In Russ.)Фок В. А. Теория пространства, времени и тяготения. М.: Физматгиз, 1961. 564 с.Fok V. A., Teorija prostranstva, vremeni i tjagotenija [The Theory of Space, Time and Gravitation], Moscow, Gosudarstvennoe izdatel’stvo fi ziko-matematicheskoj literatury Publ., 1961, 564 p. (In Russ.).Shapiro I. I., Fourth test of General Relativity, Physical Review Letters, 1964, vol. 13, pp. 789–790.Shapiro I. I., Fourth test of General Relativity, Physical Review Letters, 1964, vol. 13, pp. 789–790.Турышев С. Г. Экспериментальные проверки общей теории относительности: недавние успехи и будущие направления исследований // Успехи физических наук. 2009. T. 179. № 1. C. 3–34. https://doi.org/10.3367/UFNr.0179.200901a.0003Turyshev S. G., Physics-Uspekhi, 2009, vol. 52, no. 1, pp. 1−27. https://doi.org/10.3367/UFNe.0179.200901a.0003Shapiro I. I., Reasenberg R. D., MacNeil P. E., Goldstein R. B., Brenkle J. P., Cain D. L., Komarek T., Zygielbaum A. I., Cuddihy W. F., Michael Jr. W. H., Journal of Geophysical Research, 1977, vol. 82, no. 28, pp. 4329−4334. https://doi.org/10.1029/JS082i028p04329Shapiro I. I., Reasenberg R. D., MacNeil P. E., Goldstein R. B., Brenkle J. P., Cain D. L., Komarek T., Zygielbaum A. I., Cuddihy W. F., Michael Jr. W. H., Journal of Geophysical Research, 1977, vol. 82, no. 28, pp. 4329−4334. https://doi.org/10.1029/JS082i028p04329Shapiro I. I., Counselman Ch. C., III, King R. W., Physical Review Letters, 1976, vol. 36, no. 11, pp. 555−558. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.36.555Shapiro I. I., Counselman Ch. C., III, King R. W., Physical Review Letters, 1976, vol. 36, no. 11, pp. 555−558. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.36.555Williams J. G., Turyshev S. G., Boggs D. H., International Journal of Modern Physics D, 2009, vol. 18, no. 07, pp. 1129−1175. https://doi.org/10.1142/S021827180901500XWilliams J. G., Turyshev S. G., Boggs D. H., International Journal of Modern Physics D, 2009, vol. 18, no. 07, pp. 1129−1175. https://doi.org/10.1142/S021827180901500XBertotti B., Iess L., Tortora P., Nature, 2003, vol. 425, pp. 374−376. https://doi.org/10.1038/nature01997Bertotti B., Iess L., Tortora P., Nature, 2003, vol. 425, pp. 374−376. https://doi.org/10.1038/nature01997Фатеев В. Ф. Релятивистская метрология околоземного пространства-времени: Монография. Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ», 2017. 439 c.Fateev V. F. Reljativistskaja metrologija okolozemnogo prostranstva-vremeni: monografi ya, Mendeleevo, VNIIFTRI Publ., 2017, 439 p. (In Russ.)Фатеев В. Ф. Преломляющие свойства гравитационной сферы Земли во вращающихся системах отсчета // Электромагнитные волны и электронные системы. 2013. Т. 18. № 5. С. 73−82.Fateev V. F. Refractive properties of gravitational sphere of the earth in the rotating coordinate systems, Jelektromagnitnye volny i jelektronnye sistemy, 2013, vol. 18, no. 5, pp. 73−82. (In Russ.)Колмогоров О. В., Прохоров Д. В., Донченко С. С. Результаты разработки и исследований систем сравнения и синхронизации шкал времени пространственно удаленных эталонов, использующих волоконно-оптические линии связи //Kolmogorov O. V., Prokhorov D. V., Donchenko S. S., Fotonjekspress, 2019, no. 6(158), pp. 83−84. (In Russ.). https://doi.org/10.24411/2308-6920-2019-16038

The authors declare that there are no conflicts of interest present.