Определение разности гравитационных потенциалов в поле Земли на основе измерения гравитационной задержки световых волн в оптическом волокне

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.

1. Фатеев 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/S0869565217020189

2. Фатеев 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.2022-2-22-27

3. Müller 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-z

4. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория поля. М.: Наука, 1967. 460 с.

5. Фок В. А. Теория пространства, времени и тяготения. М.: Физматгиз, 1961. 564 с.

6. Shapiro I. I., Fourth test of General Relativity, Physical Review Letters, 1964, vol. 13, pp. 789–790.

7. 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.0003

8. Shapiro 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/JS082i028p04329

9. Shapiro 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.36.555

10. Williams 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/S021827180901500X

11. Bertotti B., Iess L., Tortora P., Nature, 2003, vol. 425, pp. 374−376. https://doi.org/10.1038/nature01997

12. Фатеев В. Ф. Релятивистская метрология околоземного пространства-времени: Монография. Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ», 2017. 439 c.

13. Фатеев В. Ф. Преломляющие свойства гравитационной сферы Земли во вращающихся системах отсчета // Электромагнитные волны и электронные системы. 2013. Т. 18. № 5. С. 73−82.

14. 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 //