Utviklingen av tyngdesystemer i Norge. Bjørn Ragnvald Pettersen Institutt for matematiske realfag og teknologi NMBU Bjorn.pettersen@nmbu.



Like dokumenter
Det første tyngdenettet i Norge

Gravimetri i Norge i 200 år

Erfaringer og resultater etter to tiår med absolutte tyngdemålinger i Norge

KOORDINATBESTEMMELSER I HISTORISK PERSPEKTIV

Store måleprogrammer i Observatoriets historie

Internt arkiv nr Boks nr 10

Styrking av presisjonsnivellementsnettet, kvalitetsvurdering og kvalitetsheving av NN2000 i Bergen kommune

NN2000 og litt til. Per Chr. Bratheim Geoforum Sogn og Fjordane 2016

Struves meridianbue. Hva er en meridianbue? Per Chr. Bratheim Verdensarvforum i Hammerfest 2017

Kartverket har i flere år forberedt overgangen fra NN1954 til NN2000, bl.a. ved fortetting av presisjonsnivellementsnettet Noen pilot-kommuner har

Masteroppgaver, geodesi - landmåling. Her er oversikt over noen mastergradsmuligheter i geodesi landmåling:

Noen trekk fra geodesiens utvikling i Norge de siste 200 år

Det moderne nivellement 100 år

Mathematics 114Q Integration Practice Problems SOLUTIONS. = 1 8 (x2 +5x) 8 + C. [u = x 2 +5x] = 1 11 (3 x)11 + C. [u =3 x] = 2 (7x + 9)3/2

Klima i Norge 2100 Kunnskapsgrunnlag for klimatilpassing

GNSS/INS-basert dypgåendekalibrering og vannstandsmåling.

TEKNOLOGI OG FORSKNINGSLÆRE ERFARINGER AV SAMARBEID MELLOM LAMBERTSETER VDG. OG IMT VED UMB. Kristian Breili (UMB) og Kjetil Flydal (LVG)

Rapport nr Tyngdemålinger på HJERKINN Dovre, Oppland

Innføring av nytt høydegrunnlagh

Kan vi forutse en pendels bevegelse, før vi har satt den i sving?

Klimaendringer i polare områder

Klimautfordringen globalt og lokalt

Hva har skjedd med klimasystemet i 2049?

Bruk av høydereferanseflater

BESTEMMELSE AV TYNGDENS AKSELERASJON VED FYSISK PENDEL

Bestemmelse av skjærmodulen til stål

KALIBRERINGSBEVIS Certificate of calibration

UNIVERSITY OF OSLO DEPARTMENT OF ECONOMICS

Norges offisielle HØYDESYSTEMER og REFERANSENIVÅER

Absolutte tyngdemålinger i det 21. århundre

Det matetmatisk-naturvitenskapelige fakultet Midtveis -eksamen i AST1100, 10 oktober 2007, Oppgavesettet er på 6 sider

BESTEMMELSE AV TYNGDENS AKSELERASJON VED FYSISK PENDEL

Læreplanen: Ønsker vi oss forandringer og eventuelt hvilke? Innspill v/ Tor Jan Aarstad

Norwegian FAOS, version LK1.0

STILLAS - STANDARD FORSLAG FRA SEF TIL NY STILLAS - STANDARD

Kommende utfordringer for Geodesidivisjonen, Statens kartverk

Vannstandsnivå. Fagdag om temadata i Møre og Romsdal Molde 5. mars Tor Tørresen Kartverket sjødivisjonen

Livets slutt i sykehjem pasienters og pårørendes forventninger og erfaringer En syntese av kvalitative studier

Hva skjer med klimaet sett fra et naturvitenskaplig ståsted?

Slope-Intercept Formula

Rapporl nr Grav iinetriske Bougueranornal ikar, Finnnark

Emneevaluering GEOV272 V17

UNIVERSITETET I OSLO

Barn med svake matematiske ferdigheter i barnehagealder resultater fra Stavangerprosjektet

Tidevannstrømmen i kystnære farvann Seminar ved UiO 8. juni 2006

Utfordringer med EUREF

Trigonometric Substitution

SAMPOL115 Emneevaluering høsten 2014

Hva gjør klimaendringene med kloden?

Hvor mye teoretisk kunnskap har du tilegnet deg på dette emnet? (1 = ingen, 5 = mye)

Unit Relational Algebra 1 1. Relational Algebra 1. Unit 3.3

Havnivåendringer i fortid, nåtid og fremtid

Fram Over Polhavet: Den Norske Polarfærd , Volume 1 (Norwegian Edition) By Fridtjof Nansen;Otto Neumann Sverdrup

Regionale vannstandsendringer

Rapport nr Gravirnetrisk Bougueranornalikart, Finnmark, M 1:

Foredragsholder: Geir Andersen, Vianova Systems AS

Fremtidens referanserammer. Per Chr. Bratheim

Velkommen til MEK1100

Presisjonsseismologi: Nøyaktig lokalisering av Nord-Koreas prøvesprengninger

NN Nytt høydegrunnlag i Ringebu kommune.

GYRO MED SYKKELHJUL. Forsøk å tippe og vri på hjulet. Hva kjenner du? Hvorfor oppfører hjulet seg slik, og hva er egentlig en gyro?

Er det ikke fasit til denne oppgaven?!

Validering av nytt spindelsystem CC17, Rheolab QC

Fysikkolympiaden Norsk finale 2019 Løsningsforslag

Om flo og fjære og kunsten å veie Månen

Kjell Arne Mork, Francisco Rey, Henrik Søiland

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I EMNE SIB 6005 GEOMATIKK-1. Torsdag 25. november 1999 Tid:

Hva skal vi med fastmerker?

Klimatilpasning tenke globalt og handle lokalt

Merak Un-glazed Porcelain Wall and Floor Tiles

Kunnskap om havnivåstigning

Hvilke utfordringer vil RVR tjenesten møte i et 50+ års perspektiv?

Hvordan kom Struves meridianbue inn på UNESCOs verdensarvliste?

UNIVERSITETET I OSLO

Databases 1. Extended Relational Algebra

Starte med en konklusjon: De geologiske samlingene: oppbygning og vitenskapelig betydning. Hans Arne Nakrem

Løsningsforslag til ukeoppgave 4

Framtidige utfordringer for landmåleren Bransjens behov/ forventninger. Nye krav, ny kunnskap. Når har du kontroll?

Bestemmelse av tyngdens akselerasjon med fysisk pendel

Hvorfor er internasjonalisering

Velkommen til MEK1100

5.201 Galilei på øret

Kontroll av bremser på tyngre kjøretøy ved teknisk utekontroll

UNIVERSITETET I OSLO

Trenger vi nye kostholdsråd? (ja)

Ole Isak Eira Masters student Arctic agriculture and environmental management. University of Tromsø Sami University College

METEOROLOGISKE DATA FOR ÅS 2015

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 14/8 2015

NS 3580 Bygg- og anleggsnett Ansvar, kvalitetskrav og metoder Ny standard fra Standard Norge. - konsekvenser for «stikkeren»

NN2000 i Finnmark. Steinar Vaadal, Kartverket Vadsø

PRODUKTBESKRIVELSE OG BRUKERVEILEDNING

The Future of Academic Libraries the Road Ahead. Roy Gundersen

x n+1 = x n f(x n) f (x n ) = x n x2 n 3

KOORDINATBASERT REFERANSESYSTEM

Presenting a short overview of research and teaching

Presisjonsmåling med standardutstyr

Kapittel 6 Fart og akselerasjon hva krefter kan få til Svar og kommentarer til oppgavene

Hvordan blir klimaet framover?

Nasjonalt fakultetsmøte Bergen april Prosjektleder Heidi Dybesland

Transkript:

Utviklingen av tyngdesystemer i Norge Bjørn Ragnvald Pettersen Institutt for matematiske realfag og teknologi NMBU Bjorn.pettersen@nmbu.no Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 2

Prinsipper for tyngdemåling Pendel Fjærvekt Fritt fall Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 3

Forenklet pendelteori Svingeligningen for en pendel: + sin = 0 Integrasjon over en svingeperiode Þ elliptisk integral Rekkeutvikling Þ svingetid = 2 1+ + Pendelens lengde l ansees kjent Tyngdens akselerasjon g kan beregnes fra observert svingetid P på stedet Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 4

Fjærvekts-prinsippet Testmasse henger i en fjær Likevekt mellom tyngdens akselerasjon og stivheten til fjæra Økt tyngdekraft Þ strekk i fjæra Likevektsbetingelse: = k er et mål for stivheten til fjæra l og er målt fjærlengde med og uten belastning Ikke-lineært system; begrenset dynamisk måleområde Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 5

Testmasse i fritt fall = Bevegelsesligningen: ( ) Dobbelintegrasjon i homogent tyngdefelt gir = + + Dobbeltintegrasjon i inhomogent tyngdefelt gir = 1+ Tyngdegradienten Geodesidagene 2015 + 1+ + + + måles separat og ansees kjent Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 6

De første observasjonene: Edward Sabine 1823 Katers pendel Hammerfest Trondheim Svalbard og Grønnland Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 7

Anvendelsen: norsk lengdestandard i 1824 = For P=1s = Sekundpendelens lengde, ϕ=45 Franske data: 993,5184 mm Engelske data: 993,5200 mm Norsk fot = 313,7427 mm 1839: 313,7608 mm sin² φ 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Pendelmålinger 1817-1835 y = 4,9794x - 194,28 R² = 0,9976 0 39 39,05 39,1 39,15 39,2 39,25-0,2 Sekundpendelens lengde (i tommer) Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 8

Den europeiske gradmålingen: pendelobservasjoner i Wiensystemet 1892-1903 Gradmåling for å bedre referanse-ellipsoiden Astronomiske stasjoner for å avdekke loddavvik Tyngdemålinger med pendel Nivellement og vannstandsmåling høydesystem Føre tyngdemålingene ned til geoiden Er referanse-ellipsoiden en god tilnærming til geoiden? Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 9

Sternecks pendel Oskar Emil Schiøtz 1846-1925 Fysikkprofessor, UiO Sternecks pendel 1892 Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 10

Nasjonal referansestasjon i Universitetets observatorium Gradmålingskommisjonens instrument hadde 4 pendler Fram-ekspedisjonens instrument hadde 2 pendler Kalibrering mot tyngdeverdi i Wien g=9,80866 ms y = 1E-05x + 9,7952 R² = 0,0596 Observert g Hver serie hadde 9 mgal < σ < 16 mgal Middelverdi ± σ 9,81955 ± 0,00008 ms 9,8197 9,8196 9,8195 9,8194 1892 1893 1894 1895 1896 1897 1898 År Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 11

Gradmålingskommisjonens tyngdestasjoner 1892-1903 42 stasjoner 1892: 5 1893: 5 1894: 7 1896: 6 1897: 4 1900: 5 1901: 6 1903: 4 Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 12

Fram-ekspedisjonen i Polhavet 1893-1896 Fram frosset fast i havisen Pendelobservasjoner Sigurd Scott-Hansen 10 steder i Polhavet Chabarowa, Sibir Analysert av O. E. Schiøtz Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 13

Fridtjof Nansen i forordet til bind II av Fram-rapporten We met with no land in the North Polar Basin, and thus the ordinary conditions for making pendulum observations did not exist. But Scott- Hansen thought that the strong ship frozen firmly into the drifting ice, or the ice itself, might possibly afford a sufficiently solid base for the pendulum apparatus. Thus the first series of pendulum observations which have ever been made over the sea, were made over the deep North Polar Basin. It now appears that these observations afford perhaps some of the most important results of the expedition. Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 14

Pendelmålinger vs. ellipsoidisk jordmodell Observerte tyngdeverdier beregnet til geoiden Beregnede verdier av tyngden for samme posisjon på den internasjonale ellipsoiden = 9.78049 (1 + 0.0052884 sin ϕ) Computed gravity in m/s² 9,834 9,832 9,83 9,828 9,826 9,824 9,822 9,82 y = 1,0107x - 0,1056 R² = 0,9905 Anno 1905: Geoiden = ellipsoiden 9,818 9,816 9,815 9,82 9,825 9,83 9,835 Observed gravity in m/s² Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 15

Potsdam-systemet 1909 1898-1904: Fem pendler benyttet til bestemmelse av g på referansestasjonen i Geodetisk Institutt, Potsdam g=9.81274 ± 0,00003 ms F. Kühnen og P. Furtwängler: Bestimmung der absoluten Grösse der Schwerkraft zu Potsdam mit Reversionspendeln (1906) Alle observasjoner i Wien-systemet og andre systemer omregnet til kalibreringen i Potsdam Globalt 2736 stasjoner E. Borrass: Relativen Messungen der Schwerkraft mit Pendelapparaten in der Zeit von 1808 bis 1909 und über Ihre Darstellung im Potdamer Schweresystem (1911) Norge bidro med 53 stasjoner Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 16

Kalibreringsfeil i Potsdam? 1934-35: Målinger i Washington påsto systematisk avvik på -20,0 mgal P. R. Heyl og G. S. Cook: The value of gravity at Washington. J.Res.Nat-Bur-Stand 17, 805 (1936) 1936-38: Målinger i Teddington, England påsto systematisk avvik på -12,8 mgal J. S. Clark: An absolute determination of the acceleration due to gravity. Phil.Trans.Roy.Soc.London, series A, 238, 65-123 (1939) Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 17

Ny referansestasjon i Oslo Etablert i kjelleren på Geologisk Museum, Oslo da Observatoriet ble nedlagt i 1933. g=9,81925 ms med Sterneck-pendel i Oslo og Potsdam (G. Jelstrup 1933) g=9,81934 ms på geoiden Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 18

NGOs validering av Potsdam NGO anskaffet Nørgaard-gravimeter i 1948 Observatører: O. Trovaag, G. Jelstrup, T. Sømod Observerte Oslo-Teddington 1949 Beregnet g(oslo) relativt Teddington Observerte Oslo-Stockholm-København 1948-49 Beregnet g(oslo) relativt Potsdam Finner at Potsdam er -13.1 mgal feil O.Trovaag og G. Jelstrup: Gravity Comparisons (1950) Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 19

IUGG 1954 i Roma IAG vedtok at en europeisk kalibreringslinje for tyngde skulle etableres mellom Roma og Hammerfest Gunnar Jelstrup, NGO observerte med pendelapparat Department of Geodesy and Geophysics, Cambridge University To pendler samtidig Vakumkammer Fotografisk registrering Elektronisk klokke Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 20

Cambridge-pendel 1955 Jelstrup observerte i Oslo, Bodø, Hammerfest Teddington København, Bad Harzburg, München Jelstrups data med Cambridge-pendel i Oslo viser et avvik på -15.7 mgal for kalibreringen i Potsdam Oslo g=9.8192695 ms G. Jelstrup: Observations on the gravimetric calibration base (1957) Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 21

Fjærgravimeter vs. pendel NGO anskaffet Worden-gravimeter i 1953 T. Sømod målte 101 stasjoner mellom mellom Oslo, Bodø og Hammerfest i 1956 Cambridge Worden Nørgaard Hammerfest-Bodø -244,95-244,46-239,75 Bodø-Oslo -459,22-459,24-460,57 Tyngdeforskjell i mgal for to strekninger Worden er <0,5 mgal fra Cambridge-pendel Worden er bedre enn Nørgaard T. Sømod: European gravimetric calibration base (1957) Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 22

Ny Potsdam-kalibrering Ny kalibrering i Potsdam foretatt 1968-1970 Flere pendler av forskjellig konstruksjon Gammel g= 9,81274 ± 0,00003 Ny g= 9,812601 ± 0,000003 ms Korreksjon = - 13.9 ± 0.3 mgal R. Schüler, G. Harnisch, H. Fischer, R. Frey: Absolute Schweremessungen mit Reversionspendeln in Potsdam 1968-1969 (1971) Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 23

Nytt tyngdenett i Norge 1956-72 1950-årene: 5200 stasjoner Hovedinstrument Worden 1969: NGO anskaffer LaCoste & Romberg Alle observasjoner i lukkede sløyfer Korreksjon for drift i instrumentene 36 førsteordens stasjoner (flytransport) >200 annenordens stasjoner (biltransport) Avstand < 80 km Ferdig i 1972 Senere fortetting til en stasjon pr. 100 km² I dag: Nasjonalt geodetisk tyngdenett på 11800 stasjoner Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 24

IGSN 71 International Gravity Standardization Net 1971 Globalt nett av tyngdestasjoner 24000 med gravimeter 1200 med pendel 10 med 1.generasjons absolutt gravimeter (σ= ± 40-100 mgal) Observasjoner foretatt over 20 år Utjevning av IAG Working Group Norge bidro med 81 stasjoner på 44 steder Godkjent på IUGG 1971 i Moskva Kalibrering ved utjevning av 1854 globale stasjoner Altså ikke en referansestasjon som tidligere Antatt global usikkerhet < 0,1 mgal Avvik for Potsdam -14.0 mgal Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 25

IGSN 71 Pendelmålinger 19521967 med Cambridgeapparatet som Gunnar Jelstrup brukte 1.generasjons absoluttgravimeter 1965-1970, basert på interferometri σ = ± 40 100 mgal Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 26

Absolutt gravimetri (~2000-pt) 1000 x mer nøyaktig Tyngdens akselerasjon på NMBU, Ås g=9,81884400 m/s² + ordinatverdi mgal i stedet for mgal 8 desimaler i stedet for 5 Landhevning etter siste istid Innebærer masseforflytning Þ geoiden varierer med tiden Global referanseramme for tyngde etableres av IAG Norsk referanseramme for tyngde ble etablert 2010 g/ t = -1,39 mgal/år R² = 0,87 20 g [i mgal] g er ikke konstant 25 15 10 5 0 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 Årstall K. Breili, J. G. Gjevestad, D. I. Lysaker, O. C. D. Omang, B. R. Pettersen, 2010, Norwegian Journal of Geography 64, 79-84. Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 27

Absolutt gravimetri vs. pendel Tyngdeverdier i Oslo (IGSN 71) med pendel 9,81911 ms med Sterneck-pendel i 1933 9,819144 ms med Nørgaard-gravimeter 1949 0,8191295 ms med Cambridge-pendel i 1955 Absolutt gravimetri 9,81912194 ms med FG5-226 i 2011 Differanse FG5-Cambridge= -0,756 mgal (over 56 år) FG5 nedført til bolt i gulv +0,350 Landhevning i 56 år +0.073 Systemforskjell FG5-pendel -0,333 mgal for Oslo Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 28

Absolutt gravimetri vs. pendel Tyngdeverdier i Bodø (IGSN 71) med pendel 9,8237217 ms med Cambridge-pendel i 1955 Absolutt gravimetri 9,82372225 ms med FG5-226 i 2011 Differanse FG5-Cambridge= 0,055 mgal (over 56 år) FG5 nedført til bolt i gulv 0,317 Landhevning i 56 år 0,128 Systemforskjell FG5-pendel 0,500 mgal for Bodø Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 29

Absolutt gravimetri vs. pendel Tyngdeverdier i Hammerfest (IGSN 71) med pendel 9,8261712 ms med Cambridge-pendel i 1955 Absolutt gravimetri 9,82615905 ms med FG5-226 i 2011 Differanse FG5-Cambridge= -1,215 mgal (over 56 år) FG5 nedført til bolt i gulv +0,378 Landhevning i 56 år +0,084 Stasjonsskifte +1,227 Systemforskjell FG5-pendel +0,474 mgal Hammerfest Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 30

Oppsummering Tyngdemålinger 1823 lengdestandard «norsk fot» Tyngdemålinger 1892-1903 i Wien-systemet Første tyngdemålinger til havs Omregnet 1909 etter kalibrering i Potsdam Feilkalibrering i Potsdam avdekket 1925-1955 Ny kalibrering 1968-1969 Relativ gravimetri 1950-70 IGSN 71 Absolutt gravimetri 2000-idag økt nøyaktighet 1000x Geodesidagene 2015 Norges miljø- og biovitenskapelige universitet 31

Takk for oppmerksomheten! bjorn.pettersen@nmbu.no