К вопросу о коэффициенте земного преломления

(атмосферной рефракции)

Экспериментально обнаружено и измерено, постоянно действующее (в приземных слоях атмосферы), систематическое отклонение светового луча "вниз", к центру Земли на величину около 11",5 (угловых секунд), не связанное с рефракцией. Эксперимент проводился в осенне-зимний период, включая моменты зимнего солнцестояния и перигелия. Приводятся экспериментальные и теоретические данные в пользу наблюдаемого эффекта. Уточнена степень влияния некоторых факторов на отклонения луча света, достигающие в размахе 60". Приведен график отклонений за 109 суток, через 6 часов.

На практике, при измерении вертикальных углов (например, в геодезии) всегда вводится поправка "за рефракцию", вычисляемая по коэффициенту рефракции – k, входящему в объединенную поправку "за кривизну Земли и рефракцию". Считается, что этот коэффициент величина достаточно постоянная с небольшими (редко до 30%) отклонениями (от 0.1 до 0.2), практически не зависящими от метеоусловий. В настоящее время принято считать, что средний коэффициент рефракции равен примерно 0.14, в восемнадцатом, девятнадцатом веках k считался равным 0.16 [1]. Уменьшение влияния случайных отклонений коэффициента рефракции от среднего предполагается только выбором (якобы лучшего) времени суток, определением метеорологических факторов и количеством суток измерений, причем, измерения, превышающие некий допуск, отбраковываются и производятся дополнительные измерения.

Автором было замечено, что при измерениях зенитных расстояний для передачи высот на средних, часто используемых расстояниях (2 – 5 км), поправка за коэффициент рефракции может быть представлена в угловой мере: около -7".5 (угловых секунд). В 1980 г. был проведен опыт по обнаружению (относительных), не рефракционных отклонений светового луча от плоскости, близкой к горизонтальной. Эксперимент продолжался в течение трех суток без перерыва с отсчетами через 30 минут. На расстоянии 1,6 м были обнаружены случайные отклонения луча света, не зависящие от рефракции, с размахом по амплитуде, в течение суток, более 10", а за трое суток – более 20". [2]

Анализ всех предварительных исследований отклонения луча света показал, необходимость создания принципиально нового оборудования и более трудоемкой методики обнаружения и измерения "абсолютных" отклонений, от горизонтальной плоскости. В частности, оказалось необходимым производить измерения в течение длительного периода (более трех месяцев) с использованием статистической обработки полученных результатов. Следует учесть, что эмпирически известные в геодезии вариации коэффициента рефракции от 0.1 до 0.2 определяют пределы значений среднего ожидаемого отклонения луча света от –5" до –10", а с учетом длиннопериодических сизигийных и квадратурных вариаций - от 0" до –25".

В апреле-мае 2003 г. был выполнен предварительный эксперимент [3, 4], но несовершенство аппаратуры, недостатки в методике измерений и малый период измерений не позволили получить достаточно верифицированные результаты. В связи с чем, была запланирована осенне-зимняя серия измерений, и по результатам первого месяца наблюдений (23 сентября – 27 октября) составлен график и опубликована статья. [2]

Описание лаборатории, оборудования, методики измерений и погрешностей определения отклонений светового луча показаны в работе [2].

Измерения осуществлялись через каждые шесть часов по Киевскому времени (+ 2 часа к Всемирному времени) непрерывно в течение 109 суток, одним исполнителем – автором данной работы. Дополнительно, ко времени суток кратному 6-ти часам, добавлялось 46 минут – поправка “истинного полдня”. Таким образом, измерения производились, например в 12:46, 18:46 и т.д.

Суммарная погрешность одного независимого определения отклонения светового луча ± 1",2 (угловых секунды). [2]

Рис.1. Зависимость отклонений луча от даты измерений

с 24.09.03 по 2.10.03;

• период релаксации гравитационного потенциала с 2.10.03 по 3.10.03, когда наблюдались отклонения со знаком плюс;
• не идентифицированный (пока) период экстремального (до – 46") отклонения с 18.10.03 по 25.10.03;
• резкий выброс отклонений "вверх и вниз" (возможно связанный с произошедшим после этого землетрясением М = 6.3, или предшествующим полным Лунным затмением) 10.11.03;
• периоды сравнительно "спокойного" гравитационного фона между указанными аномалиями.

(с величиной отклонений светового луча в среднем от -5" до -20") с 24.10.03 по 13.12.03;

- и очередная серия также не идентифицированных пока (возможно экзотических) аномальных

"Абсолютный" нуль показаний АГОНа, в периоды "спокойного" фона, статистически определяется (без учета длиннопериодического приливного влияния и фликкер-шума) средней величиной отклонения около - 11", 5, что впоследствии может быть использовано при градации существующих "абсолютных" гравиметров. Необходимо добавить, что в весенне-летний период теоретически возможно среднее отклонение порядка минус 5 – 10 угловых секунд.

Можно достаточно уверенно констатировать, что кроме знакопеременных идентифицированных и случайных отклонений луча света обнаружено и, постоянно действующее (систематическое) отклонение луча вдоль отвесной линии, по направлению к центру Земли на величину от –5" до –20", в данном случае - 11"5 ±1".2 (угловых секунд). Природа этого эффекта до конца не выяснена, однако гипотетически можно предположить, что причиной отклонения луча света является вторая космическая скорость (11.2 км/с), которая, при сложении со скоростью света (по Галилею), соответствует отклонению света на угол - 7".7, что практически совпадает с эмпирическим значением k (- 7".5) и близко к результату настоящего, осеннее-зимнего эксперимента.

Следует отметить, что качественное совпадение графиков, определяющих вариации гравитационного потенциала, полученных другими специалистами по показаниям гравитационных датчиков (крутильных весов), с представленным графиком, позволяет предположить гравитационное происхождение отклонения луча света. Кроме того, по результатам предварительной обработки, обнаружена адекватная взаимосвязь между аппроксимирующей кривой измеренных отклонений светового луча и второй гармоникой фаз Луны (коэффициент корреляции 0,62).

В результате проведенного эксперимента (и других, начиная с 1980 г.) установлено влияние на отклонения луча света не менее четырех факторов: постоянное, систематическое отклонение вниз (около 8"), неизвестное влияние (связанное с сейсмологией, в 2 - 3 раза превышающее “обычный” фон), влияние фаз Луны (от -2" до -25") и космологический фликкер-шум (с амплитудой до 10" и периодом от нескольких минут). Указанные отклонения показывают, что величина “коэффициента рефракции” в реальных измерениях может варьироваться от “обратной” (с другим знаком) до величины более 0,5, что не может быть объяснено только метеорологическими факторами.

Таким образом, можно предположить, что используемый в геодезии коэффициент рефракции k, на малых расстояниях (до 5 км) представляет собой характеристику гравитационного влияния на луч света, а не реальную атмосферную рефракцию, влияние которой необходимо учитывать, как дополнение, только на больших расстояниях и при экстремальных метеорологических условиях. Следует добавить, что на расстоянии 1,6 м обнаружены адекватные отклонения луча света также и в горизонтальной плоскости, что указывает на неправомерность понятия “боковая рефракция”.

Практическое использование устройства (АГОН) и способа измерений нерефракционных отклонений луча света (путем введения поправок) позволит значительно сократить время измерения зенитных расстояний в реальных (полевых) условиях. Для чего необходимо создать глобальную сеть пунктов (до десяти стационарных станций, оборудованных АГОНами). На основании показаний которых, можно будет достаточно корректно вводить поправки в измеряемые зенитные расстояния. Можно добавить, что такая глобальная сеть (в первую очередь) необходима для прогнозирования катастрофических событий, включая землетрясения (пока с магнитудой от 6) и другие, достаточно неожиданные аномальные проявления.

Автор чрезвычайно признателен Астафьеву Н.Г. и Никитину А.Г. за материальное и техническое содействие в проведении эксперимента, Гнедому С.А. и Щербине Л.А. за помощь в рецензировании и подготовке графических материалов.

1. Богуславский Н.А. Курс геодезии // С.- Петербург, Типография Ю.Н. Эрлих,

2. Никитин Г.Г. Абсолютный гравиметр оптический – АГОН "Геодезия и Картография" //

№ 5, 2004 г.

3. Никитин Г.Г. Эксперимент по измерению отклонения луча света Тезисы докладов, 2-я Харьковская конференция "Гравитация, космология и релятивистская астрофизика" // 23 – 27 июня 2003 г.

4. Nikitin G.G. Experiment on measurement of deviation of a light beam directed to the Earth center "Spacetime & Substance"// v. 4, No. 4 (2003).