miniatura|upright|Um gravímetro Autograv CG-5 em operação miniatura|Ondulações do geoide calculadas a partir de gravimetria por satélite
Gravimetria é a medição da intensidade de um campo gravitacional. Pode ser usada quando o interesse está na magnitude de um campo gravitacional ou nas propriedades da matéria responsável por produzi-lo. O estudo das variações da gravidade faz parte da geodinâmica.
Unidades de medida A gravidade costuma ser medida em unidades de aceleração. No Sistema Internacional de Unidades, a unidade padrão de aceleração é o metro por segundo ao quadrado (m/s2). Outra unidade é o gal (Gal), igual a 1 centímetro por segundo ao quadrado. Também se usa o g (gn), igual a 9,80665 m/s2. O valor de gn corresponde à gravidade padrão, próxima da aceleração da gravidade na superfície terrestre, embora o valor real varie ligeiramente de um lugar para outro.
Gravímetros miniatura|upright|Gravímetro com uma variante do pêndulo de Repsold-Bessel
Um gravímetro é um instrumento usado para medir a aceleração da gravidade. Toda massa possui um potencial gravitacional associado. O gradiente desse potencial corresponde a uma força. Um gravímetro mede a aceleração produzida por essa força gravitacional.
Para um corpo pequeno, a relatividade geral prevê efeitos gravitacionais indistinguíveis dos efeitos da aceleração, conforme o princípio da equivalência. Os gravímetros podem, por isso, ser vistos como acelerômetros especializados. Muitas balanças podem ser entendidas como gravímetros simples. Em uma forma comum, uma mola é usada para contrabalançar a força da gravidade que atua sobre um objeto. A variação no comprimento da mola pode ser calibrada de acordo com a força necessária para equilibrar a atração gravitacional. A medição resultante pode ser expressa em unidades de força, como o newton, mas os gravímetros apresentam suas leituras em gals (cm/s2),Alguns instrumentos muito sensíveis usam unidades como pm/s2 (picômetros por segundo ao quadrado), fm/s2 (femtômetros por segundo ao quadrado) e am/s2 (attômetros por segundo ao quadrado). ou em partes por milhão, partes por bilhão e partes por trilhão da aceleração vertical média em relação à Terra.
Embora tenham projeto semelhante ao de outros acelerômetros, os gravímetros costumam ser construídos para atingir sensibilidade muito maior. Seus primeiros usos incluíram a medição das variações da gravidade produzidas pelas diferenças de densidade e pela distribuição de massas no interior da Terra, além das variações temporais causadas pelas marés e pelas mudanças na forma e na distribuição de massa dos oceanos, da atmosfera e da Terra.
A resolução dos gravímetros pode ser aumentada pela média de amostras obtidas durante períodos mais longos. Entre as características de um gravímetro estão a precisão de uma única medição, ou amostra, e a taxa de amostragem.
Pressupõe que o ruído da medição seja independente da própria medição.
Por exemplo:
Além da precisão, a estabilidade permite acompanhar variações da gravidade. Essas mudanças podem resultar do deslocamento de massas no interior da Terra ou de movimentos verticais da crosta terrestre no local onde as medições são feitas.Perto da superfície da Terra, a gravidade diminui cerca de 0,308 mGal a cada metro de aumento da altitude.
Os primeiros gravímetros eram acelerômetros verticais especializados em medir a aceleração constante da gravidade dirigida para baixo na superfície terrestre. A gravidade vertical da Terra varia cerca de ±0,5% de um ponto para outro da superfície. Em qualquer local, também varia cerca de ±1.000 nm/s2 devido às mudanças de posição do Sol e da Lua em relação à Terra.
A maioria dos gravímetros modernos usa molas metálicas ou de quartzo especialmente projetadas, chamadas molas de comprimento zero, para sustentar a massa de teste. Uma propriedade dessas molas permite que o período natural de oscilação do sistema formado pela mola e pela massa seja muito longo, chegando perto de mil segundos. Isso afasta a massa de teste da maior parte das vibrações locais e do ruído mecânico, aumentando a sensibilidade do gravímetro. Molas de quartzo e de metal são escolhidas por motivos diferentes. As de quartzo sofrem menor ação de campos magnéticos e elétricos, enquanto as metálicas apresentam deriva muito menor devido ao alongamento com o passar do tempo. A massa de teste é selada em um recipiente hermético para que pequenas mudanças de pressão barométrica, causadas pelo vento e por outras condições meteorológicas, não alterem sua flutuabilidade no ar. Na prática, gravímetros de mola são instrumentos relativos que medem a diferença de gravidade entre locais. Um instrumento relativo também precisa ser calibrado por comparação com leituras feitas em locais onde os valores absolutos da gravidade sejam conhecidos.
Gravímetros absolutos fazem esse tipo de medição determinando a aceleração gravitacional de uma massa de teste no vácuo. A massa é deixada em queda livre dentro de uma câmara de vácuo, sua posição é medida por um interferômetro a laser e o tempo é medido com um relógio atômico. O comprimento de onda do laser é conhecido com incerteza de ±0,025 partes por bilhão e o relógio mantém estabilidade de ±0,03 partes por bilhão. É necessário reduzir os efeitos de forças perturbadoras, entre elas a resistência residual do ar, mesmo no vácuo, as vibrações e as forças magnéticas. Esses instrumentos podem atingir uma exatidão de cerca de 2 partes por bilhão, ou 0,002 mGal. A medição é referenciada a padrões atômicos de comprimento e tempo. Os instrumentos absolutos são usados principalmente para calibrar instrumentos relativos, acompanhar deformações da crosta e realizar estudos geofísicos que exigem alta exatidão e estabilidade. São maiores e muito mais caros que os gravímetros relativos de mola, por isso são menos comuns.
Gravímetros relativos são usados para comparar a gravidade entre lugares. Seu projeto permite subtrair automaticamente a gravidade vertical média. Eles podem ser calibrados em um local onde a gravidade seja conhecida com grande exatidão e depois transportados até o ponto de medição. Outra possibilidade é calibrá-los em unidades absolutas no próprio local de operação.
Aplicações Pesquisadores usam gravímetros mais sofisticados quando são necessárias medições precisas. Na medição do campo gravitacional da Terra, são feitas leituras com precisão da ordem de microgals para localizar diferenças de densidade nas rochas que compõem o planeta. Existem diferentes tipos de gravímetros para esse trabalho, alguns deles versões refinadas da balança de mola. Essas medições permitem quantificar anomalias gravimétricas.
Na geodésia, os dados gravimétricos também entram no cálculo de modelos do geoide. A altura do geoide pode ser combinada com alturas elipsoidais obtidas por GNSS para determinar alturas ortométricas.
Gravímetros podem detectar vibrações e mudanças de gravidade causadas por atividades humanas. Dependendo da finalidade da medição, esses efeitos podem ser compensados com sistemas de isolamento de vibrações e processamento de sinal.
Há gravímetros projetados para instalação em veículos, inclusive aeronaves, no campo da aerogravimetria, navios e submarinos. Esses gravímetros especiais isolam a aceleração causada pelo movimento do veículo e a subtraem das medições. A aceleração dos veículos costuma ser centenas ou milhares de vezes maior que as variações da gravidade que se pretende medir.
O Lunar Surface Gravimeter foi instalado na superfície da Lua durante a missão Apollo 17, em 1972, mas não funcionou devido a um erro de projeto. Outro instrumento levado na mesma missão, o Lunar Traverse Gravimeter, funcionou como previsto.
Gravímetros são usados na prospecção de petróleo e na prospecção mineral, em sismologia, geodésia, levantamentos geofísicos, pesquisas geofísicas e metrologia. Seu propósito básico é mapear o campo gravitacional no espaço e no tempo.
No Brasil, o Observatório Nacional é responsável desde 1978 pela implantação, manutenção, refinamento e extensão da Rede Gravimétrica Fundamental Brasileira. O Laboratório de Gravimetria do Observatório Nacional, em Vassouras, no Rio de Janeiro, realiza medições absolutas e relativas, campanhas de densificação, calibração de gravímetros e trabalhos ligados à Linha de Calibração Gravimétrica de Agulhas Negras.
A maior parte do trabalho gravimétrico é feita na Terra, com alguns satélites em órbita terrestre, mas os gravímetros também podem ser aplicados à Lua, ao Sol, a planetas, asteroides, estrelas, galáxias e outros corpos. Experimentos com ondas gravitacionais acompanham variações temporais do próprio potencial gravitacional, e não do gradiente desse potencial medido pelo gravímetro. A distinção não é absoluta. Os subsistemas usados nos experimentos de radiação gravitacional também são muito sensíveis a mudanças no gradiente do potencial. Os sinais gravitacionais locais da Terra que interferem nesses experimentos recebem o nome de "ruído newtoniano", pois cálculos baseados na gravitação newtoniana são suficientes para caracterizar muitos desses sinais locais.
Reduções e interpretação As leituras feitas em um levantamento terrestre não são usadas diretamente como anomalias gravimétricas. Dependendo do levantamento, são aplicadas correções para os efeitos das marés terrestres, da deriva instrumental, da latitude, da altitude, da massa existente entre a estação e o nível de referência, da curvatura terrestre e do relevo. A correção de ar livre compensa a diferença de altitude da estação, enquanto a correção de Bouguer leva em conta a atração gravitacional da massa situada entre a estação e o nível de referência. A correção de terreno trata das irregularidades da topografia nas proximidades da estação.
A interpretação de uma anomalia gravimétrica não possui uma solução matemática única. Distribuições diferentes de massa e densidade no subsolo podem produzir campos gravitacionais compatíveis com a mesma anomalia observada. Informações geológicas, dados sísmicos, perfis de poços e outros dados independentes podem restringir os modelos possíveis.
Gravímetros absolutos comerciais miniatura|Efeito de diferentes estruturas geológicas subterrâneas sobre o campo gravitacional local. Um volume de baixa densidade, indicado por 2, reduz g, enquanto material de alta densidade, indicado por 3, aumenta g.
Um tipo comum de gravímetro portátil mede a aceleração de pequenas massas em queda livre no vácuo, enquanto o instrumento permanece firmemente preso ao solo. A massa contém um retrorrefletor e termina um dos braços de um interferômetro de Michelson. A aceleração da massa pode ser medida pela contagem e pela cronometragem das franjas de interferência. Uma técnica mais recente é a versão de "subida e queda", na qual a massa é lançada para cima e seu movimento é medido durante a subida e a descida. Isso permite cancelar parte dos erros de medição.
Gravímetros absolutos são usados para calibrar gravímetros relativos, pesquisar anomalias gravitacionais, como vazios subterrâneos, e estabelecer redes de controle geodésico vertical.
Métodos de interferometria atômica e de fonte atômica são usados em medições precisas da gravidade terrestre. Relógios atômicos e instrumentos construídos para essa finalidade também podem usar medições de dilatação do tempo para acompanhar mudanças no potencial gravitacional e na aceleração da gravidade na Terra.
Gravímetros relativos Os gravímetros mais comuns usam molas. Eles são empregados em levantamentos gravimétricos de grandes áreas para determinar a forma do geoide nessas regiões. Em essência, consistem em um peso preso a uma mola. A gravidade local é obtida medindo-se quanto o peso alonga a mola. A constante da mola precisa ser calibrada colocando-se o instrumento em um local cuja aceleração gravitacional seja conhecida.