Zwaartekracht in Nederland

In Nederland is al vanaf vorige eeuw werk verricht op het gebied van zwaartekrachtmetingen. Vening-Meinesz heeft baanbrekend werk gedaan op dit gebied, met name in de instrumentontwikkeling voor het zwaartekrachtmeten op zee. Zijn beroemde slingerapparaat heeft een precisie van ongeveer 3 mgal (1 mgal = 1 · 10^-5 ms^-2).

Vanaf de jaren '80 bezitten de TU Delft en RWS-DID beide een relatieve gravimeter van het type LaCoste-Romberg G, met een precisie voor een zwaartekrachtverschilmeting van ongeveer 10 μgal (1 μgal = 1 · 10^-8 ms^-2). Dit betekent dus een relatieve precisie van 1 · 10^-8 van de zwaartekracht (g) zelf. In 2001hebben beide instellingen een moderne gravimeter aangeschaft met een vergelijkbare precisie: de Scintrex CG-3M Autograv.

Doel zwaartekrachtmetingen
RWS-DID en TU Delft voeren om twee redenen zwaartekrachtmetingen uit. De eerste is om veranderingen van de zwaartekracht op één plek te registreren. Zo'n absolute zwaartekrachtverandering geeft aan wat de absolute bodembeweging ten opzichte van het aardse massamiddelpunt is. Ten tweede worden metingen gedaan die een heel gebied bedekken. De zwaartekrachtverschillen per plaats worden veroorzaakt door massadichtheidsvariaties in de ondergrond, en zijn bepalend voor de vorm van het NAP-nulvlak (= de geoïde). De plaatsgebonden variaties zijn ook interessant voor geofysische exploratiedoeleinden, alhoewel daar vaak een hogere puntdichtheid wordt verlangd dan voor geoïdeberekening.

Metingen
Zwaartekrachtmetingen kunnen op twee manieren worden uitgevoerd. Men kan absolute waarden van de zwaartekracht (g) meten, wat meestal met een valproef wordt gedaan. Met de bekende formule x=1/2 gt², waarbij x bekend is (de valafstand) en t (de valtijd) wordt gemeten, kan g worden berekend. De precisie van de huidige generatie absolute gravimeters is ongeveer 5 μgal (=5 · 10-8 ms^-2).


Een absolute gravimeter

Met relatieve gravimeters kan alleen het zwaartekrachtverschil tussen twee punten worden gemeten. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een massa aan een veer, die op een plek met een grotere zwaartekracht meer zal worden uitgetrokken dan op een plaats met een kleinere zwaartekracht. Om voor alle punten die met een relatieve gravimeter zijn bezocht toch een absolute zwaartekrachtwaarde te kunnen krijgen, moet op minimaal één punt waarvan de absolute zwaartekrachtwaarde bekend is worden gemeten. De precisie van de gemeten zwaartekrachtverschillen (relatieve zwaartekrachtmeting) is ongeveer 10 μgal.


Relatieve gravimeters van LaCoste-Romberg (links) en Scintrex (rechts)

Projecten
Vanaf de jaren tachtig zijn in Nederland zwaartekrachtmetingen uitgevoerd. Al deze projecten zijn uitgevoerd in nauwe samenwerking tussen de TU Delft en RWS-DID. De belangrijkste en grootste projecten worden hieronder kort beschreven.

• 1e orde metingen
  In 1986 is door de TU Delft een netwerk gemaakt bestaande uit 25 punten die zijn gelegen in of nabij stationshallen van de Nederlandse Spoorwegen. Tot eind jaren negentig werden ieder jaar verbindingen tussen deze punten gemeten, waarbij het transport plaatsvond per trein. De ervaring heeft geleerd dat transportruis de grootste foutenbron is bij relatieve zwaartekrachtmetingen, en dat transport per trein beter resultaten oplevert dan transport per auto. In 1987 heeft RWS-DID 25 Ondergrondse Merken van het 1^e orde NAP-net geselecteerd voor zwaartekrachtmetingen. In 1987 en 1990 zijn hierop relatieve zwaartekrachtmetingen verricht met 3 instrumenten. De absolute zwaartekrachtwaarden zijn bepaald door aansluiting van het NS-net en het OM-net aan zwaartekrachtpunten in Duitsland.
  
  
• Absolute zwaartekracht
  In 1991 zijn voor het eerst in Nederland absolute zwaartekrachtmetingen gedaan met een moderne generatie absolute gravimeter. Deze heeft een precisie van 5-10 μgal. De metingen in Delft zijn onbruikbaar gebleken doordat de referentieveer in het apparaat ten gevolge van horizontale bewegingen in het Delftse gebied (waarschijnlijk door kustslag) niet voldoende tot rust komt. De daarop volgende jaren zijn er gemiddelde iedere twee jaar meer metingen verricht op de stations in Kootwijk, Westerbork, Zundert en Epen. De laatste metingen tot nu toe vonden plaats in 2004. De metingen zijn telkens uitgevoerd door Duitse en Belgische instituten. De meetseries op de punten vertonen een behoorlijke consistentie, zie de tabel. De series zijn echter nog te kort om trends te kunnen schatten. De metingen zijn gebruikt als aansluitpunten voor de berekening van NEDZWA93 en NEDZWA99.
  
  
• NEDZWA93 (1e orde)
  Uit de absolute zwaartekrachtwaarden en alle relatieve zwaartekrachtmetingen tot op dat moment is in 1994 het Nederlands Zwaartekrachtdatum 1993 (NEDZWA93) bepaald. Door kleinste-kwadraten aansluiting van de relatieve metingen aan de absolute stations (waarbij ook 3 absolute stations net over de grens in Duitsland zijn gebruikt) is voor alle eerste orde zwaartekrachtpunten een absolute zwaartekrachtwaarde bepaald met een precisie van 5 μgal. Deze waardes kunnen enerzijds worden beschouwd als de eerste waarde in een lange reeks ten behoeve van het vaststellen van absolute bodembeweging in Nederland, en anderzijds als aansluitpunten voor het tweede orde zwaartekrachtnet van Nederland.
  
  
• 2e orde zwaartekrachtnet
  In 1990 heeft RWS-DID besloten om, samen met de TU Delft, een geheel nieuw zwaartekrachtnetwerk voor Nederland te meten. De reden hiervoor was dat deze gegevens nodig zijn voor de berekening van een nauwkeurig geoïdemodel voor Nederland. Deze geoïdeberekening is nodig om uit GPS-metingen NAP-hoogten te kunnen berekenen. Zie de geoïdepagina voor uitgebreide informatie over dit onderwerp. Het tweede orde zwaartekrachtnet bestaat uit 8000 punten in heel Nederland, die gemiddeld zo'n 2 km uit elkaar liggen. Op de 8000 punten zijn 13000 relatieve metingen gedaan. Tevens in iedere provincie aangesloten op minimaal 3 bekende punten uit het NEDZWA93. De metingen en verwerking zijn afgerond in 1995. U kunt hier een bestand met de resultaten vinden. De geschatte precisie voor de 2^e orde zwaartekrachtpunten is 0,1-0,3 mgal. Naast de 8000 meetpunten op land is ook een campagne uitgevoerd om op het IJsselmeer en de Waddenzee zee-zwaartekrachtmetingen te doen. Met de zeegravimeter van de TU Delft en een RWS-schip zijn deze metingen in 1992 uitgevoerd. In 2000 heeft de Data-ICT-Dienst in een gedeelte van België zwaartekrachtmetingen uitgevoerd.
  
  
• NEDZWA99 (1e orde)
  NEDZWA99 is het vervolg van NEDZWA93: de tweede epoche zwaartekrachtwaarden in een lange reeks ten behoeve van het vaststellen van absolute bodembeweging in Nederland. Daarvoor is een nieuwe gezamenlijk netwerk vastgesteld, waarin zowel de oude NS-punten en OM-punten zijn opgenomen, als een aantal nieuwe (clusters van) punten die zorgen voor een mooiere bedekking over Nederland. Voor de vereffening zijn relatieve zwaartekrachtmetingen die zijn verricht ná de voltooiing van NEDZWA93 gebruikt. Het zwaartepunt ligt bij de zwaartekrachtmetingen die zijn verricht in het kader van de 5^e Nauwkeurigheidswaterpassing (1996-1997). Als absolute aansluitingspunten zijn alleen de vier hierboven beschreven Nederlandse punten gebruikt. Er is een eerste vergelijking uitgevoerd met NEDZWA93. De serie (twee epoches) is echter nog te kort om trends te kunnen schatten. De resultaten geven zelfs aanleiding om te twijfelen aan de toepasbaarheid van zwaartekrachtmetingen voor bodembewegingsanalyse. Momenteel wordt er onderzocht of de NEDZWA-metingen in de toekomst zullen worden gecontinueerd.
  
  
  
  1e Orde zwaartekrachtmetingen in het Geuldal.
  
  
  
  De puntclusters van NEDZWA
  
  

Zwaartekrachtwaardes
Wilt u een zwaartekrachtwaarde weten? Vraagt u zich dan eerst af, welke precisie is gewenst. Is een precisie van 1 milligal (2*sigma) voldoende, dan kunt u een berekening uitvoeren met behulp van een speciaal programma dat u hier kunt downloaden (een gebruikershandleiding is toegevoegd). Door het uitvoeren van een meting, kunt u een precisie van ongeveer 0,02-0,04 milligal (2*sigma) bereiken. Zwaartekrachtmetingen kunnen worden uitgevoerd door de TU Delft. Voor de kosten en levertijd hiervan kunt u contact opnemen met de heer Reudink, telefoon 015-2785728 of via e-mail. Uiteraard kunt u ook zelf een meting uitvoeren. U dient dan uit te gaan van één of meerdere NEDZWA-punten. Voor zwaartekrachtwaardes, aanmeetschetsen en foto's van de NEDZWA-punten kunt u contact opnemen met RWS-DID (via de contact-knop).