De zwaartekracht — die toelaat om het gewicht van een object te bepalen — houdt ons vast aan het aardoppervlak en is verantwoordelijk voor de vrije val van objecten nabij het aardoppervlak. Deze kracht is evenredig met de massa : $\vec{F} = m \vec{g}$ , waarin $\vec{g}$ staat voor het gravitatieveld. De grootte van dit veld aan het aardoppervlak is de valversnelling g, en wordt gemeten met behulp van een gravimeter. De valversnelling is een fysische grootheid die varieert in de tijd en in de ruimte. De waarde van g hangt onder meer af van de breedtegraad, de massaverdeling binnenin de Aarde, de asrotatie van de Aarde (zowel de rotatiesnelheid als de positie van de rotatieas), en daarnaast ook van de relatieve positie van zon en maan, die getijdenkrachten opwekken.
De relatieve of absolute bepaling van g speelt een belangrijke rol in verschillende onderzoeksdomeinen:
-
In de geofysica worden vooral veranderingen van de
zwaartekracht in de tijd gemeten voor het bestuderen van tektonische
deformatie, postglaciale terugstuit, getijden, de invloed van atmosfeer en
hydrosfeer, alsook de structuur van de Aarde – van de binnenkern tot de
aardkorst. Anderzijds vindt de analyse van ruimtelijke variaties van g
talrijke toepassingen in de geologie.
Figuur : Gravimetrische anomalieën (Bouguer, in mGal [1 mGal $\Leftrightarrow$ 10 µm/s2 $\Leftrightarrow$ 0,001 g]) in onze contreien. Deze kaart geeft een beeld van de variaties in de dichtheid van de ondergrond en toont de grote regionale geologische structuren. Het Massief van Brabant, gevormd door gesteente met een grotere dichtheid, stemt overeen met het rode gedeelte in het noordwesten van de kaart. In het blauw vinden we de invloed terug van rotsformaties met lagere dichtheid in de Ardennen en het Bekken van Parijs. De Roerdalslenk, in het blauw in het noordoosten, bestaat uit een dik pakket van minder dichte en recentere sedimenten.
- In de metrologie, is g voorbestemd om een sleutelrol te spelen bij de nieuwe definitie van de kilogram.
- In de geodesie, tot slot, is g onmisbaar voor het bepalen van de geoïde — dit is een vlak dat het gemiddeld zeeniveau vertegenwoordigt en de verderzetting ervan onder de continenten — en bijgevolg voor het meten van hoogtes.
De Koninklijke Sterrenwacht heeft in al deze domeinen een internationale reputatie opgebouwd, zowel op het vlak van wetenschappelijk onderzoek als op het vlak van technische expertise. Het beschikt hiervoor over relatieve gravimeters op basis van veren, twee relatieve gravimeters op basis van supergeleiding, alsook een absolute gravimeter.
In een relatieve gravimeter bevindt zich een massa in suspensie, waarvan de verplaatsing evenredig is met variaties van g. Meestal gaat het om mobiele instrumenten die ingezet kunnen worden voor metingen op het terrein. Naast dit type toestel, dat enkel veranderingen in g kan meten, geeft een absolute gravimeter direct de waarde van de valversnelling met een precisie van één miljardste (10-9) g, wat juist toelaat om relatieve gravimeters te ijken. In een absolute gravimeter wordt de afstand gemeten die in functie van de tijd wordt afgelegd door een massa in vrije val in een vacuümbuis, waaruit de waarde van g volgt.
Relatieve veergravimeters vertonen een sterke afwijking na verloop van tijd en moeten daarom regelmatig gecalibreerd worden, wat meestal storende temporele variaties veroorzaakt. Om deze reden heeft de Koninklijke Sterrenwacht in 1995 een supergeleidende gravimeter geïnstalleerd in het station van Membach, dicht bij Eupen. Een tweede supergeleidende gravimeter werd eind 2014 geïnstalleerd in een grot te Rochefort. In deze instrumenten is de aan een veer opgehangen massa vervangen door een sfeer die zweeft in een magneetveld opgewekt door een continue elektrische stroom in twee bobijnen. Dit geheel wordt supergeleidend gemaakt door het afgekoeld te houden bij een temperatuur van -269°C. Op deze manier wordt een grote stabiliteit gegarandeerd, wat toelaat om tijdvariaties van g te meten met een precisie die honderd maal groter is dan bij conventionele veergravimeters en daarnaast ook slechts een zeer kleine afwijking op langere termijn oplevert. In tegenstelling tot een veergravimeter kan een supergeleidende gravimeter echter niet verplaatst worden.
Dankzij metingen door supergeleidende en absolute gravimeters kunnen langetermijnvariaties gemeten worden die o.a. veroorzaakt worden door trage deformatie van de aardkorst of door geleidelijke veranderingen in het watergehalte van de bodem. Door de hoge precisie is de absolute gravimeter een referentie-instrument, waarmee de Koninklijke Sterrenwacht deelneemt aan talrijke internationale vergelijkingsstudies en waarmee de basispunten vastgelegd worden van het Belgisch gravimetrisch netwerk dat verder met behulp van veergravimeters wordt opgemeten.
Figuren : De absolute gravimeter FG5#202 bepaalt de valversnelling te Membach met een nauwkeurigheid van 10-9 g. In functie van de seizoenen en na correctie van gekende variabele effecten zoals de getijden varieert de waarde van g er tussen 9,810 467 20 en 9,810 470 30 m/s2. Sinds 1995 meet de supergeleidende gravimeter GWR#C021 continu de variaties van de valversnelling te Membach met een nauwkeurigheid van 10-10 g. De veergravimeter Scintrex CG5 is een instrument dat ingezet wordt op het terrein. Dit toestel meet de variaties van de zwaartekracht met een nauwkeurigheid van 10-8 g.
