Un gradiometro misura la velocità di variazione che si verifica in una quantità nota, che può coinvolgere qualsiasi cosa, dalla temperatura alla pressione, a un campo magnetico o gravimetrico. I gradiometri hanno numerose e diffuse applicazioni nella scienza. Sono utilizzati in tutto, dall’archeologia alla mappatura della superficie terrestre e del clima.
Un gradiometro gravitazionale può essere utilizzato per misurare la densità degli strati di terra sotto la superficie per l’esplorazione di petrolio e minerali. Sono in fase di sviluppo versioni miniaturizzate per rilevare gli oceani sotto la superficie, come potrebbe avere la luna di Saturno Encelado. Gradiometri radio sono stati installati su veicoli aerei senza equipaggio (UAV) che l’esercito americano utilizza per rilevare i fili conduttori di ordigni esplosivi improvvisati (IED) sotto le strade in Iraq, e sono anche impiegati per rilevare i tunnel sotterranei attraverso il Messico verso gli Stati Uniti confine che i trafficanti di droga usano. Poiché un gradiometro è anche un tipo di inclinometro, può anche essere utilizzato per misurare gli angoli rispetto all’orizzonte per attrezzature da costruzione e rilevamento, percorsi di volo di aerei e ciclisti sportivi di fondo.
La gradiometria gravitazionale ha vari livelli di sofisticazione per misurare diversi assi di accelerazione, che dipende da quante unità di misura indipendenti gradiometro o accelerometro sono incorporate in un dispositivo. Tutti i gradiometri, tuttavia, prendono i dati prodotti e li confrontano con una quantità standard per determinare il tasso di variazione o pendenza del gradiente esistente. La tecnologia del gradiometro gravitazionale è già in uso nello spazio nel campo Gravity e nello stato stazionario Ocean Circulation Explorer (GOCE), che è stato lanciato dall’Agenzia spaziale europea (ESA) nell’orbita terrestre bassa nel 2009.
L’imbarcazione GOCE orbita nell’atmosfera esterna ad un’altezza di 162 miglia (260 chilometri) per aumentare la risoluzione dei gradiometri a bordo, dove studia il comportamento delle correnti oceaniche e dell’attività vulcanica. A partire dal 2009, i ricercatori dell’Università di Twente nei Paesi Bassi stanno progettando una versione in miniatura del gradiometro basata su principi simili, che peserebbe solo 35 once (un chilogrammo) e potrebbe essere aggiunta alle sonde spaziali inviate per esplorare il sistema solare. Due masse caricate a molla sospese da molle misurerebbero variazioni comparabili nell’attrazione gravitazionale alla scala del picometro, o un trilionesimo di metro. Questi gradiometri potrebbero risolvere le caratteristiche lunari del sottosuolo di 124 miglia (200 chilometri) di diametro o meno.
I gradiometri a onde radio, originariamente utilizzati nell’industria mineraria come unità portatili, sono stati adattati nel 2004 per volare su aerei UAV a circa 200 piedi (61 metri) dal suolo. Trasmettono un’onda radio e rilevano i riflessi dell’onda indietro che sono alterati dalla presenza di conduttori metallici sotto la superficie o strutture cave. L’onda radio originale viene filtrata come una sorta di rumore dai rivelatori, il che rende possibile vedere le variazioni molto più deboli dell’onda dovute alle differenze di gradiente nel sottosuolo. Il governo degli Stati Uniti ha continuato a sponsorizzare l’uso e lo sviluppo di tali sistemi radiogradometrici con test sul campo in corso a partire dal 2007 e 2008.
Un altro tipo di gradiometro è il gradiometro magnetico utilizzato in archeologia e campi correlati. Dimostra la capacità di non essere influenzato dalle fluttuazioni del campo magnetico terrestre causate dalle tempeste magnetiche e viene utilizzato per individuare anomalie molto piccole vicino alla superficie che potrebbero indicare fossili o altri depositi di antiche civiltà. Il gradiometro fluxgate e il sensore di vapore di cesio vengono utilizzati insieme per misurare il campo magnetico che la Terra impartisce alle pareti sepolte, ai resti di oggetti bruciati e così via nel tempo. Queste letture vengono quindi confrontate con il campo magnetico di fondo della Terra per individuare le caratteristiche archeologiche a basse profondità.