Un gradiómetro mide la tasa de cambio que ocurre en una cantidad conocida, que puede involucrar cualquier cosa, desde la temperatura hasta la presión y un campo magnético o gravimétrico. Los gradiómetros tienen numerosas aplicaciones generalizadas en la ciencia. Se utilizan en todo, desde la arqueología hasta el mapeo de la superficie y el clima de la Tierra.
Se puede usar un gradiómetro de gravedad para medir la densidad de las capas de tierra debajo de la superficie para la exploración de petróleo y minerales. Se están desarrollando versiones miniaturizadas de ellos para detectar océanos subsuperficiales, como el que podría tener Encelado, la luna de Saturno. Se han colocado radio gradiómetros en vehículos aéreos no tripulados (UAV) que el ejército de los EE. UU. Usa para detectar los cables conductores de dispositivos explosivos improvisados (IED) debajo de las carreteras en Irak, y también se emplean para detectar túneles subterráneos a través de México a EE. UU. frontera que utilizan los narcotraficantes. Dado que un gradiómetro también es un tipo de inclinómetro, también se pueden usar para medir ángulos con respecto al horizonte para equipos de construcción y topografía, trayectorias de vuelo de aviones y ciclistas deportivos de fondo.
La gradiometría de gravedad tiene diferentes niveles de sofisticación para medir diferentes ejes de aceleración, que depende de cuántas unidades de gradiómetro o acelerómetro de medición independientes se incorporen en un dispositivo. Todos los gradiómetros, sin embargo, toman los datos producidos y los comparan con una cantidad estándar para determinar la tasa de cambio o pendiente de gradiente que existe. La tecnología de gradiómetro de gravedad ya se está utilizando en el espacio en el campo Gravity y Ocean Circulation Explorer (GOCE) de estado estable, que fue lanzado por la Agencia Espacial Europea (ESA) a la órbita terrestre baja en 2009.
La nave GOCE orbita en la atmósfera exterior a una altura de 162 millas (260 kilómetros) para aumentar la resolución de los gradiómetros a bordo, donde estudia el comportamiento de las corrientes oceánicas y la actividad volcánica. A partir de 2009, los investigadores de la Universidad de Twente en los Países Bajos están diseñando una versión en miniatura de gradiómetro basada en principios similares, que pesaría solo 35 onzas (un kilogramo) y podría agregarse a las sondas espaciales enviadas para explorar el sistema solar. Dos masas cargadas por resorte suspendidas por resortes medirían variaciones comparables en la atracción gravitacional a la escala del picómetro, o una billonésima parte de un metro. Estos gradiómetros podrían resolver características lunares subsuperficiales de 124 millas (200 kilómetros) de diámetro o menos.
Los gradiómetros de ondas de radio, originalmente utilizados en la industria minera como unidades portátiles, se adaptaron en 2004 para volar en aviones UAV a unos 200 pies (61 metros) sobre el suelo. Emiten una onda de radio y detectan reflejos de la onda hacia atrás que se ven alterados por la presencia de conductores metálicos debajo de la superficie o estructuras huecas. Los detectores filtran la onda de radio original como una especie de ruido, lo que permite ver las variaciones mucho más débiles en la onda debido a las diferencias de gradiente bajo tierra. El gobierno de los EE. UU. Ha seguido patrocinando el uso y desarrollo de dichos sistemas de radio gradiómetro con pruebas de campo en curso desde 2007 y 2008.
Otro tipo de gradiómetro es el gradiómetro magnético utilizado en arqueología y campos relacionados. Demuestra la capacidad de no verse afectado por las fluctuaciones en el campo magnético de la Tierra causadas por tormentas magnéticas y se utiliza para localizar anomalías muy pequeñas cerca de la superficie que podrían indicar fósiles u otros depósitos de civilizaciones antiguas. Los diseños del gradiómetro fluxgate y del sensor de vapor de cesio se utilizan juntos para medir el campo magnético que la Tierra imparte a las paredes enterradas, restos de objetos disparados, etc., a lo largo del tiempo. Estas lecturas se comparan luego con el campo magnético de fondo de la Tierra para localizar características arqueológicas a poca profundidad.