Magyar Tudomány, 2008/06 704. o.

A klíma- és környezetváltozások földtudományi összefüggései



Globális klimatológiai változások hatása

a nehézségi erőtérre, és annak műholdas

észlelési lehetőségei


Földváry Lóránt

PhD, tudományos főmunkatárs

MTA–BME Fizikai Geodéziai és Geodinamikai Kutatócsoport

fl sci . fgt . bme . hu


Összegzés


A Föld inhomogén tömegeloszlása meglehetősen komplex nehézségi erőteret hoz létre, mely ráadásul a Föld folyamatos tömegátrendeződései miatt állandó változásban van. A Föld nehézségi erőterét, illetve annak időbeni változásait észlelve az azt kialakító tömegeloszlásra, illetve annak átrendeződéseire következtethetünk. A földi rendszer tömegátrendeződéseinek nagy része kapcsolatot mutat az éghajlattal vagy annak időbeli változásaival. A tömegeloszlással járó folyamatok elemzésére globális megoldást kínálnak a gravimetriai műholdak. Cikkünkben az éghajlatviszonyok észlelésének eddigi műholdas módszereit ismertetjük, majd évtizedünk legjelentősebb geodéziai fejlesztésének, a gravimetriai műholdaknak szerepét vizsgáljuk a globális éghajlatviszonyok észlelésében, és utalunk várható szerepükre az éghajlatváltozások diagnosztizálásában.


1. A Föld tömegátrendeződései


Jelenlegi ismereteink alapján a Föld számottevő tömegátrendeződései a geoszférában (ott is a felső köpenyben és a kéregben), a hidroszférában (beleértve a krioszférát is), valamint az atmoszférában zajlanak le. Az I. táblázatban a Föld fenti felbontás szerinti jelentősebb tömegátrendeződéseit gyűjtöttük össze (Ilk et al., 2005). (1. táblázat)

A táblázatból a hirtelen, rövid idejű erőhatások által okozott egyszeri, dinamikus tömegátrendeződésektől, nevezetesen a földrengésektől, a vulkánkitörésektől és a földcsuszamlástól eltekintve valamennyi említett folyamat az éghajlat alakulásáért felelős tényező.

A tömegátrendeződések jellemzően (már csak anyagi minőségi különbség okán is) nem lépnek ki egy-egy „tározóból”, azok határain belül működnek. Itt elsősorban az óceánokon belüli tömegáramokra, az atmoszféra légkörzésére vagy a földköpeny áramlásaira gondolunk, amelyek a tömegáramok méreteihez képest kis mértékben kavarodnak. Nyilván azért teljes elszigeteltségben egyik összetevő sincs jelen. Az 1. ábra a nagyobb tömegáram tartályokat (ahol az eljegesedéseket és a kontinentális vízháztartást elvi megfontolásból külön szegmenskent ábrázoljuk), valamint a köztük kialakuló tömegáramokat mutatja.

Mint már jeleztük, az ábrán is bemutatott tömegáramok mindegyike az éghajlattal szoros viszonyban áll, a kialakult éghajlatviszonyokért felelős. Észlelésük és értelmezésük fontos a földi éghajlatviszonyok globális megértéséhez.


2. Éghajlatjellemző jelenségek

műholdas észlelése


Az éghajlattal kapcsolatos jelenségek globális észlelése az altimetriai műholdakkal a 90-es évek elején kezdődött (Seeber, 1993). Kialakításukhoz a GPS műholdas helymeghatározó rendszer kiépülése elengedhetetlen feltétel volt. Az altimetriai műholdak után a következő nagy lépést 2000-ben az első gravimetriai műhold fellövése jelentette. Ezzel a globális éghajlat fizikai változásainak észlelési hálózata egy fontos szegmenssel kibővült. A 2. ábrán az éghajlattal kapcsolatos fizikai jelenségek észlelésének jelenleg használatos műholdas technikáit mutatjuk.

Az éghajlatviszonyok feltérképezésében részt vevő műholdas észlelési technikák ismertetését adjuk a következőkben, elsősorban a cél szemszögéből fontos tulajdonságokra koncentrálva.

2.1 Helymeghatározó rendszerek

A globális műholdas rendszerek műholdjai napjainkra nagy pontosságú vonatkoztatási rendszereket alkotnak a Föld körül, amely műholdakra tetszőleges földfelszíni pontból távolságot mérve, a Föld felszínén a helyzetünk nagy pontossággal meghatározható. A műholdak nagy pályamagassága lehetővé teszi a náluk alacsonyabban keringő műholdak folyamatos pályameghatározását is. A pálya folyamatos ismerete pedig lehetőséget nyújt egy műhold folyamatos méréseinek térbeli pontos elhelyezésére vagy geometriai méretek meghatározására, például a Föld felszínére végzett folyamatos távolságmérésekből (ún. altimetria).

A globális helymeghatározó rendszerek közül a GPS-rendszer a 80-as évek második felétől mérnöki használatra alkalmassá vált, majd 1994-re teljesen kiépült, míg a GLONASS teljes rendszere 1996-ra készült el (Ádám et al., 2004). A felhasználás szempontjából a GPS-nek van nagyobb gyakorlati jelentősége, és ez igaz a műholdas alkalmazásokra is.

2.2 Óceántopográfia műholdas

altimetria segítségével

A műholdas altimetria alapelvét szemlélteti a 3. ábra. A műhold mikrohullámú jelet bocsát ki fedélzetéről, ami a víz felszínéről jól verődik vissza, és a visszavert jelet észleli. A jel terjedéséből a távolság könnyen meghatározható (Seeber, 1993). A GPS-műholdakra végzett folyamatos helymeghatározás lehetőséget ad a vízfelszínek geometriájának kvázi folyamatos mérésére. A radar-altimetria legsikeresebb megvalósulása a TOPEX/Poseidon műhold (1992-től napjainkig), amely segítségével az óceánok dinamikus topográfiáját először lehetett globálisan meghatározni. A folyamatos mérések következtében az óceánfelszín geometriájának időről időre nyert pontos ismerete a globális óceáni változások feltérképezésének nagyon fontos mérföldkövét jelenti.

A TOPEX/Poseidon projekt számára további előrelépést jelentett a Jason–1 nevű műhold 2001-es fellövése. A műhold egy ideig a TOPEX/Poseidonhoz közel, azzal teljesen megegyező pályán keringett, és végzett altimetriai méréseket, amelyek alapján a műhold mérési képességeit a TOPEX/Poseidonhoz képest kalibrálták. Ezután a TOPEX/Poseidonnal „párhuzamos” pályára állították, ezzel a két műhold megduplázta a meghatározott topográfia felbontását, gyakorlatilag időegység alatt kétszer annyi területet térképeznek fel, mint amennyit a TOPEX/Poseidon egyedül képes. A radar-altimetria sikerének tudható be, hogy 2008-ra már tervezik a Jason–1 folytatását, az OSTM-et.

2.3 Jégtakarótopográfia észlelése

A jégtakaró észlelésének alapelve teljesen megegyezik az óceán felszínére végzett altimetriai mérésekével, csak szakmatörténetileg úgy alakult, hogy az altimetria kifejezés alatt csak az óceánok topográfiájának meghatározását értjük. A jégtakaró által visszavert mikrohullámú jel frekvenciája (nyilván) eltér valamelyest az óceáni altimetriához használt frekvenciától, de ez az alapelven nem változtat.

A jégtakaró észlelése már 1991-ben megindult az ERS–1 műholddal (lásd 2.4 pont), mégis, pusztán jégtakaró meghatározására irányuló műhold nem működött egészen 2003-ig. Ekkor az IceSat kezdte meg tevékenységét, amelyet azóta nem követett folytatás, bár említést kell tennünk a Cryosat projektről, amelynek fellövése során sajnálatos módon felrobbant a hordozórakéta, 2005-ben.

2.4 Kombinált altimetriai megoldások

Az altimetria hajnalán, 1991-ben a jégtakaró és az óceán topográfiájának meghatározására egyaránt alkalmas ERS–1 műhold indult útnak, amely körülbelül 2000-ig nyújtott használható eredményeket (tervezett küldetése 1996-ig tartott). Ezt 1995-től az ERS–2 egészítette ki (majd váltotta fel a fő tevékenységét), amit 2002-ben az ENVISAT követett. A kombinált megoldások csökkentik a költség/hasznos teher arányt, ám ez az egyes részfeladatok optimális kivitelezése szempontjából engedményeket követel meg.

2.5 Gravimetriai műholdak

Látható, hogy az eddig ismertetett megoldások mindegyike geometriai méretek, felszínek topográfiájának leírását adja. A geometriai ismeretet a tömegeloszlásra vonatkozó ismeretekkel egészítik ki a gravimetriai műholdak (Flury et al., 2006; Földváry, 2004). A tömegeloszlás meghatározásának alapelvét legegyszerűbben a 2000-től pályán lévő CHAMP elnevezésű műhold kapcsán lehet megmutatni (4. ábra).

Mivel a szabadon eső műhold pályáját a nehézségi erőtér alakítja ki, a műhold pályájának a folyamatos ismeretéből az azt kialakító erőtérre, tehát a Föld nehézségi erőterére lehet következtetni. A műhold pályáját a GPS-műholdakra végzett mérések adják meg, az egyéb, nem gravitációs eredetű erőhatások mérésére pedig (például légköri fékezés) a műhold fedélzetén elhelyezett gyorsulásmérő szolgál.

Ugyanezen elvnek kicsit finomított megoldását az 5. ábrán szemléltetjük a GRACE műholdak kapcsán. Két műhold kering közel azonos pályán, a CHAMP-hez hasonló elrendezésben. A két műhold között folyamatosan nagyon pontos távolságmérést végzünk. A távolság változásából a nehézségi erő-tér térbeli változásaira lehet következtetni.

A műholdas gradiometria megvalósulását a GOCE-műhold 2008 szeptemberére várható fellövése jelenti majd. A műholdas gradiometria elrendezését a 6. ábra mutatja. A műhold belsejében három pár gyorsulásmérőt helyeztek el egymásra merőleges tengelyek mentén; ez a műszer a gradiométer. Az alapelv a GRACE alapelvéhez hasonló: egy-egy tengely mentén a gyorsulásmérők tömegeinek egymáshoz képesti elmozdulásából a nehézségi erőtér változására következtethetünk az adott tengely irányában. A három egymásra merőleges tengely a nehézségi erő változásainak térbeli meghatározását teszi lehetővé. További különbséget jelent a GRACE-hez képest a mérési elrendezés méretaránya: a jóval kisebb méretek miatt a GOCE a nehézségi erőtér változásának jóval kisebb frekvenciájú összetevőinek meghatározására hivatott.


3. A gravitációs tér éves és féléves változásai GRACE-mérések alapján


A fent említett három gravimetriai műhold közül ténylegesen az éghajlat, illetve az éghajlatváltozások meghatározására legnagyobb segítséget a GRACE nyújthatja (Földváry, 2007). A GRACE pályáját úgy alakították ki, hogy az éves és a féléves periódusú változásokra legyen érzékeny. Éves és féléves változásokat az atmoszféra, az óceáni tömegáramok (főleg féléves periódus), valamint a kontinentális hidrológiai folyamatok (főleg éves periódus) okoznak.

3.1 A GRACE műholdpár ismertetése

A GRACE műholdak átlagban 485 km magasságban, közel poláris, és közel körpályán keringenek. A két műhold közötti mikrohullámú távolságmegváltozás mérésének pontossága 1 µm/s alatt van. Ezzel a mérési elrendezéssel lehetővé válik, hogy mintegy hónapnyi mérési adatból a globális nehézségi erőteret jó lefedettséggel, nagyon pontosan megismerjük. A havi felbontású modellek pedig a féléves, de főleg az éves periódusú változások értelmezését teszik lehetővé.

A Center for Space Research (a Texasi Egyetem űrkutatóintézete) munkatársai bő két év időtartamú nyers GRACE-mérést dolgoztak fel (Tapley et al., 2005). Eredményként húsz darab, közel harmincnapnyi adatból nyert globális nehézségi erőtérmodellt kaptak. A 2. táblázatban a közel hónapnyi hosszúságú modellek egyszerűbb jellemzőit mutatjuk.

A GRACE-modellek az atmoszféra által keltett tömegvonzást nem tartalmazzák, azokat egy globális atmoszféramodell alapján levonták. Erre a korrekcióra azért kerülhetett sor, mert a gyakorlatban az atmoszféra jobban ismert tömegáramokat kelt, mint az óceánok és a hidrológiai folyamatok. Így kontinentális területeken a GRACE-modellek éves változásai főleg a hidrológiával, míg az óceáni területek az óceáni tömegáramokkal mutatnak egyezést. A GRACE-mérések alapján meghatározott nehézségi erőtér modelleket ebben a tanulmányban a műhold eddigi eredményeinek elemzésére és szemléltetésére használjuk a következő pontban.

3.2 A GRACE eredményeinek szemléltetése

3.2.1 A gömbfüggvény-együtthatók éves változásai • A felsőgeodézia számára közismert a nehézségi erőtér gömbfüggvény soros leírása (Biró, 1985):




A gömbfüggvénysor matematikailag a nehézségi erőtér kétdimenziós Fourier-soros alakjának felel meg. Az összefüggés gyakorlatilag a Föld nehézségi erőterének potenciálfelületét közel gömb alakú felületként kezeli, és a gömbtől való eltéréseket kétdimenziós hullámok formájában írja le. A kétszeri szummázás az egyenletben a két dimenzió mentén a hullámhosszak szerinti integrálásnak felel meg. Egy-egy hullámhossz amplitúdóját a Fourier-együttható adja meg (ezeket az együtthatókat a geodéziai gyakorlatban gömbfüggvény-együtthatóknak nevezzük). Mivel a gömbfüggvénysor hullámhosszankénti (frekvencia szerinti) összetevői ortonormális bázist alkotnak, a komponensek egymástól független tényezőkként kezelhetők. Az összetevők függetlensége miatt a nehézségi erőtér egy-egy tulajdonsága valamennyi komponensben, tehát valamennyi frekvencián egyenként nyilvánul meg. Így a teljes nehézségi erőtér éves és féléves periódusú változásai is a nehézségi erőtér minden frekvenciáján nyilvánulnak meg, a gömbfüggvényegyütthatók éves és féléves változásainak formájában.

A GRACE mérései alapján meghatározott nehézségi erőtér modell együtthatóinak időbeni változásait jelenítjük meg a 7. ábrán. Megjegyzésképpen: a nagyobb indexek a kisebb hullámhosszaknak felelnek meg. A nagyobb hullámhosszakhoz rendszerint nagyobb amplitúdó is tartozik; mondhatjuk ezért, hogy a kisebb indexű együtthatók nagyobb fontosságúak a globális nehézségi erő-tér kialakításában.

Az ábrákon látható görbék közel kétévi változást szemléltetnek. A földi rendszerben az éves változás amplitúdója nagyobb a fél évesnél, így szemre az éves változást próbálhatjuk meg felfedezni. Ez egyes együtthatók esetén elég szépen észrevehető (például C3,0, S4,2 vagy C4,4), ami azt jelenti, hogy adott frekvencián a változásokban ténylegesen éves periódus a domináns. Más együtthatók, így például a C2,0, semmilyen periodikus változást nem mutatnak, ami vagy azt jelenti, hogy a periodikus változások nagyságrendje elhanyagolható az egyéb változásokhoz képest, vagy azt, hogy a mérés geometriai elrendezése nem volt megfelelő adott frekvencia változásainak feltérképezésére. A C2,0 tag éves változásainak hiánya komoly gyengéje a megoldásnak, hiszen ez az együttható az ábrákon feltüntetett együtthatók közül a legnagyobb amplitúdójú, ez az együttható adja meg a Föld szabályos gömbhöz képesti egyenlítői lapultságát.

3.2.2 A geoid éves változásai • A nehézségi erőtér szerkezetének geometriai szemléltetésére a közepes tengerszinteknek megfelelő szintfelületet szokás használni, ez az ún. geoid. A 8. ábrán a teljes Föld geoidváltozásait mutatjuk be. A geoidváltozásokhoz időpontként a közel hónapnyi időtartam közepét rendeltük hozzá, és tüntettük fel az ábrák alján.

A 8. ábrán az éves ciklus a legtöbb helyen kiválóan látszik, különösen a kontinentális területeken, ami a hidrológiai folyamatok nagy egyéves periódusával jó összhangban van. Egyes területek jól ismert tömegátrendeződésekhez kapcsolhatók, így például jól látható az Amazonas vízgyűjtő medencéjének éves periódusú változása. Ezt a területet külön kiemelve mutatjuk a 9. ábrán. Szintén jellegzetes éves periódus látható az egykori Indokína területén, a Himalája vízválasztótól a Bengáli-öbölbe torkolló folyamok (Gangesz, Brahmaputra, Irrawady stb.) vízgyűjtő területein. Ezt a 10. ábrán mutatjuk be.

3.3 A GRACE-projekt

várható eredményei és folytatása

A GRACE aktív korszaka első két évének eredményeiben éves változásokat kerestünk vizuálisan. Bizonyos frekvenciákon, illetve bizonyos területeken az éves periódus szépen kivehetőnek bizonyult. A gyakorlatban a kétévi adatsorból nyert éves periódus csak közelítő becslésnek fogadható el, és egyelőre mindössze az elképzelés hitelesítésére alkalmas. Hidrológiai és oceanográfiai alkalmazások számára hosszabb adatsorra van szükség, amelyek gyűjtése 2008-ig folyamatosan tart.

Az ötéves adatsor előreláthatólag lehetőséget ad majd az éves és féléves változások értékének jó becslésére, és az ismert éghajlatalakító hasonló periódusú jelenségek elemzésére, a kapcsolódó oceanográfiai és hidrológiai modellek pontosítására. A jelenlegi adatmennyiséggel azonban ez nem lehetséges.

Távolabbi cél a hosszabb periódusú és szekuláris éghajlatváltozások elemzése. Ezekre nagyon közelítő feltételezéseket az ötévnyi adatsor alapján tehetünk majd, mégsem várhatunk mérvadó eredményeket. Erre az adatsor még hosszabb ismerete szükséges. A GRACE műholdak az alacsony pályájuk miatt az ötéves várható időtartamot lényegesen nem tudják megnyújtani, így a folytonos adatsor biztosítása érdekében egy következő, hasonló elrendezésű projektre lenne szükség. Egy időben sok szó esett a GRACE-projekt folytatásáról az EX-5 elnevezésű projekt keretében (Watkins et al., 2000). Előzetesen 2007-es fellövést terveztek, amely megadta volna a szükséges átfedést a két projekt között, azonban a projekt indítását egyelőre elhalasztották. A GRACE jelenleg az ötéves időtartamán túl is hatékonyan folytatja a tevékenységét, azonban az adatsor hosszú távú folytatására ez nem jelent megoldást.


A tanulmány a Bolyai-ösztöndíj támogatásával készült.


Kulcsszavak: klímaváltozás, földi tömegátrendeződések, időben változó nehézségi erőtér, űrgravimetria, GRACE



IRODALOM

Ádám József – Bányai L. – Borza T. – Busics Gy. – Kenyeres A. – Krauter A. – Takács B. (szerk.), (2004): Műholdas helymeghatározás. (egyetemi tankönyv) Műegyetemi, Budapest

Ádám József (2007): Globális Geodéziai Megfigyelőrendszer. Magyar Tudomány. 5, 563–576.

Biró Péter (1985): Felsőgeodézia. (egyetemi jegyzet) Tankönyvkiadó, Budapest

Flury, Jakob – Rummel, R. – Reigber, Ch. – Rothacher, M. – Boedecker, G. – Schreiber, U. (eds.) (2006): Observation of the Earth System from Space. Springer-Verlag, Berlin–Heidelberg

Földváry Lóránt (2004): A 2000-es évek első évtizede: A gravimetriai műholdak korszaka. Magyar Geofizika. 45, 4, 118–124.

Földváry Lóránt (2007): Az évszakos nehézségi erőtér változások GRACE műholdas meghatározásának pontossági kérdései, Geodézia és Kartográfia. 59, 8–9, 40–46.

Ilk, Karl-Heinz – Flury, J. – Rummel, R. – Schwintyer, P. – Bosch, W. – Haas, C. – Schröter, J. – Stammer, D. – Zahel, W. – Miller, H. – Dietrich, R. – Huybrechts, P. – Schmeling, H. – Wolf, D. – Götze, H. J. – Riegger, J. – Bardossy, A. – Güntner, A. – Gruber, Th. (2005): Moass Transport and Mass Distribution in the Earth System. GOCE Projektbüro Deutschland, Technische Universität München– GeoForschungsZentrum, Potsdam

Seeber, Günter (1993): Satellite Geodesy. Walter de Gruyter, Berlin, New York, p. 532

Tapley, Byron – Ries, J. – Bettadpur, S. – Chambers, D. – Cheng, M. – Condi, F. – Gunter, B. – Kang, Z. – Nagel, P. – Pastor, R. – Pekker, T. – Poole, S. – Wang, F. (2005): GGM02 – An improved Earth Gravity Field Model from GRACE. Journal of Geodesy. DOI 10.1007/s00190-005-0480-z

Watkins, Michael M. – Folkner, W. M. – Chao, B. F. – Tapley, B. D. (2000): The NASA EX-5 Mission: A Laser Interferometer Follow-on to GRACE. Technical Program and Abstracts of IAG International Symposium GGG2000, Banff, Alberta, Canada






GEOSZFÉRA

HIDROSZFÉRA

ATMOSZFÉRA




földrengés

óceáni transzportfolyamatok

globális légkörzés




vulkánkitörés

mélytengeri áramlások

atmoszferikus árapály




tektonikus mozgás

vízkörforgás





földcsuszamlás

árapály jelenségek





glaciális izosztatikus

jégtakaró és jégolvadás





átrendeződés

globális tengerszintváltozás





posztglaciális izosztatikus



visszarendeződés






konvekciós áramlások a köpenyben






belső mag áthelyeződése





1. táblázat • A Föld jelentősebb tömegátrendeződései, tömegáramai.


1. ábra • A földi tömegáramok rendszere

2. ábra • A globális földmegfigyelő rendszer (Global Earth Orbiting Satellite Systems [Ádám, 2007]) műholdas technikái, amelyek alapján az éghajlattal kapcsolatos jelenségek észlelését végzik. N – geoid unduláció; H – a tengerfelszín topográfiája; h – közepes tengerszint ellipszoid feletti magassága (Forrás: http://tau.fesg.tu-muenchen.de/~iapg/web/index.php )

3. ábra • A műholdas altimetria alapelve (Forrás: http://tau.fesg.tu-muenchen.de/~iapg/web/index.php )

4. ábra • A CHAMP műhold észlelési módszerének elvi sémája

5. ábra • A GRACE műholdak észlelési módszerének elvi sémája

6. ábra • A GOCE műhold észlelési módszerének elvi sémája




év

napok adott évben

napok száma

értelmezési nap

(2002. 01. 01-től)





2002

104–138

34

121

2002

213–243

30

228

2002

244–273

29

258,5

2002

274–304

30

289

2002

305–334

29

319,5

2003

035–059

24

412

2003

060–090

30

440

2003

091–119

28

470

2003

114–140

26

492

2003

182–212

30

562

2003

213–243

30

593

2003

244–273

29

623,5

2003

274–304

30

654

2003

305–334

29

684,5

2003

335–365

30

715

2004

001–013

12

737

2004

035–060

25

777,5

2004

061–091

30

806

2004

092–120

28

836

2004

122–152

30

867


2. táblázat • A tanulmányban használt globális nehézségi erőtér modellek jellemzői




7. ábra • A GRACE-mérések alapján meghatározott gömbfüggvény-együtthatók időbeni változása

8. ábra • A GRACE-mérések alapján meghatározott geoid képek időbeni változása

9. ábra • A GRACE-mérések alapján meghatározott geoid képek időbeni változása az Amazonas vízgyűjtője környékén

10. ábra • A GRACE-mérések alapján meghatározott geoid képek időbeni változása Indokína területén


<-- Vissza a 2008/06 szám tartalomjegyzékére


<-- Vissza a Magyar Tudomány honlapra