Magyar Tudomány, 2008/06 704. o.

A klíma- és környezetváltozások földtudományi összefüggései



Globális klimatológiai változások hatása

a nehézségi erõtérre, és annak mûholdas

észlelési lehetõségei


Földváry Lóránt

PhD, tudományos fõmunkatárs

MTA–BME Fizikai Geodéziai és Geodinamikai Kutatócsoport

fl sci . fgt . bme . hu


Összegzés


A Föld inhomogén tömegeloszlása meglehetõsen komplex nehézségi erõteret hoz létre, mely ráadásul a Föld folyamatos tömegátrendezõdései miatt állandó változásban van. A Föld nehézségi erõterét, illetve annak idõbeni változásait észlelve az azt kialakító tömegeloszlásra, illetve annak átrendezõdéseire következtethetünk. A földi rendszer tömegátrendezõdéseinek nagy része kapcsolatot mutat az éghajlattal vagy annak idõbeli változásaival. A tömegeloszlással járó folyamatok elemzésére globális megoldást kínálnak a gravimetriai mûholdak. Cikkünkben az éghajlatviszonyok észlelésének eddigi mûholdas módszereit ismertetjük, majd évtizedünk legjelentõsebb geodéziai fejlesztésének, a gravimetriai mûholdaknak szerepét vizsgáljuk a globális éghajlatviszonyok észlelésében, és utalunk várható szerepükre az éghajlatváltozások diagnosztizálásában.


1. A Föld tömegátrendezõdései


Jelenlegi ismereteink alapján a Föld számottevõ tömegátrendezõdései a geoszférában (ott is a felsõ köpenyben és a kéregben), a hidroszférában (beleértve a krioszférát is), valamint az atmoszférában zajlanak le. Az I. táblázatban a Föld fenti felbontás szerinti jelentõsebb tömegátrendezõdéseit gyûjtöttük össze (Ilk et al., 2005). (1. táblázat)

A táblázatból a hirtelen, rövid idejû erõhatások által okozott egyszeri, dinamikus tömegátrendezõdésektõl, nevezetesen a földrengésektõl, a vulkánkitörésektõl és a földcsuszamlástól eltekintve valamennyi említett folyamat az éghajlat alakulásáért felelõs tényezõ.

A tömegátrendezõdések jellemzõen (már csak anyagi minõségi különbség okán is) nem lépnek ki egy-egy „tározóból”, azok határain belül mûködnek. Itt elsõsorban 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 összetevõ 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 felelõs. Észlelésük és értelmezésük fontos a földi éghajlatviszonyok globális megértéséhez.


2. Éghajlatjellemzõ jelenségek

mûholdas észlelése


Az éghajlattal kapcsolatos jelenségek globális észlelése az altimetriai mûholdakkal a 90-es évek elején kezdõdött (Seeber, 1993). Kialakításukhoz a GPS mûholdas helymeghatározó rendszer kiépülése elengedhetetlen feltétel volt. Az altimetriai mûholdak után a következõ nagy lépést 2000-ben az elsõ gravimetriai mûhold fellövése jelentette. Ezzel a globális éghajlat fizikai változásainak észlelési hálózata egy fontos szegmenssel kibõvült. A 2. ábrán az éghajlattal kapcsolatos fizikai jelenségek észlelésének jelenleg használatos mûholdas technikáit mutatjuk.

Az éghajlatviszonyok feltérképezésében részt vevõ mûholdas észlelési technikák ismertetését adjuk a következõkben, elsõsorban a cél szemszögébõl fontos tulajdonságokra koncentrálva.

2.1 Helymeghatározó rendszerek

A globális mûholdas rendszerek mûholdjai napjainkra nagy pontosságú vonatkoztatási rendszereket alkotnak a Föld körül, amely mûholdakra tetszõleges földfelszíni pontból távolságot mérve, a Föld felszínén a helyzetünk nagy pontossággal meghatározható. A mûholdak nagy pályamagassága lehetõvé teszi a náluk alacsonyabban keringõ mûholdak folyamatos pályameghatározását is. A pálya folyamatos ismerete pedig lehetõséget nyújt egy mûhold folyamatos méréseinek térbeli pontos elhelyezésére vagy geometriai méretek meghatározására, például a Föld felszínére végzett folyamatos távolságmérésekbõl (ún. altimetria).

A globális helymeghatározó rendszerek közül a GPS-rendszer a 80-as évek második felétõl 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 jelentõsége, és ez igaz a mûholdas alkalmazásokra is.

2.2 Óceántopográfia mûholdas

altimetria segítségével

A mûholdas altimetria alapelvét szemlélteti a 3. ábra. A mûhold mikrohullámú jelet bocsát ki fedélzetérõl, ami a víz felszínérõl jól verõdik vissza, és a visszavert jelet észleli. A jel terjedésébõl a távolság könnyen meghatározható (Seeber, 1993). A GPS-mûholdakra végzett folyamatos helymeghatározás lehetõséget ad a vízfelszínek geometriájának kvázi folyamatos mérésére. A radar-altimetria legsikeresebb megvalósulása a TOPEX/Poseidon mûhold (1992-tõl napjainkig), amely segítségével az óceánok dinamikus topográfiáját elõször lehetett globálisan meghatározni. A folyamatos mérések következtében az óceánfelszín geometriájának idõrõl idõre nyert pontos ismerete a globális óceáni változások feltérképezésének nagyon fontos mérföldkövét jelenti.

A TOPEX/Poseidon projekt számára további elõrelépést jelentett a Jason–1 nevû mûhold 2001-es fellövése. A mûhold egy ideig a TOPEX/Poseidonhoz közel, azzal teljesen megegyezõ pályán keringett, és végzett altimetriai méréseket, amelyek alapján a mûhold mérési képességeit a TOPEX/Poseidonhoz képest kalibrálták. Ezután a TOPEX/Poseidonnal „párhuzamos” pályára állították, ezzel a két mûhold megduplázta a meghatározott topográfia felbontását, gyakorlatilag idõegység 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 mûholddal (lásd 2.4 pont), mégis, pusztán jégtakaró meghatározására irányuló mûhold nem mûködött egészen 2003-ig. Ekkor az IceSat kezdte meg tevékenységét, amelyet azóta nem követett folytatás, bár említést kell tennünk a Cryosat projektrõl, 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 mûhold indult útnak, amely körülbelül 2000-ig nyújtott használható eredményeket (tervezett küldetése 1996-ig tartott). Ezt 1995-tõl az ERS–2 egészítette ki (majd váltotta fel a fõ 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 mûholdak

Látható, hogy az eddig ismertetett megoldások mindegyike geometriai méretek, felszínek topográfiájának leírását adja. A geometriai ismeretet a tömegeloszlásra vonatkozó ismeretekkel egészítik ki a gravimetriai mûholdak (Flury et al., 2006; Földváry, 2004). A tömegeloszlás meghatározásának alapelvét legegyszerûbben a 2000-tõl pályán lévõ CHAMP elnevezésû mûhold kapcsán lehet megmutatni (4. ábra).

Mivel a szabadon esõ mûhold pályáját a nehézségi erõtér alakítja ki, a mûhold pályájának a folyamatos ismeretébõl az azt kialakító erõtérre, tehát a Föld nehézségi erõterére lehet következtetni. A mûhold pályáját a GPS-mûholdakra végzett mérések adják meg, az egyéb, nem gravitációs eredetû erõhatások mérésére pedig (például légköri fékezés) a mûhold fedélzetén elhelyezett gyorsulásmérõ szolgál.

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

A mûholdas gradiometria megvalósulását a GOCE-mûhold 2008 szeptemberére várható fellövése jelenti majd. A mûholdas gradiometria elrendezését a 6. ábra mutatja. A mûhold belsejében három pár gyorsulásmérõt helyeztek el egymásra merõleges tengelyek mentén; ez a mûszer a gradiométer. Az alapelv a GRACE alapelvéhez hasonló: egy-egy tengely mentén a gyorsulásmérõk tömegeinek egymáshoz képesti elmozdulásából a nehézségi erõtér változására következtethetünk az adott tengely irányában. A három egymásra merõleges tengely a nehézségi erõ változásainak térbeli meghatározását teszi lehetõvé. További különbséget jelent a GRACE-hez képest a mérési elrendezés méretaránya: a jóval kisebb méretek miatt a GOCE a nehézségi erõtér változásának jóval kisebb frekvenciájú összetevõinek meghatározására hivatott.


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


A fent említett három gravimetriai mûhold 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 (fõleg féléves periódus), valamint a kontinentális hidrológiai folyamatok (fõleg éves periódus) okoznak.

3.1 A GRACE mûholdpár ismertetése

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

A Center for Space Research (a Texasi Egyetem ûrkutatóintézete) munkatársai bõ két év idõtartamú nyers GRACE-mérést dolgoztak fel (Tapley et al., 2005). Eredményként húsz darab, közel harmincnapnyi adatból nyert globális nehézségi erõtérmodellt kaptak. A 2. táblázatban a közel hónapnyi hosszúságú modellek egyszerûbb jellemzõit 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 fõleg a hidrológiával, míg az óceáni területek az óceáni tömegáramokkal mutatnak egyezést. A GRACE-mérések alapján meghatározott nehézségi erõtér modelleket ebben a tanulmányban a mûhold eddigi eredményeinek elemzésére és szemléltetésére használjuk a következõ pontban.

3.2 A GRACE eredményeinek szemléltetése

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




A gömbfüggvénysor matematikailag a nehézségi erõtér kétdimenziós Fourier-soros alakjának felel meg. Az összefüggés gyakorlatilag a Föld nehézségi erõterének potenciálfelületét közel gömb alakú felületként kezeli, és a gömbtõl 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) összetevõi ortonormális bázist alkotnak, a komponensek egymástól független tényezõkként kezelhetõk. Az összetevõk függetlensége miatt a nehézségi erõtér egy-egy tulajdonsága valamennyi komponensben, tehát valamennyi frekvencián egyenként nyilvánul meg. Így a teljes nehézségi erõtér éves és féléves periódusú változásai is a nehézségi erõtér minden frekvenciáján nyilvánulnak meg, a gömbfüggvényegyütthatók éves és féléves változásainak formájában.

A GRACE mérései alapján meghatározott nehézségi erõtér modell együtthatóinak idõbeni 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 indexû együtthatók nagyobb fontosságúak a globális nehézségi erõ-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 észrevehetõ (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 megfelelõ 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 egyenlítõi lapultságát.

3.2.2 A geoid éves változásai • A nehézségi erõtér szerkezetének geometriai szemléltetésére a közepes tengerszinteknek megfelelõ szintfelületet szokás használni, ez az ún. geoid. A 8. ábrán a teljes Föld geoidváltozásait mutatjuk be. A geoidváltozásokhoz idõpontként a közel hónapnyi idõtartam 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 tömegátrendezõdésekhez kapcsolhatók, így például jól látható az Amazonas vízgyûjtõ 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.) vízgyûjtõ területein. Ezt a 10. ábrán mutatjuk be.

3.3 A GRACE-projekt

várható eredményei és folytatása

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

Az ötéves adatsor elõreláthatólag lehetõséget 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 közelítõ feltételezéseket az ötévnyi adatsor alapján tehetünk majd, mégsem várhatunk mérvadó eredményeket. Erre az adatsor még hosszabb ismerete szükséges. A GRACE mûholdak az alacsony pályájuk miatt az ötéves várható idõtartamot lényegesen nem tudják megnyújtani, így a folytonos adatsor biztosítása érdekében egy következõ, hasonló elrendezésû projektre lenne szükség. Egy idõben sok szó esett a GRACE-projekt folytatásáról az EX-5 elnevezésû projekt keretében (Watkins et al., 2000). Elõzetesen 2007-es fellövést terveztek, amely megadta volna a szükséges átfedést a két projekt között, azonban a projekt indítását egyelõre elhalasztották. A GRACE jelenleg az ötéves idõtartamán 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 tömegátrendezõdések, idõben változó nehézségi erõtér, ûrgravimetria, GRACE



IRODALOM

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

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

Biró Péter (1985): Felsõgeodézia. (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 elsõ évtizede: A gravimetriai mûholdak korszaka. Magyar Geofizika. 45, 4, 118–124.

Földváry Lóránt (2007): Az évszakos nehézségi erõtér változások GRACE mûholdas 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





átrendezõdés

globális tengerszintváltozás





posztglaciális izosztatikus



visszarendezõdés






konvekciós áramlások a köpenyben






belsõ mag áthelyezõdése





1. táblázat • A Föld jelentõsebb tömegátrendezõdései, tömegáramai.


1. ábra • A földi tömegáramok rendszere

2. ábra • A globális földmegfigyelõ rendszer (Global Earth Orbiting Satellite Systems [Ádám, 2007]) mûholdas 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 mûholdas altimetria alapelve (Forrás: http://tau.fesg.tu-muenchen.de/~iapg/web/index.php )

4. ábra • A CHAMP mûhold észlelési módszerének elvi sémája

5. ábra • A GRACE mûholdak észlelési módszerének elvi sémája

6. ábra • A GOCE mûhold észlelési módszerének elvi sémája




év

napok adott évben

napok száma

értelmezési nap

(2002. 01. 01-tõl)





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 erõtér modellek jellemzõi




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

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

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

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


<-- Vissza a 2008/06 szám tartalomjegyzékére


<-- Vissza a Magyar Tudomány honlapra


[Információk] [Tartalom] [Akaprint Kft.]