Magyar Tudomány, 2008/06 704. o.

A klíma- és környezetváltozások földtudományi összefüggései



Globális klimatológiai változások hatása

a nehézségi ertérre, és annak mholdas

észlelési lehetségei


Földváry Lóránt

PhD, tudományos fmunkatárs

MTA–BME Fizikai Geodéziai és Geodinamikai Kutatócsoport

fl sci . fgt . bme . hu


Összegzés


A Föld inhomogén tömegeloszlása meglehetsen komplex nehézségi erteret hoz létre, mely ráadásul a Föld folyamatos tömegátrendezdései miatt állandó változásban van. A Föld nehézségi erterét, illetve annak idbeni változásait észlelve az azt kialakító tömegeloszlásra, illetve annak átrendezdéseire következtethetünk. A földi rendszer tömegátrendezdéseinek nagy része kapcsolatot mutat az éghajlattal vagy annak idbeli változásaival. A tömegeloszlással járó folyamatok elemzésére globális megoldást kínálnak a gravimetriai mholdak. Cikkünkben az éghajlatviszonyok észlelésének eddigi mholdas módszereit ismertetjük, majd évtizedünk legjelentsebb geodéziai fejlesztésének, a gravimetriai mholdaknak szerepét vizsgáljuk a globális éghajlatviszonyok észlelésében, és utalunk várható szerepükre az éghajlatváltozások diagnosztizálásában.


1. A Föld tömegátrendezdései


Jelenlegi ismereteink alapján a Föld számottev tömegátrendezdései a geoszférában (ott is a fels köpenyben és a kéregben), a hidroszférában (beleértve a krioszférát is), valamint az atmoszférában zajlanak le. Az I. táblázatban a Föld fenti felbontás szerinti jelentsebb tömegátrendezdéseit gyjtöttük össze (Ilk et al., 2005). (1. táblázat)

A táblázatból a hirtelen, rövid idej erhatások által okozott egyszeri, dinamikus tömegátrendezdésektl, nevezetesen a földrengésektl, a vulkánkitörésektl és a földcsuszamlástól eltekintve valamennyi említett folyamat az éghajlat alakulásáért felels tényez.

A tömegátrendezdések jellemzen (már csak anyagi minségi különbség okán is) nem lépnek ki egy-egy „tározóból”, azok határain belül mködnek. Itt elssorban 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 összetev 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 felels. Észlelésük és értelmezésük fontos a földi éghajlatviszonyok globális megértéséhez.


2. Éghajlatjellemz jelenségek

mholdas észlelése


Az éghajlattal kapcsolatos jelenségek globális észlelése az altimetriai mholdakkal a 90-es évek elején kezddött (Seeber, 1993). Kialakításukhoz a GPS mholdas helymeghatározó rendszer kiépülése elengedhetetlen feltétel volt. Az altimetriai mholdak után a következ nagy lépést 2000-ben az els gravimetriai mhold fellövése jelentette. Ezzel a globális éghajlat fizikai változásainak észlelési hálózata egy fontos szegmenssel kibvült. A 2. ábrán az éghajlattal kapcsolatos fizikai jelenségek észlelésének jelenleg használatos mholdas technikáit mutatjuk.

Az éghajlatviszonyok feltérképezésében részt vev mholdas észlelési technikák ismertetését adjuk a következkben, elssorban a cél szemszögébl fontos tulajdonságokra koncentrálva.

2.1 Helymeghatározó rendszerek

A globális mholdas rendszerek mholdjai napjainkra nagy pontosságú vonatkoztatási rendszereket alkotnak a Föld körül, amely mholdakra tetszleges földfelszíni pontból távolságot mérve, a Föld felszínén a helyzetünk nagy pontossággal meghatározható. A mholdak nagy pályamagassága lehetvé teszi a náluk alacsonyabban kering mholdak folyamatos pályameghatározását is. A pálya folyamatos ismerete pedig lehetséget nyújt egy mhold folyamatos méréseinek térbeli pontos elhelyezésére vagy geometriai méretek meghatározására, például a Föld felszínére végzett folyamatos távolságmérésekbl (ún. altimetria).

A globális helymeghatározó rendszerek közül a GPS-rendszer a 80-as évek második felétl 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 jelentsége, és ez igaz a mholdas alkalmazásokra is.

2.2 Óceántopográfia mholdas

altimetria segítségével

A mholdas altimetria alapelvét szemlélteti a 3. ábra. A mhold mikrohullámú jelet bocsát ki fedélzetérl, ami a víz felszínérl jól verdik vissza, és a visszavert jelet észleli. A jel terjedésébl a távolság könnyen meghatározható (Seeber, 1993). A GPS-mholdakra végzett folyamatos helymeghatározás lehetséget ad a vízfelszínek geometriájának kvázi folyamatos mérésére. A radar-altimetria legsikeresebb megvalósulása a TOPEX/Poseidon mhold (1992-tl napjainkig), amely segítségével az óceánok dinamikus topográfiáját elször lehetett globálisan meghatározni. A folyamatos mérések következtében az óceánfelszín geometriájának idrl idre nyert pontos ismerete a globális óceáni változások feltérképezésének nagyon fontos mérföldkövét jelenti.

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

Látható, hogy az eddig ismertetett megoldások mindegyike geometriai méretek, felszínek topográfiájának leírását adja. A geometriai ismeretet a tömegeloszlásra vonatkozó ismeretekkel egészítik ki a gravimetriai mholdak (Flury et al., 2006; Földváry, 2004). A tömegeloszlás meghatározásának alapelvét legegyszerbben a 2000-tl pályán lév CHAMP elnevezés mhold kapcsán lehet megmutatni (4. ábra).

Mivel a szabadon es mhold pályáját a nehézségi ertér alakítja ki, a mhold pályájának a folyamatos ismeretébl az azt kialakító ertérre, tehát a Föld nehézségi erterére lehet következtetni. A mhold pályáját a GPS-mholdakra végzett mérések adják meg, az egyéb, nem gravitációs eredet erhatások mérésére pedig (például légköri fékezés) a mhold fedélzetén elhelyezett gyorsulásmér szolgál.

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

A mholdas gradiometria megvalósulását a GOCE-mhold 2008 szeptemberére várható fellövése jelenti majd. A mholdas gradiometria elrendezését a 6. ábra mutatja. A mhold belsejében három pár gyorsulásmért helyeztek el egymásra merleges tengelyek mentén; ez a mszer a gradiométer. Az alapelv a GRACE alapelvéhez hasonló: egy-egy tengely mentén a gyorsulásmérk tömegeinek egymáshoz képesti elmozdulásából a nehézségi ertér változására következtethetünk az adott tengely irányában. A három egymásra merleges tengely a nehézségi er változásainak térbeli meghatározását teszi lehetvé. További különbséget jelent a GRACE-hez képest a mérési elrendezés méretaránya: a jóval kisebb méretek miatt a GOCE a nehézségi ertér változásának jóval kisebb frekvenciájú összetevinek meghatározására hivatott.


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


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

3.1 A GRACE mholdpár ismertetése

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

A Center for Space Research (a Texasi Egyetem rkutatóintézete) munkatársai b két év idtartamú nyers GRACE-mérést dolgoztak fel (Tapley et al., 2005). Eredményként húsz darab, közel harmincnapnyi adatból nyert globális nehézségi ertérmodellt kaptak. A 2. táblázatban a közel hónapnyi hosszúságú modellek egyszerbb jellemzit 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 fleg a hidrológiával, míg az óceáni területek az óceáni tömegáramokkal mutatnak egyezést. A GRACE-mérések alapján meghatározott nehézségi ertér modelleket ebben a tanulmányban a mhold eddigi eredményeinek elemzésére és szemléltetésére használjuk a következ pontban.

3.2 A GRACE eredményeinek szemléltetése

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




A gömbfüggvénysor matematikailag a nehézségi ertér kétdimenziós Fourier-soros alakjának felel meg. Az összefüggés gyakorlatilag a Föld nehézségi erterének potenciálfelületét közel gömb alakú felületként kezeli, és a gömbtl 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) összetevi ortonormális bázist alkotnak, a komponensek egymástól független tényezkként kezelhetk. Az összetevk függetlensége miatt a nehézségi ertér egy-egy tulajdonsága valamennyi komponensben, tehát valamennyi frekvencián egyenként nyilvánul meg. Így a teljes nehézségi ertér éves és féléves periódusú változásai is a nehézségi ertér minden frekvenciáján nyilvánulnak meg, a gömbfüggvényegyütthatók éves és féléves változásainak formájában.

A GRACE mérései alapján meghatározott nehézségi ertér modell együtthatóinak idbeni 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 index együtthatók nagyobb fontosságúak a globális nehézségi er-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 észrevehet (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 megfelel 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 egyenlíti lapultságát.

3.2.2 A geoid éves változásai • A nehézségi ertér szerkezetének geometriai szemléltetésére a közepes tengerszinteknek megfelel szintfelületet szokás használni, ez az ún. geoid. A 8. ábrán a teljes Föld geoidváltozásait mutatjuk be. A geoidváltozásokhoz idpontként a közel hónapnyi idtartam 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 tömegátrendezdésekhez kapcsolhatók, így például jól látható az Amazonas vízgyjt 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.) vízgyjt területein. Ezt a 10. ábrán mutatjuk be.

3.3 A GRACE-projekt

várható eredményei és folytatása

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

Az ötéves adatsor elreláthatólag lehetséget 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 közelít feltételezéseket az ötévnyi adatsor alapján tehetünk majd, mégsem várhatunk mérvadó eredményeket. Erre az adatsor még hosszabb ismerete szükséges. A GRACE mholdak az alacsony pályájuk miatt az ötéves várható idtartamot lényegesen nem tudják megnyújtani, így a folytonos adatsor biztosítása érdekében egy következ, hasonló elrendezés projektre lenne szükség. Egy idben sok szó esett a GRACE-projekt folytatásáról az EX-5 elnevezés projekt keretében (Watkins et al., 2000). Elzetesen 2007-es fellövést terveztek, amely megadta volna a szükséges átfedést a két projekt között, azonban a projekt indítását egyelre elhalasztották. A GRACE jelenleg az ötéves idtartamán 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 tömegátrendezdések, idben változó nehézségi ertér, rgravimetria, GRACE



IRODALOM

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

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

Biró Péter (1985): Felsgeodézia. (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 els évtizede: A gravimetriai mholdak korszaka. Magyar Geofizika. 45, 4, 118–124.

Földváry Lóránt (2007): Az évszakos nehézségi ertér változások GRACE mholdas 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





átrendezdés

globális tengerszintváltozás





posztglaciális izosztatikus



visszarendezdés






konvekciós áramlások a köpenyben






bels mag áthelyezdése





1. táblázat • A Föld jelentsebb tömegátrendezdései, tömegáramai.


1. ábra • A földi tömegáramok rendszere

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

4. ábra • A CHAMP mhold észlelési módszerének elvi sémája

5. ábra • A GRACE mholdak észlelési módszerének elvi sémája

6. ábra • A GOCE mhold észlelési módszerének elvi sémája




év

napok adott évben

napok száma

értelmezési nap

(2002. 01. 01-tl)





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 ertér modellek jellemzi




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

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

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

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


<-- Vissza a 2008/06 szám tartalomjegyzékére


<-- Vissza a Magyar Tudomány honlapra


[Információk] [Tartalom] [Akaprint Kft.]