Minden nappal kisebb lesz Magyarország területe
Lemeztektonika a világűrből
A GNSS az egyetlen olyan technológia, amely a globálistól a helyi szintű mérésekig képes a centiméteres, sőt tudományos vizsgálatokhoz a milliméteres pontosságú koordináták meghatározására egységes koordináta-rendszerben. Összevethetővé és egységesen elemezhetővé válnak így a világon bárhol meghatározott koordináták, illetve a hosszabb mérési sorozatok alapján a mm/év nagyságrendűnél is kisebb elmozdulások.
Ahhoz, hogy mindez jól működhessen, az alapul szolgáló GNSS-rendszereken túl szükségesek: (1) egy globális hálózati infrastruktúra, az International GNSS Service (IGS – igs.org) által szolgáltatott precíz, centiméteres pontosságú műholdpályaadatok; (2) szoftverek, amelyek harmonizált ionoszféra-, troposzféra- és földfizikai modelleket használnak; (3) a műholdak és a földi antennák referenciapontjainak egységes modelljei; (4) globális vonatkoztatási rendszer előállítása és használata, amelyet a Nemzetközi Földforgás és Referencia Rendszer Szolgálat (International Earth Rotation and Reference Systems Service, IERS) tart fenn és frissít 3-5 évente. A vonatkoztatási rendszer (ún. International Terrestrial Reference Frame, ITRF) megoldásait az IGS-állomások hosszú távú mérési sorozatai alapján állítják elő, kiegészítve őket további űreszközök feldolgozott észlelési adataival. Mind a műholdak, mind pedig a földi referenciapontok ebben a rendszerben adottak, a legutóbbi változata az ITRF2014/IGS14.
A GNSS-alapú mozgásvizsgálatok keretében stabilan állandósított referenciapontokon hosszú távon ismételt méréssorozat vagy folyamatosan üzemelő permanens állomások adatainak a fenti kritériumok szerinti feldolgozásával határozzák meg a pontok elmozdulását és az elmozdulás (lineáris) sebességét.
GNSS-mozgásvizsgálatok Magyarországon
A KGO kutatói időben felismerték a technológiában rejlő lehetőségeket, ezért még az első GPS-eszközök 1990-es beérkezését megelőzően szakmai konzultációk után kijelöltek 12 helyszínt, ahol lehetőség volt arra, hogy sziklakibúvásokban rejtett pontjeleket helyezzenek el. Ehhez terveztek egy adapteres megoldást, amely biztosította az antenna ismételt, milliméter-pontosságú elhelyezését, illetve védte a pontjeleket a vandalizmustól. További 12 pontot is állandósítottak, amelyeket mozgásvizsgálati szempontból releváns térségekben, de sziklakibúvás hiányában üledékes területeken meglévő geodéziai pontok felújításával alakítottak ki.
1991 óta páratlan mérési sorozattal, kétévente 2-3×24 órás kampányban a hálózat pontjait újramérték. Eleinte csak a 12 sziklapont és Penc mérése zajlott, 1997-től viszont az összes pontot vizsgálták. A hálózat elnevezése Magyar GPS Geokinematikai Alapponthálózat (MGGA). A program világon egyedülálló sikerének titka, hogy 30 év alatt gyakorlatilag ugyanazokat az antennákat használják. Az ilyen kampányjellegű mérési sorozatok nagy hátránya ugyanis, hogy a viszonylag ritka ismétlések miatt az esetleges antennacsere okozta koordináta-változás nem határozható meg. Az 1990-es évek közepén sikerült csak kimutatni, hogy minden antennatípusnak és akár egyedi antennának más-más, a rádióhullámok vételi jellemzőitől függő egyedi paraméterei vannak, amit mindenképpen modellezni kell és figyelembe kell venni.
A 2000-es évektől kezdődően a GNSS-mozgásvizsgálatok hangsúlya fokozatosan átkerült a permanens állomások felhasználására. Bár ezek az állomások többnyire épületek tetején helyezkednek el, és az épület esetleges sajátmozgása torzíthatja a kapott eredményeket, a folyamatos mérési sorozat meghatározhatóvá tette az elkerülhetetlen műszercserék hatását, és ez a folyamatos adatsor a nagyobb időfelbontású mozgások vizsgálata mellett pl. meteorológiai vizsgálatokra is alkalmassá vált. Az MGGA- és a GNSSnet.hu-hálózatokat az újabb vizsgálatokban már együttesen kezelik.
A GNSS-mozgásvizsgálatok óriási előnye, hogy az addig közvetett – általában geológiai, tektonikai – bizonyítékok mellett lehetővé teszi a recens, jelenleg zajló geokinematikai folyamatok in situ észlelését. A tektonikai aktivitás térségünkben alacsony, már a kisebb földrengések is hírértékűek. A maximum 1 mm/év nagyságrendű elmozdulási sebességek kimutatása komoly kihívást jelent, ténylegesen az aktuális szélső pontosságú megoldásokat kell alkalmazni. Az MGGA, valamint a regionális közép-európai mérésekből így tudták a KGO munkatársai kimutatni a Pannon-medence összenyomódását (kontrakcióját), amelyet az Eurázsiai- és Afrikai-kőzetlemezek egyébként több cm/év nagyságrendű közeledése, ütközése okoz.
Mozgásvizsgálat európai szinten
Az országos szintű permanens GNSS-állomáshálózatok feldolgozási eredményeinek integrálásával kontinentális léptékű mozgásvizsgálatokra is alkalmas hálózat hozható létre. Egy ilyen programot vezet a KGO, amelyben gyakorlatilag az összes európai ország GNSS-hálózatainak több mint egy évtizedes tartományt lefedő, feldolgozott eredményeit integrálják. A hálózat ma már közel 4000 állomást tartalmaz. Az adatok a szükséges hibaszűrés után egységes kiegyenlítésbe kerülnek, majd egy európai léptékű, egységes sebességmezőt állítanak elő. Az eredményeket a KGO által fejlesztett webportál (https://epnd.sgo-penc.hu) mutatja be. Ez az ún. EPN sűrítési program (EPND) képezi a kontinentális szintű tektonikai értelmezések alapját, és része a European Plate Observing System (EPOS) ERIC európai kutatási infrastruktúrának.
Az EPND eredményei reprezentatív képet adnak az Európát érintő jelenkori kéregdeformációkról, például a skandináv térséget érintő posztglaciális izosztatikus kiegyenlítődésről, illetve a Kárpát–Pannon-térséget formáló Adria-mikrolemez okozta deformációs mezőről. Kiemelendő, hogy a kontinensre jellemző kéregmozgás-sebességmező döntően két kategóriába sorolható, a földtani értelemben fiatalabb, aktívabb, nagyrészt kainozoós Európára, valamint a stabil mezozoós és paleozoós Európára.
A KGO eredményeit fel fogják használni a 2020-ban indult European Ground Motion Service (EGMS) programban, amelyben az InSAR-alapú felszínmozgás-monitorozás referencia- és validálási adatbázisát fogják képezni.
A GNSS-mozgásvizsgálatoknak tudományos jelentőségük mellett számos gyakorlati, mérnöki felhasználási területük is van. Ilyenek a kiemelt jelentőségű infrastruktúrák és objektumok telepített, lokális hálózatai (pl. Paks, Visonta-Bükkábrány külszíni fejtés), a hidakra, épületekre helyezett permanens állomások esetében pedig a vizsgált sajátmozgás monitorozása is lehetséges. Emellett kiemelendő a technológia szerepe a katasztrófamegelőzés területén is: a világ számos, vulkanizmussal jelentősen érintett területén épült ki lokális GNSS-hálózat, ami nagyban segíti a vulkanológus szakemberek munkáját.
Kenyeres Ambrus, Magyar Bálint
GPS szélső pontossággal
Első hallásra hihetetlennek tűnik, hogy a Földtől 20 200 km-re lévő, 13 900 000 m/h sebességgel száguldó mesterséges égitestek kellenek ahhoz, hogy közvetlenül itt a Földön az emberközeli, változatlannak látszó földkéreg rendkívül lassú, 0,000 000 114 m/h sebességű lemeztektonikai mozgásait feltérképezzük.
Az amerikai Global Positioning System (GPS) a jelenkori tektonika vizsgálata terén forradalmi változást hozott, mert bár speciális mérési és adatfeldolgozási stratégia alkalmazásával, de ez a műholdas technika több nagyságrenddel is képes meghaladni a hagyományos geodéziai módszerek pontosságát ilyen méreteknél. Ezáltal a korábban kimutathatatlan mozgások egy csapásra láthatóvá váltak. A GPS-mozgásvizsgálat – tudományos jelentősége mellett – a természeti veszélyeztetettség megítélésében is nagy szerepet játszik. A felszínmozgások mérésekkel történő nyomon követése hasznos információt jelent a földrengések kutatásában, a vulkánok, földcsuszamlások monitorozásában. A tudományos vizsgálatok mellett közvetlenebb társadalmi jelentőségű, ipari alkalmazások is elterjedtek, mint a nagy fontosságú létesítmények – atomerőmű, radioaktívhulladék-tároló, gátak – környezetének stabilitásvizsgálata, illetve az emberi tevékenység, bányászat, vízkivétel okozta felszínmozgások monitorozása.
Jelenleg négy globális lefedettségű, köztük három teljesen kiépített navigációs rendszer létezik. Az amerikai GPS már 26 éve teljes kiépítettséggel üzemel. A névlegesen 24 tagból álló, a mindennapi életben is jól ismert GPS navigációs műholdrendszer önmagában viszont kevés a kívánt cél eléréséhez, ehhez speciális technikák és módszerek is szükségesek. Lassú mozgásokat eltérő időpontokban végzett mérések összevetésével lehet kimutatni, de ha ez idő alatt a mérésre kijelölt pontot valamilyen helyi hatás éri, az meghamisítja az eredményt. A pontállandósításnak ezért rendkívül stabilnak kell lennie, képviselnie kell a tektonikai környezetet, és biztosítania kell, hogy a megismételt mérések során a GPS-antenna nagy pontossággal azonos helyre kerüljön. A mérést több napon keresztül a nap 24 órájában kell végezni, kétfrekvenciás geodéziai GPS-antennákkal és vevőberendezésekkel. Az adatfeldolgozás összetett folyamat, amit tudományos igénnyel, speciális stratégiával, az ionoszféra, a gravitációs mező, a földforgás, relativisztikus hatások, az árapály, a troposzféra stb. figyelembevételével, modellezésével kell végrehajtani. A szélső pontosságú mérés és a tudományos igényű adatfeldolgozás együttesen ma már lehetővé teszi számunkra, hogy akár 1000 km távolságban lévő két mérőpont relatív pozícióját is 1-2 mm pontossággal meghatározzuk.
Tudományos programok
A hazai GPS geodinamikai kutatási program 1990-ben kezdődött, az egykori Földmérési és Távérzékelési Intézet (ma: Lechner Tudásközpont) szakembereinek koordinálásával. A hálózat kezdetben 13 szilárd sziklakibúváson elhelyezett mérőpontjának kijelölésében Gazsó Miklós játszott jelentős szerepet, ami geológiai, geofizikai és GPS méréstechnikai szempontok alapján történt, úgy, hogy lehetőleg minden magyarországi földtani szerkezeti elemre kerüljön mérőpont. A GPS geodinamikai pontok állandósítására Novák Sándor által speciális mechanikai konstrukció készült, ami hosszú távra biztosítja az ismételt antennafelállítások megfelelő pontosságát. A mérésekre általában kétévenként került sor. Nem sokkal a hazai program indítása után, 1993-ban magyar és lengyel – Fejes István és Janus Śledziński – kezdeményezésre 13 ország részvételével létrejött a Közép-Európai Geodinamikai Program. A közép-európai hálózat kiépítése a magyar mintát követte, és a kiindulási alapul szolgáló kezdő mérések már 1994-ben meg is történtek. A ponthálózat kezdetben 31 mérőpontból állt, majd 1998-tól folyamatosan közel 100 állomásra bővült. Közben egyre szaporodtak a folyamatosan észlelő állomások is, ezek azonban rövidebb időintervallummal, a városi környezetben technogén mozgásokkal és a földkérget kevéssé reprezentáló és kevésbé stabil állandósítással működtek. A regionális program vizsgált területe mintegy 1 millió négyzetkilométert fed le Közép-Európa több mint 10 országában.
Eredmények
Az első kéregmozgás-sebességtérképet Közép-Európára, így hazánkban is 1998-ban publikálta Grenerczy Gyula. A fenti hálózatok közvetlen mérési eredményei alapján feltártuk az Adria-mikrolemezek mozgását, és feltérképeztük domináns szerepüket Közép-Európa jelenkori tektonikájában. Az Adria a Nyugati-Alpokban elhelyezkedő pólus körüli, az óramutató járásával ellentétes forgást mutat, ami északkeleti irányú, 2,5 mm/év és 5 mm/év közötti, északról dél felé változó sebességnek felel meg. A GPS-es mozgástérkép világosan mutatja, hogy az Adria-mikrolemez ütközik az Alpokkal és a Dinaridákkal. E hegységek a jelenkorban is jelentős kompresszió alatt vannak, amit intenzív földrengés-tevékenység, feltolódásos, gyűrődéses deformációk kísérnek. Az is bebizonyosodott viszont, hogy északon a Kárpátok esetében más a helyzet: itt 1 mm/évnél nagyobb jelenkori mozgás nincs, ma már ez a hegyvonulat nem gyűrődik tovább. Az adatok alapján kimutattuk továbbá az Eurázsiai-lemezbelső 0,2 mm/év mozgássebesség alatti merevségét, stabilitását.
A hazai GPS-mozgásvizsgálatok keretében lehetővé vált közvetlen környezetünk, a Pannon-medence jelenkori mozgásainak feltérképezése is. A regionális léptékű hálózat adatai alapján ismert, hogy hazánk az Adria-mikrolemez mozgásából adódóan a Dinaridák és a Kelet-Alpok közvetítésével ma is kap délnyugati, illetve nyugati irányból érkező nyomást. Tőlünk nyugatra, az Adria és a stabil Európai-lemez belső ütközőzónájából, a kéreg a Keleti-Alpok felől a Pannon-medence felé préselődik ki, és így nyugati irányból a Pannon-medencébe nyomul. E mozgás energiája a medencében nagyrészt elnyelődik, ami magyarázatot ad a földrengés-tevékenységre a medence középső részén. Tőlünk délre az Adria mozgását a Dinaridák nem képesek teljesen elnyelni, így marad még mozgás/nyomóerő a Pannon-medence felé déli irányból is
A földkérget képviselő, többnyire szilárd medencealjzat kibúvásain telepített GPS geodinamikai mérőpontok negyedszázad után a vízszintes kéregmozgások mellett már a magassági értelmű mozgásokat is szignifikánsan mutatják. Az első háromdimenziós kéregmozgás-sebességtérképet 2014-ben készítettük. Ezen jól látható, hogy nagyjából K-ÉK–NY-DNY irányban a sebességvektorok közeledést jeleznek, a távolságok csökkennek, azaz összenyomódást, térrövidülést mutatnak, aminek mértéke átlagosan 1,5 mm/év. Az Alpokalja pl. 1,5 mm/évvel közeledik a Zempléni-hegységhez, a Villányi-hegység pedig 1,2 mm/évvel közeledik a Bükk-hegységhez. A Pannon-medence elnyeli a nyugatról és délről őt érő kompressziós feszültséget, és ennek következtében összenyomódik. Habár holnap is és mindennap kétségtelenül elvész az országból ilyen értelemben 2-2,5 m2, nagyon azért nem kell kétségbeesni, mert a veszteség 1 millió év alatt sem éri el az ország területének 1%-át. E nagyarányú kép mellett a kéregmozgás részletes meghatározása egy sor további ismeretet nyújt a földrengés-tevékenységnek és eredetének a megismerése, a veszélyeztetettség becslése, az aktív törésvonalak kimutatása, a gyűrődések, tektonikai kiemelkedések és süllyedések vizsgálata terén.
Nem csupán a hosszú idejű tektonikus földkéregmozgások vizsgálatában, hanem a szeizmikus hullámok okozta gyors, dinamikus kéregmozgás feltérképezésében is kiemelkedő nemzetközi eredményeket értünk el. Egy másodperces felbontással három dimenzióban feltérképeztük a szeizmikus hullámok áthaladása okozta kéregmozgásokat egy földrengés epicentrumától 9000 km távolságban, sőt a 31 ezer km megtétele után, a Földet a másik irányban megkerülő felszíni szeizmikus hullám okozta felszínmozgásokat is teljes országos szinten.
Társadalmi hasznosítás
A fenti tudományos eredmények mellett a kidolgozott, szélső pontosságú GPS mozgásvizsgálati technológia az emberi tevékenység hatásvizsgálatában, a szénhidrogén-kitermelés, a vízkivétel, az ipari alkalmazások, a bányászat és rekultiváció, valamint a különösen fontos működő és leendő létesítmények és helyszínük, környezetük stabilitás- és mozgásvizsgálatában közvetlenül hasznosul.
Grenerczy Gyula
