Geofizika a környezetvédelemben és a környezettudományban Rövid összefoglaló Szarka László A tanulmány részben korábbi tanulmányok ([1], [2]) felhasználásával bemutatja a geofizikai tudományterületet, a környezeti geofizika kifejlődésének folyamatát, és a geofizikának a környezettudománnyal és a környezetvédelemmel való összefüggését. A magyar geofizikai intézmények különös tekintettel az MTA Geodéziai és Geofizikai Kutatóintézet Geofizikai Főosztálya eredményei alapján ([3]) betekintést ad új kutatási eredményekbe. Mi a geofizika? A geofizika kezdettől fogva kettős jelentésű fogalom, hiszen a benne szereplő geo előtag a kisbetűs és a nagybetűs föld/föld írásmódnak megfelelően, eredendően két különböző léptéktartományra vonatkozik: (1) egy kisléptékű (lokális vagy regionális) tartományra, és (2) egy nagyléptékű (regionális vagy globális) tartományra. Az előbbi az ún. alkalmazott, az utóbbi az ún. általános geofizika (Földfizika) vizsgálati területe. Az Encyclopedic Dictionary of Exploration Geophysics a geofizika fogalomra két meghatározász ad: az első az alkalmazott geofizika köznapi megközelítése, a második pedig egy teljességre törekvő definíció. (1) A geofizika a Föld kvantitatív fizikai módszerekkel történő vizsgálata, elsősorban szeizmikus reflexióval és refrakcióval, gravitációs, mágneses, elektromos, elektromágneses és radioaktív módszerekkel. (2) Fizikai törvények alkalmazása a Föld vizsgálatára, úgymint (a) szeizmológia (földrengések és rugalmas hullámok); (b) geotermika (a Föld melege, hőáram, vulkanológia, forró források); (c) hidrológia (felszín alatti és felszíni vizek, esetenként gleccserek); (d) fizikai óceanográfia; (e) meteorológia; (f) gravitáció és geodézia (a Föld gravitációs tere, valamint a Föld mérete és alakja); (g) légköri elektromosság és földi mágnesség (benne az ionoszféra, a Van Allen övek, földiáramok, stb.); (h) tektonofizika (a Föld geológiai folyamatai); valamint (i) ásványi nyersanyagkutató geofizika (azaz bizonyos fizikai módszerek: szeizmika, gravitáció, mágnesség, elektromosság, elektromágnesség, radioaktivitás alkalmazása valamilyen ásványkincs: olaj, gáz, ásványok, víz, stb. gazdaságos kitermelhetősége céljából) és mérnökgeofizika. Esetenként a geokronológiát (a földtörténeti kormeghatározást) is a geofizikához sorolják. A (c), (d) és (e) pontok, valamint a (g) egy részének kihagyásával a szilárd Föld geofizikájának definíciója áll elő. Az általános geofizika tisztán alaptudományi diszciplína ( research, amennyiben fő hajtóereje a valóság megismerésének vágya). Az alkalmazott geofizika elsődleges hajtóereje a gazdasági-társadalmi szükséglet, ami kezdetben nyersanyagkutatást jelentett ( exploration ), de ma már a környezetvédelem, az építőmérnöki tevékenység, a régészet, sőt helyenként a mezőgazdaság is alkalmazza. Standardizált módszereinek alkalmazása magas színvonalú mérnöki tevékenység körébe tartozik, de a felszín alatti térség kimeríthetetlen változatosságának egyre részletesebb megismerése tudományos előrehaladás nélkül nem lehetséges. Az általános és alkalmazott geofizika mint tudományág határai nem csupán elmosódottak a többi tudományág (pl. természetföldrajz, geodézia, meteorológia) felé, hanem
tér- és időfüggőek is: a fizikai oceanográfia például nálunk nem számít a geofizika részének, másutt viszont a geofizika központi részét képezheti, és ma már a Mars geofizikája is elfogadott kifejezésnek számít. A geofizika nem a fizika, hanem a földtudomány része: elsősorban a Föld nevű természetes laboratóriumban és annak műszeresen elérhető tágabb környezetében előforduló fizikai jelenségek kifürkészője. A geofizika közvetett úton: különböző fizikai leképeződésekből következtet a kézzelfogható valóságra: a felszín alatti térség geológiai felépítésére, valamint nagy mélységekben, illetve magasságokban lejátszódó folyamatokra. Egy szellemes és a szilárd-föld geofizikára tökéletes - megközelítés az ELTE 50 éves születésnapi honlapján található. Eszerint a geofizika egyesíti magában a fizika szabatosságát (rigour of physics) és a geológia szabadosságát (vigour of geology). Környezeti geofizika Az 1990-es évektől kezdve bontakozott ki a környezet-geofizika vagy környezeti geofizika definíciója environmental geophysics, Umweltgeophysik, géophysique de l environnement, ekologicseszkaja geofizika), amely kezdetben kifejezetten a bioszférával közvetlenül érintkező geoszféra vizsgálatára (az ember ε-nyi környezetére) korlátozódott (tehát az alkalmazott geofizikához kötődött), de manapság a globális környezeti problémák előtérbe kerülésével az általános geofizikában is jelentős szerepet játszik. A környezeti geofizika szerepet játszik mind a környezetvédelemben, mind a környezettudományban, oly módon, hogy az alkalmazott geofizikában a környezetvédelmi és (föld- és) környezettudományi szempontok egyaránt jelen vannak, míg az általános geofizikában a környezettudományi jelleg domborodik ki. A környezeti problémák feltárásában és elhárításában a geofizika helyét és szerepét az határozza meg, hogy a különféle alkalmazott geofizikai módszerek igen rövid idő alatt nagy mennyiségű adatot képesek adni a felszín alatti térség fizikai jellemzőinek (például sűrűség, elektromos fajlagos ellenállás, mágneses szuszceptibilitás, rugalmas és radioaktív tulajdonságok, hőtani jellemzők) térbeli eloszlásáról és az eloszlás időbeli változásáról, a felszín alatti térség megbolygatása nélkül. A környezetvédelemben a geofizika nem önállóan, hanem más diszciplínákkal együtt, azokat kiegészítve és szolgálva jelenik meg. A hosszútávú és rendszeres obszervatóriumi, terepi és műholdas megfigyeléseken alapuló általános geofizikát a globális környezeti problémák súlyosbodása egyre nélkülözhetetlenebbé teszi. Rendszerint egy-egy földi esemény (földrengés, cunami, napkitörés vagy pólusváltozás) irányítja a közérdeklődést az általános geofizika egyes ágaira (elsősorban a szeizmológiára vagy a geomágnességre). Az általános geofizika iránti társadalmi érdeklődés további növekedése prognosztizálható, de ennek egy tragikus folyamat, nevezetesen földi környezetünk átalakulása (romlása) jelenti az alapját. A környezeti geofizika vizsgálati tartománya mivel az ember környezeti feltételeit a nem látható fizikai erőterek: közeliek és távoliak is befolyásolják - lefedi mind az alkalmazott, mint az általános geofizika vizsgálati tartományát. A környezeti geofizika tehát lehet lokális, regionális és globális léptékű. Példák Az előadás számos esettanulmányt mutatott be a magyar geofizikai intézmények eredményeiből. Az intézménylistát (az [1]-ben közölt változat egy javított változatát) az I. függelék tartalmazza. A szóbeli változatban a példák nagyobbik része a függelékben közölt weblap-címekről származott.
A földi elektromágnesség az általános és alkalmazott geofizikának a soproni MTA Geodéziai és Geofizikai Kutatóintézet geofizikusai által művelt területe elsősorban a környezettudomány számára lehet fontos, de e felismerés még tudományos körökben is csak mostanság érik, a döntéshozók pedig csak szemmel látható, közvetlenül érzékelhető környezeti tényezőkről vesznek tudomást. Az MTA GGKI Geofizikai Főosztálya űridőjárás-, űrklíma- és aeronómiai kutatásokkal, valamint elektromágneses szerkezetkutatással és környezet-geofizikával foglalkozik. Az Föld körüli térség kutatásának társadalmi haszna a geomágneses indukciós kockázat, illetve a globális klímaváltozás okainak jobb megértése, a földfelszín alatti vizsgálatok pedig a geopotenciál megismerése és jövőbeni feltárása, illetve az egészséges geokörnyezeti feltételek biztosítása című általános célkitűzések közé illeszkednek. A kutatási területek kapcsolódását a környezettudományhoz (és másodsorban a környezetvédelemhez) részletesen a II. függelék (Földi elektromágnesség c. témaismertetőnk) fejti ki. Ennek ismeretében az előadáshoz illusztrációként használt 2005-ös GGKI kutatási eredmények környezettudományi jelentősége jobban megítélhető. 2005-ben például - Kimutattuk a magnetopauza méretváltozását a Föld mágneses dipólmomentuma és a déli irányú bolygóközi mágneses tér függvényében, és ezt az összefüggést alkalmazva a magnetoszféra-ionoszféra csatolást leíró Hill-modellben jobb egyezést kaptunk az elméleti és a szimulált ionoszférikus transzpoláris potenciálgörbék között. - Legalább 100 éves regisztációs idővel rendelkező obszervatóriumok adatsoraival igazoltuk, hogy a geomágneses aktivitás jellemzésére alkalmas új index, az IHV valóban leírja a mágneses aktivitást és más szabályosabb aktivitásokat is. Az index hosszú távú növekedése alátámasztja a mágneses aktivitás évszázados növekedéséről beszámoló eredményeket. - A San Marco V mesterséges holdon észlelt, nagy időbeli felbontású teljes sűrűségadatokban kimutatott óriáshullámokban mutatkozó maximumok és minimumok a meteorit csóvája által keltett sűrűségperturbációkkal azonosítottuk. -Ugyanazon villámkisülés két obszervatóriumban rögzített jeleinek vizsgálata alapján megállapítottuk, hogy az ELF (Extremely Low Frequency) tranziensekből levezetett árammomentumú spektrum amplitúdói kb. 20 %-kal nagyobbnak adódnak, ha a mérőállomás a nappali féltekén van és nem az éjjeli féltekén. Ez annak tulajdonítható, hogy a föld-ionoszféra hullámvezetőt más paraméterek jellemzik nappal, ill. éjszaka. - Az EuroSprite 2005-ös nemzetközi megfigyelési kampányban optikai úton észlelt magaslégköri elektro-optikai emissziókhoz kerestünk keltővillámokkal kapcsolatba hozható Schumann-rezonancia tranzienseket. Obszervatóriumi adataikból olyan eseményekhez is sikerült tranzienseket találni, amelyekhez a lokális villámfigyelő hálózat nem tudott egyértelmű forráskisülést rendelni. - A légköri elektromos paraméterekben különböző európai obszervatóriumokban korábban feltárt, évtizedek óta tartó egyirányú változás (a potenciálgradiens globális csökkenése) megerősítést nyert azáltal, hogy a trendnek ellentmondó viselkedésű athéni potenciálgradiens ellenére sikerült kimutatni a helyszínen mért vertikális áram csökkenését, amely összefüggésben van egy légköri elektromos globális áramköri paraméter, az ionoszférikus potenciál csökkenésével, és ezt ballon-mérések is igazolták. - Schumann-rezonancia és műholdas mérések alapján ki lehetett mutatni, hogy a globális szárazföldi zivatartevékenység legnagyobb relatív változása az alapvetően trópusi ENSO jelenség meleg El Nino fázisában a nagy meridionális légkörzések (Hadley-cellák) száraz, hideg, süllyedő légtömegekkel jellemezhető ágában (a 30 N és 30 S szélességeken) következik be, és nem az egyenlítői régióban.
- Megállapítottuk, hogy az 1999. évi napfogyatkozás idején az elektromágneses indukciós paraméterek jelentősen megváltoztak. - A CEL-7 szelvény mentén mért magnetotellurikus adatok alapján összegeztük a tektonikus zónák elektromágneses leképeződését, Barcs és Szentgotthárd között. - A pilisszentkereszti ciszterci apátság környékén mért ötvenezer fajlagos-ellenállás tenzorból (amely a világon legnagyobb ilyen adathalmaz) invariánstérkép-rendszert készítettünk. A térképekből a mesterséges eredetű anomáliák helye és alakja egyértelműen beazonosítható. - Karsztkutató geoelektromos mérések kiegészítéseként módszert dolgoztunk ki a felszínalatti kőtörmelék-eloszlás egyszerű mérésére, és a két módszer együttes alkalmazásából felállítható a terület kialakulási modellje. - A földkéregben magnetotellurikus és geomágneses megfontolások alapján felfedeztük, hogy a mágneses ásványok Curie-mélységében (Magyarországon a 12-15 km mélységtartományban) mágneses fázisátalakulás valószínűsíthető, és több, terepen kimért mágneses és elektromágneses kéreganomáliának is ez lehet az oka. - Összefoglaló tanulmány készült a földkéreg, tektonikához kapcsolódó grafitos eredetű jólvezető anomáliáiról, súlypontban a Dunántúli Vezetőképesség-anomália sajátságaival. A grafitos anomáliák a paleotektonika kimutatását is segítik. Mindezek a kutatások alapjául szolgálnak egy ún. Regional Earth s Environment Center soproni létrehozásához. Összefoglalás A geofizika a föld- és környezettudományok része. A különféle alkalmazott geofizikai kutatási módszerek a környezetvédelem számára nélkülözhetetlen eszköztárat szolgáltatnak; az általános geofizikai kutatások pedig globális környezetünk tudományos megismeréséhez nyújt új eredményeket. A pluridiszciplináris megközelítés sok tekintetben még kiaknázatlannak tűnik. Felhasznált irodalom: [1] Szarka L., Gyulai Á., Verő L. (2003): A magyar környezetgeofizika európai mércével. Európai uniós csatlakozás és földtudomány. (Az MTA X. Osztálya által 2001. május 9- én tartott nyilvános osztályülésen elhangzott előadások alapján összeállította: Meskó Attila, sorozatszerkesztő: Glatz Ferenc). Budapest 2003, MTA Társadalomkutató Központ, 91-102. [2] Szarka L. (2005): Geofizika az Akadémián 1949-2005. Magyar Geofizika 46, 127-135. [3] Ádám A., Bencze P., Marcz F., Martini D., Sátori G., Szarka L., Verő J., Wesztergom V., Zieger B. (2005): Earth Electromagnetism. Acta Geod. Geoph. Hung. 40, 317-348. Köszönetnyilvánítás
A cikkben közölt tudományos eredmények az MTA GGKI Geofizikai Főosztályának eredményei. Pályázati források között a lezárult OTKA TS 408048 (2002-2004: Földi elektromágnesség) és az elnyert OTKA NI 61013 (2005-2008, Geoelektromágnesség és a változó Föld) címűt kell elsősorban megemlíteni. Függelékek: I. függelék: Geofizika (tudomány és szakma) Magyarországon. Összegyűjtött intézménylista 1. Egyetemi, akadémiai, állami kutatóhelyek MTA Geodéziai és Geofizikai Kutatóintézet (http://www.ggki.hu) soproni Geofizikai Főosztálya, budapesti Szeizmológiai Főosztálya (http://www.seismology.hu), valamint jórészt személyi átfedésekkel a Nyugat-Magyarországi Egyetem MTA GGKI soproni telephelyére kihelyezett Földtudományi Intézet ME Geofizikai Tanszék http://www.uni-miskolc.hu/~geofiz/tort.html ELTE Geofizikai Tanszék http://pangea.elte.hu/bev.html és az akadémiai kutatócsoportok: ELTE Geofizikai Tanszék Űrkutató Csoport http://sas2.elte.hu/hun1.html MTA-ELTE Geoinformatikai és Űrtudományi Kutatócsoport ELTE Geofizikai Tanszék MTA Geofizikai és Környezetfizikai Kutatócsoport ELGI (Magyar Állami Eötvös Loránd Geofizikai Intézet) www.elgi.hu 2. Nagyobb vállalkozások MOL Rt. és leányvállalatai : Geofizikai Szolgáltató Vállalat (GES) http://www.ges.hu/h_frame.htm GEOINFORM Mélyfúrási Információ Szolgáltató Kft. www.geoinform.hu Az ELGI-ből kivált cégek: ELGOSCAR 2000 Környezettechnológiai és Vízgazdálkodási Kft. Geo-Log Környezetvédelmi és Geofizikai Kft. www.geolog.hu Geomega Földtani és Környezetvédelmi Kutató Szolgáltató Kft. www.geomega.gu Georisk Földrengéskutató Intézet Kft., www.georisk.hu Geopard Kft. www.geopard.hu Mecsekérc Környezetvédelmi Rt. www.mecsekerc.hu GEOPORT Kft. Karotázs Kft. (Pécs) KBFI-Triász Kft. http://www.kbfi-triasz.hu/ Geo-Genezis Bt. (Várpalota) Vikuv Vízkutató és Fúró Rt. (Cegléd) www.vikuv.hu Háromkő Földtani és Geofizikai Kutató Bt. www.haromko.hu 3. Magyarországi internetes környezetvédelmi nyilvántartásban szereplő, geofizikai tevékenységet (is) feltüntető hazai cégek:
AQUAPROFIT Rt. (Nagykanizsa), ATLAS INNOGLOBE Kft. (Budapest), BGT Hungaria Kft. (Budapest), Biokör Kft. (Budapest), Blautech Kft. (Veszprém), Élő Bolygó Kft. (Budaörs), GEO-FABER Rt. (Pécs), Geohidroterv Kft. (Budapest), Geoservice Kft. (Miskolc), Golder Associates Hungary Kft. (Budapest), Megaterra Kft. (Budapest), Mélyépterv Kultúrmérnöki Kft. (Budapest), Naturaqua Kft. (Budapest), Nord-Pannon Kft. (Ajka), Terratest Kft. (Veszprém), W & M Kft. (Budapest) II. függelék: Az MTA GGKI Földi elektromágnesség c. tudományos iskolai projektjének (2002-2004) illeszkedése a környezettudományhoz és a környezetvédelemhez (Verő József r.t., témavezető, Ádám Antal r.t., Bencze Pál DSc. Szarka László DSc., Sátori Gabriella CSc., Wesztergom Viktor CSc., Marcz Ferenc CSc., Zieger Bertalan PhD, Szalai Sándor PhD, Zhang Dahai PhD., Kovács Károly dr., valamint Bór József, Koppán András, Martini Dániel, Novák Attila, Prodán Tímea doktori hallgatók részvételével az MTA Geofizikai Főosztályán megvalósult kutatás témaismertetése) Naptevékenység, űridőjárás Földünk éltető energiaforrása a Nap. Az energia túlnyomó része a feketetest sugárzásának megfelelő spektrumú elektromágneses sugárzás formájában érkezik a Földre, kisebb része pedig korpuszkuláris sugárzás (napszél) formájában ütközik a Föld magnetoszférájába. Természetesen a Nap is fejlődő csillag és az egységnyi idő alatt kibocsátott energia mennyisége, a napállandó is változik nagyon hosszú idő alatt. A napállandó változása azonban csak a Föld korával összemérhető ill. a geológiai időskálán jelentős. A legújabb vizsgálatok azt mutatják, hogy a napállandó gyakorlatilag nem változott az utóbbi évszázadokban. A földi éghajlatváltozások okát máshol kell keresni. Geológiai időskálán a Föld pályaelemeinek ciklikus változása (Milankovic ciklus), ill. a lemeztektonika (kontinesvándorlás) játszik döntő szerepet. Napjainkban egyre inkább foglalkoztatja az emberiséget a rövidebb időskálájú globális éghajlatváltozás kérdése, mivel a sarki jégsapkák fokozott olvadásával járó tengerszint-emelkedés világméretű katasztrófához vezethet. Vitatott kérdés, hogy a jelenleg észlelhető globális felmelegedés mennyiben tulajdonítható az emberi tevékenységből származó széndioxid és egyéb gázok légköri felhalmozódásából eredő üvegházhatásnak. Az emberiség történelmében számos olyan periódus dokumentálható, amikor a globális hőmérséklet jelentősen magasabb, ill. alacsonyabb volt a jelenleginél (pl. amikor egy melegebb időszakban vikingek lakták Grönlandot, vagy amikor egy hidegebb időszakban svéd lovascsapatok keltek át a Balti-tenger jegén). A jelenlegi globális felmelegedés okait csak akkor érthetjük meg, ha sikerül tisztáznunk a múlt globális éghajlatváltozásainak mechanizmusát és fő mozgatórugóit. Ismert tény, hogy a Maunder-minimum időszaka, amikor a naptevékenység olyan gyenge volt, hogy hosszú ideig nem észleltek napfoltokat a Napon, egybeesett a XVII. század második felében tapasztalt Kis jégkorszakkal. Ugyanez érvényes a XIX. század eleji Dalton-minimumra is, amikor a földi globális hőmérséklet szintén alacsonyabb volt a jelenleginél, és olyan hideg telek voltak Európában, hogy korcsolyázni lehetett a Temzén. Az utóbbi években, éppen a globális felmelegedés kapcsán, világszerte előtérbe került a
naptevékenység és a földi éghajlat közötti kapcsolat vizsgálata. Kimutatták például, hogy lineáris kapcsolat van a 11 éves napfoltciklus hossza és a földfelszíni átlaghőmérséklet között. Továbbá kapcsolatot találtak a galaktikus kozmikus sugárzás és a globális felhőborítottság között. Régóta ismert, hogy a naptevékenység 11 éves ciklusa, jobban mondva a helioszféra mágneses szerkezete modulálja a galaktikus kozmikus sugárzást, tehát a kozmikus sugárzás lehet a hiányzó láncszem a naptevékenység és a földi éghajlatváltozás bonyolult kapcsolatában. Intézetünkben jelentős eredményeket értünk el a Föld körüli térség hosszú távú változásainak kutatásában és az űridőjárás előrejelzésében. Véleményünk szerint a Nap mágneses terének periodikus változások egymással összefüggnek és közös eredetre vezethetők vissza: A Nap rotációjának modulációja a konvekciós zóna alján a mágneses fluxus generálását befolyásolja a dinamó-tartományban, a felszínre bukkanó mágneses erővonalkötegek (napfoltok) továbbítják a modulációt a fotoszférába, a fotoszférikus mágneses tér pedig fontos szerepet játszik a korona mágneses szerkezetének kialakulásában. A koronalyukak (ahol a Nap mágneses erővonalai nyitottak) a gyors napszél-nyalábok forrásai, így a napszél továbbíthatja a modulációt a bolygóközi térbe, amely aztán tovább modulálja a galaktikus kozmikus sugárzást, illetve a geomágneses tevékenységet. Ezek a feltételezett összefüggések még korántsem bizonyítottak és további összehangolt kutatásokat igényelnek. A geomágneses tér rövidperiódusú változásai A geomágneses tér rövidperiódusú változásai bizonyos értelemben központi helyet foglalnak el a földi elektromágnesség témakörében, egyszersmind összekapcsolják az idetartozó jelenségeket. Az elsődleges energiaforrás a Nap, a Nap tevékenysége. Az ebből eredő töltött részecskék, a napszél átjutnak a bolygóközi téren a földi magnetoszféra határáig, majd az energia egy része a magnetoszféra határán is átjut, a magnetoszférán és az ionoszférán át eléri a Föld felszínét. A mérési pont alatti geológiai rétegek ismét módosítják a jeleket, lehetővé téve azok sajátságainak meghatározását. Mivel ennyire sokféle tartomány vesz részt a felszínen mérhető jelek kialakításában, az egyes tartományokra vonatkozó információk elkülönítése meglehetősen nehéz feladat. Egyetlen példánál maradva a rendkívül széles spektrumú jelek közül a geomágneses pulzációk kialakulása a magnetoszféra előtt történik, a bolygóközi tér állapota befolyásolja paramétereiket. Többé-kevésbé módosulnak ezek a jelek a befelé terjedés során, így a magnetoszféra állapotáról is tudósítanak. Rövidebb periódusú jeleket az ionoszféra is csillapít, sőt saját vizsgálataink szerint más ionoszférikus hatások is léteznek (pl. a polarizációs sík elfordulása). Csoportunk mutatta ki elsőnek a villámkisülésekből eredő whistlerek és a pulzációk közötti kapcsolatot. A felszíni jelek pedig felhasználhatók geológiai szerkezetkutatásra (magnetotellurika). Mindezeken kívül egyes tartományokban más eredetű jelek is kialakulhatnak, módosulhatnak, így lehetséges kapcsolat a pulzációk, a whistlerek és a gyöngy-pulzációk között. A geomágneses adatsorok, mint nagyon széles spektrumú jelek, az idősorok elemzésének számos módszerével vizsgálhatók (Fourier-transzformáció, maximum likelihood és maximum entrópia-módszer, dinamikus spektrum stb.). Evvel jó A geomágneses jelenségek vizsgálatának gyakorlati szerepe növekszik a technikai szint emelkedésével. Így ma már gondolnunk kell a geomágneses viharok hatására erőművek tervezésénél, hosszú fémvezetékek létesítésekor, egyes elektronikus eszközök gyártásakor - a legjelentősebb probléma viszont az, hogy a mesterséges holdak élettartamát jelentősen befolyásolja a pillanatnyi geomágneses tevékenység. Emellett a területnek szerepe van a
magnetotellurikus geológiai kutatás eredményességének javításában is, mivel bizonyos előrejelzéseket lehet adni a várható tevékenységről, evvel a kényes mérések időpontjának rögzítése könnyebbé válik. A geofizikai obszervatórium munkája és adatainak hasznosítása A földi elektromágneses tér különböző összetevőinek jobb megismerésére irányuló hazai kutatások korábban is nagymértékben támaszkodtak a Széchenyi István obszervatóriumban végzett sokféle paraméterre kiterjedő, hosszú ideje folyamatos, rendszeres mérések adataira. A jövőben szintén ezek a mérések szolgálhatnak egy tudományos műhely keretében tervezett kutatások egyik jelentős pilléréül, amelyre biztonsággal alapozhatjuk a különböző diszciplínák közötti szoros együttműködést, valamint ennek köszönhetően az eredmények hatékony szintézisét. Ezért elengedhetetlenül szükséges az esetenként több évtizedet felölelő mérések köztük a geomágnesség tellurika, az ionoszféra, a légköri elektromosság és a Schumann rezonanciák rendszeres megfigyelését szolgáló mérések folyamatosságának a biztosítása az obszervatóriumban. Az 1957-58-as Nemzetközi Geofizikai Évben létesített Széchenyi István Geofizikai Obszervatórium intézetünk kezelésében immár közel 50 éve működik. A műholdas hírközlési technikák, távérzékelési eljárások jövőbeli fejlődése szempontjából kiemelt fontosságú a Földet körülvevő plazma állapotváltozásainak ismerete. Jelenleg a napfoltmaximummal együtt járó kiemelkedően nagy naptevékenység és geomágneses aktivitás miatt bekövetkező gyakori műhold-meghibásodások a vezető telekommunikációs társaságok figyelmét is erre a témakörre irányították. A hírközlési eszközök fejlesztése során előtérbe kerülő szempont azok biztonságos működése és hosszú élettartama. A természetes földi elektromágneses terek mellett elkerülhetetlen a mesterséges eredetű elektromágneses terek, az ún. elektromágneses környezetszennyezés mértékének és várható következményeinek a vizsgálata. A földkörüli térség állapotának jellemzésére az utóbbi időben az űridőjárás összefoglaló nevet fogadták el. A műholdas technikák nagyarányú növekedésével az űridőjárással kapcsolatos szolgáltatások iránti igény jelentős bővülése várható. Nagy naptevékenység idején a napszél és a földi magnetoszféra kölcsönhatása több vonatkozásban is hat az emberi tevékenységekre, létesítményekre. Nagy geomágneses vihar során működési rendellenességek jelentkeznek energiaátviteli, hírközlési rendszerekben, űreszközökön. A mesterséges égitesteknél tapasztalt leggyakoribb problémák - a pályaperturbációknak, az elektronikus eszközök meghibásodásainak - oka az elektrosztatikus feltöltődés. A nagyenergiájú precipitálódó elektronok révén: a plazmalepelben a mesterséges égitest potenciálja meghaladhatja a 10 kv-ot is, szemben a fotoemisszió révén fellépő 10 V körüli értékkel. A vezetékes energiaátviteli és hírközlési rendszerek működési rendellenességei a fokozott geomágneses indukció okozta feszültségre vezethetők vissza. A geomágneses tér legnagyobb energiájú változásai a 10-10000 s periódusú tartományba esnek. Közepes geomágneses szélességeken a napi periódust létrehozó ionoszférikus áramrendszer tere dominál, de nagy geomágneses viharok során az sarkifény-elektrojet (vonalforrás) tere is számottevővé válhat. Az energiaátviteli rendszerekben fellépő jelenségeket egy összetett modell segítségével vizsgáljuk. A modell geofizikai oldala a magnetotellurikából ismert: a homogénnek feltételezett Földben lejátszódó elektromágneses indukció, vertikális irányban lefelé terjedő harmonikus elektromágneses tér esetén. Eszerint a geomágneses tér változásai következtében a Föld felszínén a primer és szekunder források eredőjeként alakul ki az elektromos tér.
A földkéreg vezetőképesség-anomáliái az indukált áramokat anizotrop módon, akár több nagyságrenddel is megváltoztathatják. Kulcskérdés tehát a regionális méretű vezetőképességinhomogenitások, mint pl. a Kárpát-anomália megismerése - a kisebb anomáliák ugyanis az energiaátviteli rendszerek szempontjából azok nagy horizontális méretei miatt kiátlagolódnak. A Széchenyi István Geofizikai Obszervatórium biztosítja a mágneses és tellurikus adatgyűjtés és adatszolgáltatás folyamatosságát, és az észlelések sora folyamatos meteorológiai megfigyelésekkel, sugárzás-, szélsebesség- és szélirány-mérésekkel egészült ki. A földkörüli térségben fellépő, a Nap-Föld fizikai jelenségekkel, valamint a fokozódó elektromágneses zavarterheléssel összefüggő állapotváltozások vizsgálatára alkalmas mérőberendezések fejlesztése jelenti az obszervatórium egyik alapvető feladatát. A hosszú periódusú és kis amplitúdójú geomágneses jelenségek (impulzus, jerk, tektonomágneses jelenségek) tanulmányozása érdekében a mágneses mérések felbontóképességét javítanunk kell. Az ionoszféra és magnetoszféra szerkezete és jelenségei A földi elektromágnesség kutatásának egyik fontos területe a Föld körüli térségnek az ionoszféra és magnetoszféra által elfoglalt része. Az elektromágnesség forrásai ugyanis nemcsak magában az ionoszférában és a magnetoszférában végbemenő folyamatok, vagyis nemcsak terresztrikus eredetű, hanem a felső légkörnek ebben a részében a bolygóközi tér is befolyásolja a földi elektromágnességgel kapcsolatos jelenségeket. Tehát ebben a térrészben jön létre a csatolás a bolygóközi tér és a magnetoszféra között. Ez a csatolás teszi lehetővé a naptevékenység részecske-sugárzással összefüggő hatásainak az érvényesülését a Föld körüli térségben. A magnetoszféra és az ionoszféra közötti, elektromos tér és plazmaáramlás által létrejövő kapcsolat biztosítja a naptevékenység hatásainak a közvetítését. A naptevékenység hatásai pedig a Föld-ionoszféra hullámvezetőben terjedő természetes, vagy mesterséges eredetű elektromágneses hullámok terjedési viszonyaiban tükröződnek. A bolygóközi mágneses és elektromos tér, valamint a napszél paramétereinek változásai a geomágneses térnek a bolygóközi mágneses tér erővonalaival történő összekapcsolódása útján fejtik ki hatásukat a Föld körüli térségben, a sarki sapkában, a magnetoszféra nappali oldalán jelentkező semleges vonal, továbbá a magnetoszféra uszálya mentén. Ezek a változások egyrészt a geomágneses tér karakterisztikus jelenségeiben (impulzus vagy SI, szubvihar, geomágneses vihar) tükröződnek. A magnetoszféra uszályában azonban részecskegyorsítás is történik, amelynek eredményeként a sarkifény-övezetben az oda becsapódó elektronok energia-leadása útján az ionoszférában megnő a vezetőképesség. A vezetőképesség növekedése a sarkifény-elektrojetben az áramerősség növekedését idézi elő, ami a Joule hő útján a sarki fényöv felmelegedéséhez és hirtelen kiterjedéséhez vezet. A felmelegedés az évszaktól függően változó, akár alacsony szélességekig terjedő összetételváltozást hoz létre a felső légkörben. Ennek a következménye az ionoszféravihar a felső ionoszférában (az F tartományban, 200 km felett). Azonban addig, amíg a felső ionoszféra elsősorban a naptevékenységgel járó részecskesugárzás változásaira érzékeny, az alsó ionoszférában elsősorban a naptevékenységnek a Nap elektromágneses sugárzásában megnyilvánuló változásai mutatkoznak. A felső ionoszférában kisebb mértékben a Nap ionizáló extrém ultraibolya (EUV) sugárzása, nagyobb mértékben a semleges légkör összetétel változásai, a geomágneses térnek, valamint a magnetoszférikus eredetű elektromos térnek a plazma mozgására gyakorolt befolyása határozza meg az ionizáció mértékét. Az alsó ionoszférában ugyancsak jelentkeznek a naptevékenység geomágneses viharokkal kapcsolatos hatásai az ionizáció növekedése formájában. Az alsó ionoszférában található egy olyan magasságtartomány, ahol érvényesülnek a dinamó-hatás feltételei. Ennek következtében jöhet
létre mintegy 90 és 150 km-es magasság között az az ionoszférikus áramrendszer, amely a geomágneses tér nyugodt napi (Sq) változásának formájában észlelhető. A felső ionoszféra állapota (elektronsűrűségbeli irregularitásai) a geomágneses tér pulzációinak a terjedésében, módosulásában (erővonal menti rezonancia, FLR típusú pulzációk) játszik szerepet, azoknak a pulzációknak a paramétereit alakítva, amelyeket a Föld elektromos felépítésének a kutatásában használunk. Az alsó ionoszférát tekintve annak állapota a geomágneses tér nyugodt napi és annál kisebb periódusú változásaiban tükröződik, amelyek ugyancsak használatosak a Föld elektromos felépítésének a kutatásában. Az alsó ionoszféra állapota határozza meg a Földionoszféra hullámvezetőben terjedő természetes és mesterséges eredetű rádiófrekvenciás elektromágneses hullámok terjedési viszonyait. Az alapkutatási jellegű problémák megoldásán kívül az ionoszféra állapotának az ismerete az informatika egyik legfontosabb eszközének a rádióhullámok útján történő távközlés vonatkozásában mind az ionoszférikus, mind a transzionoszférikus távközlés számára növekvő fontosságú (adóteljesítmény csökkentése, vivőfrekvencia növelése) az ionoszférikus és magnetoszférikus irregularitások jelenléte miatt. A légköri elektromosság és a vele kapcsolatos jelenségek A légköri elektromosság folyamatos mérése is több mint négy évtizedes múltra tekint vissza a nagycenki obszervatóriumban. A légköri elektromos globális áramkör jelenségeinek jobb megismerése, bizonyos összefüggések feltárása szempontjából nagyon előnyös az a körülmény, hogy obszervatóriumunkban egyidejűleg az áramkörnek mind az egyenáramú (a légköri elektromos potenciálgradiens mérésével), mind váltakozó áramú komponensét tanulmányozzuk (a Schumann rezonanciák megfigyelésével). E területen publikált korábbi eredményeinkből kiindulva érdemesnek tartjuk az említett paraméterekre vonatkozóan a különböző időléptékű változások további vizsgálatát. Bár a légköri elektromos jelenségeket a lokális hatások (pl. környezeti tényezők, meteorológiai változások) jelentősen befolyásolják, időnként a globális érvényű extraterresztrikus hatások is feltárhatók (így pl. kimutattuk a galaktikus kozmikus sugárzásban megjelenő Forbush-csökkenés és a légköri elektromos potenciálgradiens változásai közötti kapcsolatot). E téren is újabb kutatások kezdeményezhetők, amelyek kiterjeszkednek a Föld körüli térség azon paramétereire, amelyek szerepet játszanak a földi elektromágneses jelenségek alakulásában. A geomágneses pulzációk felszíni megfigyelésével olyan információkhoz jutunk, amelyek hasznosak a magnetoszféra diagnosztizálása, a benne lejátszódó jelenségek tanulmányozása szempontjából. Ehhez hasonlóan a légköri elektromos jelenségkörhöz tartozó villámok által gerjesztett elektromágneses kis frekvenciájú hullámok, amelyeknek terjedése a Föld - ionoszféra hullámvezetőhöz (Schumann rezonanciák esetén), ill. a geomágneses erővonalakat nagyjából követő duct -okhoz kötődik (az u.n. whistlerek esetében) szintén értékes eszközök a földi elektromágnesség összefüggéseinek feltárása szempontjából. Az ionoszféra mint a felső légkör elektromosan jól vezető tartománya eredményesen tanulmányozható a rádióhullámok terjedése alapján. Az ebben a tartományban megfigyelhető jelenségek nem mentesek a természetes földi elektromágneses tér változásainak hatásától, amint ez megállapítható előzetes vizsgálatok alapján. Ugyanakkor a felszínen mért légköri elektromos paraméterek változásai és az ionoszférában bekövetkező különböző időléptékű változások között is kimutathatók összefüggések, amelyeknek behatóbb tanulmányozása szintén elősegítheti a földi elektromágneses tér sajátosságainak alaposabb megismerését. Schumann-rezonanciák A Nap-Föld rendszer energetikai csatolása elektromágneses és magnetohidrodinamikai folyamatok révén valósul meg. A Napból áramló energia fogadásában központi szerepet
játszik a légkör és a geomágneses tér, a csatolási folyamatok pedig érintik a Föld egészét, kezdve a magnetoszférától az ionoszférán, atmoszférán át egészen a szilárd Föld belsejéig. A Geofizikai Főosztályon évtizedek óta folyó kutatások fő területe a földi elektromágnesség, és ez érinti az itt felsorolt földi tartományok mindegyikét, mint a Nap-Föld fizikai rendszer részeit. A földi elektromágneses folyamatok nagy családjába tartozik a már említett globális légköri elektromosság is, amelynek fő forrása a világ zivatartevékenysége. A villámkisülések elektromágneses sugárzása egyszerre lehet a kutatás tárgya és eszköze. Például a villámok keltette whistlerek természetes diagnosztikai eszközei a magnetoszférának. A villámok elektromágneses sugárzásának audiofrekvenciás tartománya ugyanakkor forrásként szolgál a szilárd földet vizsgáló audiofrekvenciás magnetotellurikus módszer számára. Az ELF (3 Hz-3 khz) sávba eső sugárzás zöme a Föld felszíne és az ionoszféra alja által határolt térrész, a Föld-ionoszféra hullámvezető csapdájába esik. A fent említett légköri tartomány elektromágneses üregrezonátorként viselkedik a villámkisülések elektromágneses sugárzásának földi méretekkel összehasonlítható hullámhosszúságú tartományában. Ezt a jelenséget hívják Schumann-rezonanciáknak. E földi méretű elektromágneses rezonancia alkalmas mind a gerjesztő forrás, azaz a világzivatartevékenység tanulmányozására, mind a Föld-ionoszféra üregrezonátort érő extraterresztrikus hatások vizsgálatára. A Széchenyi István Geofizikai Obszervatóriumban elkészült a Schumann-rezonanciák mérésére szolgáló kvázi real-time digitális mérő-feldolgozó rendszer. Az elmúlt évek során létrejött nemzetközi viszonylatban is tekintélyes hosszúságú adatsorunk alapján e jelenség sokoldalú vizsgálatára és alkalmazására nyílt lehetőség. A villámok keletkezésének nem-lineáris hőmérsékletfüggése teszi alkalmassá a Schumann-rezonanciákat kicsiny hőmérsékletváltozások indikálására, s ezáltal a világzivatartevékenységet befolyásoló klimatikus trendek, globális felszíni termodinamikai folyamatok vizsgálatára. A globális éghajlati változások tanulmányozásának egyik akadálya éppen a globális érvényű adatkészletek hiánya. A műholdas mérések különböző tér- és időbeli felbontással rendelkeznek és valójában nem globális érvényűek, mivel nincs olyan műhold, amely egyidejűleg látja az egész Földet bármely pillanatban. A műholdak élettartama is korlátozott. A Schumann-rezonancia jelenségkör valóban globális paramétereket szolgáltat és a mérésnek elvileg nincs időbeli korlátja. Külön hangsúlyt érdemel a módszer hatékonysága mellett olcsósága, összehasonlítva a műholdas mérések nagyságrendekkel nagyobb költségével. A globális légköri elektromosság nemrégiben felfedezett jelenségei (elektrooptikai emissziók a zivatargócok felett) további újabb kutatási feladatokat jelentenek. Felfedezésüket éppen nagyon rövid élettartamuk (<15 ms) késleltette. Elegendően nagy energiájú villámkisülés (impulzus) egyedül is képes gerjeszteni a földi üregrezonátort, amely az un. Q- viharban nyilvánul meg (koherens jelek a háttér elektromágneses zajban) és egyidejűleg észlelhetők a világ távoli obszervatóriumaiban. A háttér Schumann-rezonanciák mérése már 1993 óta folyamatos, míg a Q-viharok GPS pontosságú időjelet igénylő regisztrálására 1998 óta van lehetőség a Széchenyi István Geofizikai Obszervatóriumban. A Q-vihart kiváltó villámmal egyidőben a zivatarrégió felett 40-100 km-es magasságban számos, nemrégiben felfedezett elektro-optikai emisszió ( sprite, blue-jet, elves ) is keletkezik. Ez utóbbi területen számos kérdés vár megválaszolásra a keletkezési és lefolyási mechanizmusokat illetően. Új elektromágneses geofizikai módszerek a mélyszerkezetkutatásban A magnetotellurikában jelentkező új irányzatok közül elméleti vonatkozásban a következő fejlemények figyelhetők meg:
Miután a 3D numerikus modellezés lényegében megoldottnak tekinthető, az inverzió (különösképpen különböző fizikai mennyiségek összehangolt inverzióján alapuló módszerek), a nagy tömegű adatmennyiség minél gyorsabb feldolgozása került a figyelem középpontjába. Fontos kérdés új, nagyobb stabilitású inverziós módszerek fejlesztése. Mind a kisebb mélységű, mind a mély szerkezetek kutatásában a geoelektromos, szeizmikus adatrendszerek alkalmazása egyaránt elterjedt. A paraméterek becslésének pontosítása, és az egyetlen adatrendszeren alapuló értelmezésben előforduló többértelműség problémájának jelentős redukciója céljából nagy fontosságú lépés két, a különböző fizikai valóságot (paramétereket) mérő módszer adatrendszereinek együttes értelmezése lehetőségének megteremtése, ami jelentős inverziós módszerfejlesztést igényel. Az egyre nagyobb hangsúlyt kapott fizikai megközelítésben előtérbe került a magnetotellurikus impedanciatenzor információtartalmának teljes kihasználására való törekvés, továbbá a magnetotellurikus ismeretszerzés korlátainak teljes megértése és figyelembe vétele. A magyarországi magnetotellurikus mélyszerkezet-kutatásban a jelentős eredmények mellett az értelmezés terén új tisztázandó kérdések merültek fel, többek között a dunántúli elektromos vezetőképesség-anomália (TCA) vonatkozásában. A TCA vizsgálatánál igazolódott, hogy az MT módszer kiválóan alkalmas tektonikus zónák (pl. oldaleltolódás, áttolódás) kimutatására, követésére és a szeizmológia kapcsolatának, az aktiválódás folyamatának vizsgálatára. Az ezredfordulón francia ötletre - felmerült a planetáris magnetotellurika gondolata is. Ha a mágneses térváltozás legalább három pontban megfigyelhető lesz, az adatokból meg lehet határozni ugyanazt a felszíni impedanciát, amit eddig hagyományosan a vízszintes elektromos és mágneses térkomponensek hányadosaként számítottak. A Földön már voltak hasonló mérések, de azok a vízszintes mágneses összetevők térbeli változásának meghatározásához - sok pontban igényeltek egyidejű észlelést. A Cluster misszió számára kidolgozott elektromágneses hullámszám-szűrés alapján három állomás alapján is lehetséges látszólagos fajlagos ellenállást számítani. A Pannon-medence és más térségek elektromos szerkezete Az Intézet és elődje a Geofizikai Kutató Laboratórium közel fél évszázada végez kutatásokat elektromágneses mélyszondázásokkal a Föld, és ezen belül különösen a Kárpát- Pannon-medence és környező Alp-Kárpáti hegységrendszer és idős prekambriumi, paleozoos kerete mélyszerkezetének és fizikájának megismerésére általános összefüggések megállapítása végett. A földkéreg és a felső köpeny elektromos vezetőképességének eloszlásában észlelt anomáliák és ezeknek más fizikai paraméterekkel (pl. hőáram, hőmérséklet-eloszlás, szeizmikus sebesség, földrengés-tevékenység, stb.), a terület földtani felépítésével és különösen tektonikájával való kapcsolata további kutatásokat igényel a mérési technika, az adatfeldolgozás programjainak robbanásszerű fejlődése következtében. Ennek révén egyre pontosabban határozhatók meg a fenti jelenségek és azok finomszerkezete, továbbá gyakorlati következményeik és új jelenségek kerülhetnek a látómezőnkbe. A kutatások nemcsak hazai célkitűzéseinknek felelnek meg, hanem részét képezik nemzetközi projekteknek is, hiszen egy földtani, geofizikai egység, jelenség nem követi a politikai határokat, tehát megismerése nemzetközi összefogást igényel. Elektromágneses környezetgeofizikai vizsgálatok Felszínközeli vezetőképesség-anomáliák kimutatására, azok esetleges időbeli változásának nyomon követésére a hagyományos eljárásoktól teljesen különböző elektróda-
elrendezést javasoltunk. A felszínközeli elektromágneses szondázási adatok (lehetőség szerint más módszerek adatrendszereivel is kombinált) inverziója során nyert értelmezés jól hasznosítható az egyre inkább aktuálissá váló környezetgeofizikai feladatok megoldásában. Ide sorolhatjuk az EM energia légi, illetve műholdról történő érzékelése (távérzékelés) során nyert adatok értelmezését is, amellyel immár környezetgeofizikai vizsgálatok is elvégezhetővé válnak.
Szarka László DSc. tud. főosztályvezető, egy. tanár, a VEAB Környezet- Földtudományi és Energetikai Szakbizottságának alelnöke MTA Geodéziai Kutatóintézet, NYME Földtudományi Intézet H-8400 Sopron, Csatkai u. 6-8. Email: szarka@ggki.hu