GPS-szel előre jelezhető a cunami

2011. március 11-én közép-európai idő szerint 6 óra 46 perckor a Richter-skála szerinti kilences erősségű földrengés rázta meg Japánt Tohoku térségében. Az epicentrum nem messze a partoktól, Szendai város közelében volt. A mérések elindítása óta ez volt a legnagyobb földrengés Japánban, és a negyedik legnagyobb a világon. A rengést szökőár követte, hatalmas hullámokkal, ezek magassága néhol a 38 métert is elérte. Mivel a szigetországhoz nagyon közel volt, az ottani partokat perceken belül elérte, tíz órával később pedig Észak-Amerikához is eljutott.

Japánban túl közel keletkezett a partokhoz a cunami, így nem igazán lehetett volna semmilyen módszerrel időben előrejelezni. Az esemény tudományos szempontból ennek ellenére fontos és tanulságos volt: a hatalmas földrengés, a napközbeni időpont és a nagy számú műszer jelenléte lehetőséget adott arra a kutatóknak, hogy tovább tökéletesítsenek egy, az ionoszféra vizsgálatán alapuló cunami-előrejelző rendszert. Egy olyan rendszert, ami magyar kutató vezetésével készül. A kutatócsoport publikációját a napokban fogadta el a Geophyiscal Union (AGU) Radio Science című szaklap.

Egyszerű GPS

A GPS-nek vannak olyan kutatási területei, amelyekről a nagy nyilvánosság egyelőre nem sokat tud, az egyik ilyen a cunami-megfigyelés. Az amerikai űrkutatási hivatal, a NASA egyik legfontosabb kutatóintézetében, a kaliforniai Jet Propulsion Laboratory-ban (JPL) dr. Komjáthy Attila vezetésével egy kutatócsoport olyan módszert dolgozott ki, amivel az eddigieknél jóval előbb és olcsóbban észlelhetnék, ha valahol a világon cunami alakulna ki.

Amennyiben a parton elhelyeznek egy GPS-vevőt a megfelelő magasságban és szögben, akkor a a földi állomás által befogott, a GPS-műhold által küldött jelekből valós időben következtetni lehet arra, ha cunami érkezik. A cunami akár 200 méter per másodperces sebességgel is érkezhet – ez nagyjából egy utasszállító repülőgép sebessége –, nagyon fontos tehát, hogy a lehető leghamarabb észleljék. A rendszer ugyanolyan alapelven működik, mint az autóban is található GPS, leszámítva, hogy a kutatók műszerei valamivel pontosabbak.

Nyomot hagy a légkörben

Az óceánban keletkezett vízhullámok akkora energiájúak, hogy az általuk gerjesztett hatás a felső légkörben is érezhető. Ahogy a cunamihullámok létrejönnek a tengervízben, megrezegtetik a fölöttük lévő légréteget, ezek a megrezegtetett levegőrészecskék pedig hullámokat indítanak el felfelé.

Az energiamegmaradás törvényeinek megfelelően a hullámok minél feljebb mennek, az egyre kisebb a sűrűségű atmoszférában annál jobban felerősödnek, ezért feljutnak egészen a 350 kilométer magasságban található ionszféráig. A légkörnek ebben a rétegében van a legtöbb szabad elektron, amelyeknek számát pontosan mérni lehet.

Az ionoszféra onnan kapta a nevét, hogy Nap ibolyántúli sugárzásának hatására a légkörben itt megy végbe az ionizáció a légköri gázokból. Ez az a folyamat, amikor egy atomból vagy molekulából elektromos töltéssel rendelkező ion keletkezik. Ekkor az atomról leszakadhatnak elektronok, ezeket nevezzük szabad elektronoknak.

A kutatók ez alapján ki tudnak mutatni úgynevezett akusztikus-, Rayleigh- és  gravitációs hullámokat. (Bár a magyar megnevezés egyezik, utóbbi nem az általános relativitáselméletből következő jelenség.) Külön-külön ezeket már megmérték máshol, fizikailag jól leírt jelenségek. A NASA jelenlegi kutatása azért különleges, mert ami Japánban történt, az egy úgynevezett tökéletes vihar volt, rengeteg, nagyon erős hullámot indított el, és a parton található 1200 mérőműszer valós időben fogta az adatokat. Korábban ilyenre még sehol nem volt lehetőség.

Tíz perc alatt, bárhol

A különböző hullámok nem egyforma sebességgel érik el az ionoszférát. Az akusztikus hullámok, amelyek akár 1000 méter per másodperces sebességgel terjedhetnek a magasabb rétegekben, már tíz perccel a cunami keletkezése után kimutathatók az ionoszférából. Ez azt jelenti, hogy megfelelő szögben elhelyezett műszerek esetén hamarabb látni a közelgő természeti csapást a légkörben.

A rendszer előnye jól látható: mivel a NASA-nak rengeteg valós idejű GPS-műszere van a Föld minden pontján, könnyedén globális cunami-figyelő rendszer építhető belőlük. Japánnak ugyan tavaly nem volt elég ideje, de a földrengés utáni cunami óriási hullámai például jóval Hawaii partjait is elérték, ott is féltek az emberek, a GPS-módszerrel viszont már tíz perccel a cunami keletkezése után meg tudták mondani a tudósok, merre jár éppen a hullám. Ez a rendszer leginkább olyan szigeteket és partokat védhetne, ahol nincsenek más műszerek a természeti jelenség észleléséhez.

Az ionoszféra miatt pontatlan a GPS

A jelenlegi GPS-rendszerben az ionoszféra a legnagyobb hibaforrás. A légkör ezen rétege torzítja a jeleket. Ez azt jelenti, hogyha az autónkban azt látjuk, hogy kicsit arrébb vagyunk, mint a GPS mutatja, annak az az oka, hogy a jel a műholdtól autónk vevőjéig áthalad az ionoszférán is, a szélesebb körben elterjedt egyfrekvenciás GPS pedig nem tudja kezelni a jeltorzulást, csak azt az adatot, amit megkap. Ilyen kis mértékű torzulás a közúti navigációban nem lényeges, a kutatók viszont éppen ezt a jelenséget tudják kihasználni a cunami-előrejelző rendszerhez.

A kutatók kétfrekvenciás műszert használnak, valamint matematikát. Az ionoszférára oldják meg az egyenletet, ami azt jelenti, hogy pontosan tudják, az ionoszféra milyen kihatással volt a beérkező jelekre. Ezeknek az eredményeknek az ábrázolását látjuk szűrve az általuk kiadott ábrákon.

Az ábrák a függőleges teljes elektrontartalmat (vertical total electron content, VTEC) ábrázolják. Ez egy fizikai törvényszerűség, azt mutatja, hogy egy egy négyzetméter alapú oszlopban összesen hány elektron van. Mértékegysége TECU (total electron content unit), 1 TECU 10¹⁶ mennyiségű elektront jelent adott térrészben. A cunami által gerjesztett hullámok amplitúdója 0,5 TECU – kiszűrve a nem lényeges egyéb légköri zavarokat pontosan kimutathatóak, ahogy az a fenti ábrán is látszik.

Az ionoszféra a Föld különböző pontjain más és más, a különböző szélességi köröktől, a napszaktól, vagy az évszaktól, sőt még a napciklusoktól függően is. A tudósok mára elég adattal rendelkeznek, gyakorlatilag feltérképezték az ionoszférát, így ki tudják mutatni a benne létrejövő, nem szokványos változásokat.

1200 állomás

A kutatócsoport egy animációt is készített a Japán méréseikből. Az animációban a színes pontok helye megfelel a GPS-vevőkkel megfigyelt ionoszféra-területnek. Mindegyik vevő – több mint 1200 van Japánban – fogta a jeleket nagyjából 12 különböző GPS-műholdtól, ezért az ionoszféra nagyon nagy részét tudták monitorozni a kutatók.

A felvételen Japán-alakú területek mozgása a műholdak mozgásának következménye, nem pedig a földrengés vagy a cunami okozza. Hasonló elemzést végeztek már korábban a 2009-es szamoai és a 2010-es chilei cunamikor is, viszont a 2011-es japán esemény az első olyan, ahol az ionoszférát és az epicentrumot is rengeteg GPS-eszközzel figyelték.

Atomtámadást is jelez

Érdekes adalék, hogy ugyanezzel a technikával a nukleáris robbantások helyszíneit is pontosan meg lehet határozni. 2009-ben amikor Észak-Korea kísérleti robbantást végzett, sikerült meghatározni a robbantás pontos helyét, mivel a robbanás a cunamihoz hasonlóan ionoszfériikus hullámokat hozott létre.

Komjáthy Attila és kutatócsoportja jelenleg is együtt dolgozik a dél-koreaiakkal – nekik száz mérőállomásuk van  –, amint az északiak megint robbantanak, a műszerek folyamosan szállítanák az adatokat. Ki tudják mutatni akár a föld alatti robbantások nagyságát is. Ennek a megoldásnak egyelőre csak tudományos jelentősége van, az atomrobbantások más módszerekkel is pontosan lokalizálhatók.

Sokkal gyakorlatibb haszna is lehet még a megoldásnak: akár vulkánkitöréseket is lehet jelethetnek velük. Ez azért fontos, mert a Földön még most is vannak olyan helyek, ahol nincsenek megfelelő vulkánfigyelő műszerek. Komjáthy szerint valós időben, teljesen megbízható módon 5-10 éven belül használhatják majd a GPS-alapú megoldást.

Nem a mostani kutatás az egyetlen cunami-előrejelző megoldás a világon. A National Oceanographic and Atmospheric Administration (NOAA) 2004-től kezdve kiépítette az úgynevezett DART-rendszert (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis). Ez egy tengeri bójákból álló előrejelző rendszer, amelyet a szeizmikus törésvonalak mentén alakítanak ki. Hat műszerrel indult, 2008-ra 39-ig bővítették, de még így is jóval kisebb területet képes lefedni, mint a GPS-es megoldás. Nem beszélve a költségekről: hogy egy-egy bója ára fél-egymillió dollár között alakul, ráadásul ezeket üzemeltetni, javítani kell.

A tengerfenéken cunami-előrejelzéshez elhelyezett nyomásszenzorok még ennél is drágábbak, ráadásul jóval kevesebb van belőlük. Ezeket a megoldásokat azonban a GPS-előrejelzéssel nem leváltani akarják, hanem kiegészíteni – hiszen jóval olcsóbban, sokkal nagyobb területen végezhetnek majd előrejelzéseket, mint a jelenleg létező megoldásokkal.