Artykuły z kategorii Nauka
Minęło 20 lat od uruchomienia pierwszego odbiornika sygnałów satelitarnych GNSS w mieszczącym się na dachu Wydziału Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska obserwatorium satelitarnym AGH, które prowadzi także badania astronomiczne. W przyszłości sygnały z satelitów mogą pomóc w przewidywaniu wstrząsów sejsmicznych.
26 grudnia 2004 r., niewiele ponad minutę przed godziną pierwszą uniwersalnego czasu koordynowanego (UTC), naprężenia pomiędzy birmańską a indyjską płytą tektoniczną osiągnęły wartość krytyczną – doszło do pęknięcia, które w ciągu 10 minut rozciągnęło się na długości 1500 kilometrów w kierunku północnym. Ziemia zaczęła się trząść. Osoby znajdujące się u wybrzeży Oceanu Indyjskiego nie miały jeszcze pojęcia, że w ich stronę zmierza fala tsunami, której wysokość sięgnie nawet 50 metrów. Tymczasem w oddalonym o ponad 9 tys. kilometrów Krakowie aparatura pomiarowa ciągle zbierała dane opisujące ruchy skorupy ziemskiej. Pierwsze drgania dotarły do obserwatorium satelitarnego zlokalizowanego na Wydziale Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska po zaledwie 34 minutach.
To tam od 2002 r. znajduje się odbiornik sygnałów GPS, czyli globalnego systemu nawigacji satelitarnej. Drugi odbiornik obsługujący sygnały amerykańskiego systemu GPS i rosyjskiego GLONASS pojawił się osiem lat później. Aktualnie jeden z odbiorników w obserwatorium odbiera sygnały z czterech systemów nawigacji – dwóch wspomnianych wcześniej oraz europejskiego Galileo i chińskiego BeiDou. Każdy system składa się z kilkudziesięciu satelitów stale okrążających Ziemię i wysyłających nawigacyjne sygnały radiowe. Położenie każdego z satelitów, jak i moment czasu wysłania sygnału, jest znany z dużą precyzją, dlatego na podstawie informacji o prędkości sygnału i momentu jego odbioru z co najmniej czterech nadajników, możliwe jest dokładne wyznaczenie lokalizacji odbiornika. Na tej samej zasadzie działa nawigacja w telefonach, ale różnicę stanowi dokładność pomiaru.
– Za pomocą smartfona czy nawigacji samochodowej osiągamy dokładność wyznaczenia pozycji rzędu kilku metrów. Kiedy idziemy przez miasto i chcemy wiedzieć na jakiej ulicy jesteśmy, to taka dokładność nam w zupełności wystarcza. Poza tym, w aplikacjach do nawigacji używanych na co dzień, zapisane są algorytmy, które wyznaczoną pozycję rzutują na ulicę lub drogę, jeśli okazałoby się, że jesteśmy kilka metrów obok. W zastosowaniach geodezyjnych inaczej przetwarzamy docierające do nas sygnały i potrafimy tak je opracować, że uzyskujemy dokładność rzędu milimetrów. Między innymi lepiej pozbywamy się zaburzeń sygnału, które powstają w trakcie przechodzenia sygnału przez atmosferę – mówi dr hab. inż. Jacek Kudrys, prof. AGH, opiekun obserwatorium.
Nie stoimy w miejscu
Precyzyjne pomiary są istotą działania obserwatorium. Dzięki nim możliwe jest śledzenie niewielkich ruchów płyt tektonicznych. Euroazjatycka płyta kontynentalna, na której leży kampus AGH, przemieszcza się na północny-wschód z prędkością około 26 milimetrów rocznie. To mniej niż płyta australijska (aż 7 centymetrów rocznie w kierunku północnym!), ale warto mieć na uwadze, że konsekwencje tych ruchów muszą być rozpatrywane w skali globalnej.
Skorupa ziemska jest do pewnego stopnia elastyczna, ale im bardziej oddziałują na siebie płyty tektoniczne, tym większe powstają pomiędzy nimi naprężenia. Kiedy stają się zbyt duże, dochodzi do ich uwolnienia i tym samym trzęsienia ziemi. Choć pojedyncze pomiary GNSS nie mają wielkiego znaczenia w opisywaniu takich zjawisk, to dzięki monitorowaniu przemieszczania się stykających się płyt, jesteśmy w stanie stwierdzić, jak bardzo się odkształcają i określić możliwość wystąpienia zagrożenia. Techniki wykorzystujące nawigację satelitarną uzupełniają inne, fizyczne metody przewidywania momentu, w którym dojdzie do skokowej zmiany naprężenia.
– Cały czas prowadzone są różnego rodzaju badania, w celu opracowania metod pozwalających przewidzieć moment, kiedy nastąpi trzęsienie ziemi, ale do tej pory nie udaje się tego zrobić z dużą pewnością – mówi prof. Kudrys.
Liczba ofiar, które pochłaniają katastrofy naturalne, wydaje się być warta wszelkich globalnych wysiłków, więc nie powinno dziwić, że wiele zespołów badawczych chce w jakimkolwiek stopniu przyczynić się do poszerzania wiedzy na ich temat.
– W Krakowie nie jesteśmy w strefie, gdzie bylibyśmy narażeni na silne trzęsienia ziemi, bo nie znajdujemy się na styku płyt tektonicznych, chociaż oczywiście w naszym kraju zdarzają się wstrząsy, głównie na terenach eksploatowanych górniczo. Możemy natomiast obserwować, jak trzęsie się ziemia na skutek silnych, odległych jej trzęsień. I robimy to. Na przykład, gdy epicentrum trzęsienia ziemi jest w rejonie Japonii, my w AGH obserwujemy fale sejsmiczne spowodowane tym zjawiskiem za pomocą naszych stacji GNSS – tłumaczy opiekun obserwatorium.
Kiedy w 2004 r. doszło do jednego z najpotężniejszych trzęsień ziemi w historii pomiarów, którego epicentrum znajdowało się na zachodnim wybrzeżu indonezyjskiej wyspy Sumatra, drgania skorupy ziemskiej dotarły do Polski, a połączenie danych z kilku stanowisk odbiorników satelitarnych pozwoliło na zobrazowanie jak przemieszczała się fala sejsmiczna. Podobnie było w 2011 r., gdy epicentrum znajdowało się w Japonii, a przejście fali przez Polskę zostało zobrazowane dzięki ok. 100 odbiornikom umieszczonym na terenie całego kraju.
Tutaj, czyli gdzie?
Pomiary satelitarne, takie jak te dokonywane w obserwatorium na Wydziale Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, poza długofalowymi korzyściami, które mogą przynieść, są przydatne także tu i teraz. Właśnie po to by wiedzieć, gdzie to „tu” w ogóle jest!
Już w szkole uczymy się, że współrzędne geograficzne to dwie wartości: długość i szerokość geograficzna. Dla modelu Ziemi jako kuli pierwsza z nich jest równa wartości kąta pomiędzy półpłaszczyzną południka zerowego a półpłaszczyzną południka przechodzącego przez dany punkt na powierzchni Ziemi. By wyznaczyć drugą, należy poprowadzić półprostą ze środka Ziemi do punktu, którego współrzędne chcemy wyznaczyć, a następnie określić, pod jakim kątem względem równika ona pada.
Określenie szerokości geograficznej wymaga więc znajomości dokładnego położenia biegunów ziemskich, które to wyznaczają położenie równika jako płaszczyzny do nich prostopadłej. Problem w tym, że położenie biegunów geograficznych względem skorupy ziemskiej… stale się zmienia. Biorąc pod uwagę, że oś obrotu Ziemi przemieszcza się względem skorupy ziemskiej, zmiana położenia biegunów wynika wprost z definicji – bieguny to bowiem punkty na powierzchni ciała niebieskiego, przez które przechodzi jego oś obrotu. Jeżeli chcemy wyznaczyć współrzędne z dużą dokładnością, musimy znać chwilowe położenie bieguna. Tej informacji dostarczają m.in. pomiary satelitarne GNSS takie jak prowadzane w uczelnianym obserwatorium.
– Biegun porusza się względem powierzchni Ziemi po krzywej zwanej polhodią. Przypomina to ruch spiralny o zmieniającej się okresowo amplitudzie. Jego chwilowe położenie można wyznaczyć m.in. na podstawie pomiarów GNSS, ponieważ możemy zaobserwować zmieniające się współrzędne punktów na całej Ziemi. Satelity poruszają się niezależnie od chwilowego położenia osi obrotu Ziemi i dlatego możliwe jest zaobserwowanie, jak to położenie się zmienia – wyjaśnia prof. Kudrys.
Jeden z punktów pomiarowych w obserwatorium wraz z innymi, precyzyjnie wyznaczonymi względem siebie punktami na terenie kraju, tworzy państwową podstawową osnowę geodezyjną. Składa się ona z trwale oznaczonych i stabilnych punktów na terenie całej Polski, dzięki czemu prace geodezyjne prowadzone w różnym czasie i odległych od siebie lokalizacjach mogą być oparte o jednolity układ współrzędnych.
Ponadto odbiorniki zlokalizowane na terenie AGH należą do europejskiej sieci stacji referencyjnych EUREF Permanent Network (EPN) oraz systemu European Plate Observing System (EPOS). Płynące z nich dane przyczyniają się do konserwacji europejskiego układu odniesienia, który stanowi podstawę do realizowania państwowych układów współrzędnych.
– Dostarczamy obserwacji do monitorowania układu ETRF oraz realizacji państwowego układu odniesień przestrzennych – mówi o działalności obserwatorium jego opiekun.
Poza tym dane trafiają do puli danych analizowanych przez różne zespoły badawcze. Pojedyncze pomiary dostarczają tylko informacji o chwilowym położeniu, ale zwielokrotnione w czasie mogą tworzyć cenny obraz. Aby był on jak najbardziej wiarygodny, stale prowadzi się prace badawcze związane z jakością sygnału satelitarnego i jego podatnością na zakłócenia. Odbiorniki w obserwatorium działają niemal nieprzerwanie (dokonując pomiarów co 30 sekund) od 20 lat, a wszystkie te dane są przechowywane oraz dostępne dla zainteresowanych ich wykorzystaniem.
Gromadzone są także dane z działającej na terenie obserwatorium stacji meteorologicznej, w której dokonuje się pomiarów ciśnienia, wilgotności i temperatury.
– Stacje meteorologiczne mogą być pomocne przy opracowaniu danych, bo wiadomo, że atmosfera wpływa na propagację fali elektromagnetycznej, a przez to na pomiar odległości. Istnieją serwisy meteorologiczne, w których między innymi nasze dane są wykorzystywane do tworzenia modeli troposfery w danym momencie czasu, które później przekładają się na prognozowanie pogody – dodaje prof. Kudrys.
Liczy się każdą sekundę
Prowadzenie precyzyjnych pomiarów nie wzbudza kontrowersji. W końcu – dlaczego by miało, skoro dzięki temu poszerzamy naszą wiedzę o otaczającym świecie i małymi krokami zbliżamy się do coraz pełniejszego zrozumienia mechanizmów natury? Regulacje, które wprowadza się dzięki ich dokonaniu, wywołują już jednak więcej emocji. To zaskakujące – szczególnie, jeśli doprecyzujemy, że kością niezgody jest jedna sekunda. Jedna na kilka lat!
– Prędkość wirowania Ziemi, czyli prędkość, z jaką Ziemia się obraca wokół własnej osi, zmienia się – i to też można zaobserwować na podstawie naszych pomiarów – tłumaczy prof. Kudrys.
Przykładowo: średnia zmiana prędkości obrotowej o jedną milisekundę na dobę, powoduje w ciągu roku zmianę o 365 milisekund, czyli ok. 0,3 sekundy. Po trzech latach będzie to już sekunda, po dłuższym okresie – kilka sekund. Konsekwencje są takie, że czas mierzony w skali opartej na ruchu obrotowym Ziemi, czyli względem Słońca albo innych bardziej odległych gwiazd i czas odmierzany za pomocą zegarów atomowych (opierających się na częstotliwości rezonansowej atomów, a więc niezwykle dokładanych, ale zupełnie niezwiązanych z ruchem planety), zaczynają się między sobą różnić.
– Do tej pory uważano, że te dwie skale czasu powinny być zsynchronizowane. W tym celu stosuje się zabieg wprowadzenia tzw. sekundy przestępnej – tak jak wprowadza się dzień w miesiącu roku przestępnego, ze względu na to, że okres obiegu Ziemi wokół Słońca nie trwa dokładnie 365 dni. Z sekundą przestępną jest podobnie – dodaje się jedną na koniec czerwca lub koniec grudnia, w taki sposób, żeby różnica między czasem atomowym i astronomicznym obrotowym nie była większa niż jedna sekunda – wyjaśnia prof. Kudrys.
W ten sposób dochodzi się do wyznaczenia czasu uniwersalnego koordynowanego UTC, którym posługujemy się na co dzień. Ale już niedługo ma się to zmienić.
Sekunda przestępna nie została przewidziana w systemach informatycznych – znaleziono co prawda sposoby, by ją dodać, ale są to rozwiązania obarczone dużym ryzykiem wystąpienia błędów. W przeszłości miały doprowadzać już do desynchronizacji czasu pomiędzy serwerami, a wreszcie do awarii, których usunięcie zajmowało nawet kilka godzin. Nic więc dziwnego, że osoby zarządzające infrastrukturą sprzętową i właściciele firm technologicznych (w tym gigantów technologicznych jak Meta, Microsoft, Amazon czy Google), byli przeciwni operacjom leżącym u podstaw stworzenia uniwersalnego czasu koordynowanego. Dodatkowo wkrótce może dojść do sytuacji, w której po raz pierwszy należałoby odjąć sekundę, a nie ją dodać – co mogłoby przyczynić się do powstania jeszcze większych problemów. Pojawiła się wątpliwość czy wady tego rozwiązania nie przeważają jego zalet.
W listopadzie 2022 r. na Generalnej Konferencji Miar zapadła decyzja, by najpóźniej do roku 2035 zwiększyć dopuszczalną różnicę między czasem UTC i UT1. W konsekwencji czas atomowy będzie mógł różnić się od czasu astronomicznego o więcej niż 0,9 sekundy. Jak te czasy będą wyrównywane, by zapobiec znaczącym rozbieżnościom na przestrzeni setek lat? To nie zostało jeszcze ustalone.
fot. Marianna Cielecka
Budynek WGGiIŚ z widoczną na dachu kopułą obserwatorium; lata 60. XX w. Fot. Andrzej Kmieciński. Zdjęcie z archiwum WGGiIŚ.
Jak nie dać się KLESZCZOM? | Bunkier Nauki odc. 49 
Jak podbijamy nanoświat – AGH NAUKA spotkania (nr 25) 
Jak samodzielnie wynieść 1000 worków śmieci z lasów? | Bunkier Nauki odc. 48 
Obalamy MITY na temat sieci 5G – czy jest się czego bać? | Bunkier Nauki odc. 47 
Świat w dobie AI – AGH NAUKA spotkania (nr 24) 
Prezentacja wyborcza kandydata na rektora AGH prof. Jerzego Lisa 
Proces cyfryzacji w AGH. Zakup nowoczesnego sprzętu oraz technologii