FizikaInfrahang-megfigyelés hazánkban és a nagyvilágban

2017-ben egy új módszerrel gazdagodott a hazai légkörkutatás eszköztára. Az MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpontjának kutatói egy évvel ezelőtt telepítették Magyarország első infrahangállomását a Mátrába, Piszkés-tetőre. Az új műszer egy még világszinten is nagyon fiatal, ám gyorsan fejlődő tudományág meghonosítását szolgálja. Az infrahang légköri terjedésének érdekességét az adja, hogy minimális csillapodás mellett nagyon nagy távolságra, akár több ezer kilométerre is képes eljutni egy jel, sőt, nagyon erős forrás esetén akár a Föld körül többször is...

2017-ben egy új módszerrel gazdagodott a hazai légkörkutatás eszköztára. Az MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpontjának kutatói egy évvel ezelőtt telepítették Magyarország első infrahangállomását a Mátrába, Piszkés-tetőre. Az új műszer egy még világszinten is nagyon fiatal, ám gyorsan fejlődő tudományág meghonosítását szolgálja.

Az infrahang légköri terjedésének érdekességét az adja, hogy minimális csillapodás mellett nagyon nagy távolságra, akár több ezer kilométerre is képes eljutni egy jel, sőt, nagyon erős forrás esetén akár a Föld körül többször is képes körbemenni az infrahanghullám. Ennek egyik oka az alacsony frekvencia miatti enyhe csillapodás, a másik pedig a légkör pillanatnyi állapotától (a hőmérséklet- és szélsebességprofiltól) függően kialakuló úgynevezett vezetőcsatornák, amelyekben az infrahanghullám a felszín és a troposzféra vagy a sztratoszféra tetején kialakuló reflektáló réteg közt megrekedve – mintegy oda-vissza „pattogva” – képes a forrástól nagy távolságban is érzékelhető maradni a földfelszínen. Tanulmányozásuknak számos tudományos és gyakorlati felhasználási területe van. Alkalmas például vulkáni tevékenység állandó nyomon követésére több ezer kilométer távolságból, ami például a légi közlekedés számára elengedhetetlen, vagy katonai szempontból érdekes például a távoli robbantások észlelése. De az infrahang-technológia nemcsak a forrásesemények megfigyelése miatt érdekes, hanem a légkör szerkezetének vizsgálatát is lehetővé teszi. Hasonlóan ahhoz, ahogy a Föld belsején keresztülhaladó, földrengések által keltett szeizmikus hullámok segítségével a Föld belső szerkezetét lehet tanulmányozni, a légkörben hosszú utat megtett infrahanghullámok a légkör szerkezetéről hordoznak magukban információt.

Fiatal tudományág

A légköri infrahang kutatása, bár közel másfél évszázados múltra tekint vissza, története során időben meglehetősen egyenetlen tempóban fejlődött. A tudományág fejlődése összefonódik a nukleáris robbantások monitorozásának történetével. Az indonéziai Krakatau vulkán legendás 1883-as robbanásos kitörése indította útjára a légköri infrahangok kutatását. A robbanás által keltett lökéshullám világszerte látható jeleket produkált a meteorológiai állomások barográfjain. A hullám hétszer megkerülte a Földet. A XX. század elején több tudós fordult érdeklődéssel a nemrég felfedezett jelenség felé. Néhány évtized alatt leírták az infrahang légköri terjedésének legfontosabb jellemzőit és különböző infrahang-érzékelő műszereket fejlesztettek. Többek között olyan nagy nevek, mint például Hugo Benioff és Beno Gutenberg, akik szeizmológiai munkásságukkal vonultak be a tudománytörténetbe, a hullámterjedéssel kapcsolatos ismereteiket a légköri infrahangok tanulmányozásában is kamatoztatták. Az ő nevükhöz fűződik az első több elemből álló állomáscsoport megépítése. De említhetnénk például a kontinensvándorlás-elméletéről ismert Alfred Wegenert is, aki a légkör hullámterjedést befolyásoló sajátosságait is tanulmányozta. 1945.július 16-án az Egyesült Államok végrehajtotta az első kísérleti nukleáris robbantását, ami fordulópontot jelentett mind a szeizmológia, mind az infrahangkutatás történetében. A robbantást szeizmográfokkal és mikrobarográfokkal is érzékelték, ami azt sejtette, hogy mindkét módszer alkalmas lehet nukleáris robbantások monitorozására. A korábban periférián lévő, épp csak születőben lévő tudományágak hirtelen nagyobb figyelmet kaptak. Augusztusban, az atombombák ledobása után azonnal felmerült a nukleáris fegyverek korlátozásának szükségessége. Ezzel elkezdődött az Átfogó Atomcsendegyezményhez vezető öt évtizedig tartó út. A korlátozásokról szóló tárgyalások azonnal megkezdődtek a Szovjetunió és az Egyesült Államok között. A megegyezés legnagyobb akadálya az volt, hogy nem állt rendelkezésre olyan technológia, ami lehetővé tette volna az egyezmény megbízható ellenőrzését. A nukleáris robbantások monitorozásának jegyében a ‘40-50-es években mind a szeizmológia, mind az infrahang-megfigyelés területén a minél pontosabb forrásmeghatározást célzó kutatások kerültek az előtérbe. Több ízben végeztek TNT-tesztrobbantásokat, amelyeket a robbantástól különböző távolságokra elhelyezett mikrobarométerekkel figyeltek. Amellett, hogy elsősorban a források meghatározása volt a cél, az is egyre világosabbá vált, hogy a hanghullámok követése a teljes atmoszféra állapotának megfigyelését teszi lehetővé. Az ebben az időszakban megjelenő egyre jobb minőségű mérőműszerek mind pontosabb méréseket tettek lehetővé. Ekkor jelentek meg az első szélzajcsökkentő rendszerek is. 1957.szeptember 19-én az USA végrehajtotta az első földalatti nukleáris tesztrobbantást, amelynek detektálására a szeizmikus regisztrálás bizonyult az egyetlen hatékony módszernek. Ekkor indult el a szeizmológia „diadalútjára”, ezzel egyidőben pedig az infrahang tudománya egyre kevesebb érdeklődést kapott. Hosszas tárgyalások és számos elutasított javaslat után 1963-ban a nagyhatalmak aláírták a Részleges Atomcsendegyezményt (Partial Test Ban Treaty, PTBT), amely tiltott minden tenger alatti, légköri és űrben végzett nukleáris robbantást. A földalatti robbantások ellenőrzése azonban továbbra is megoldatlan probléma maradt. A fegyverkezési verseny föld alá költözése még tovább növelte a szeizmológia jelentőségét, egyúttal gyakorlatilag véget vetett az infrahang kutatása iránti érdeklődésnek. Az újabb fordulópontot az Átfogó Atomcsendegyezmény (Comprehensive Nuclear Test-Ban Treaty, CTBT, 1996) jelentette. A tárgyalások megkezdésekor egy nemzetközi szakértőkből álló csoport négy technológiát jelölt ki a tesztrobbantások megbízható ellenőrzésére: a szeizmikus monitorozást a földalatti robbantások megfigyelésére, az infrahangtechnológiát a légköri robbantások monitorozására, a hidroakusztikus méréseket a vízalatti robbantások miatt, és a levegőminták radionuklidos elemzését a robbantás nukleáris mivoltának bizonyítására. Az Egyezmény tilt mindennemű nukleáris robbantást, katonai és civil célút egyaránt, a föld alatt, vízben és a légkörben is; betartásának ellenőrzésére pedig megtervezték a Nemzetközi Monitorozórendszert (International Monitoring System, IMS), amely a fenti négy technológia alkalmazásával elvben garantálja, hogy a Föld bármely pontján végzett 1 kilotonnánál nagyobb töltetű robbantást detektálni képes.

Az IMS állomáshálózata. Az infrahangállomásokat lila négyzetek jelölik. (forrás: [1])
Az IMS állomáshálózata. Az infrahangállomásokat lila négyzetek jelölik. (Forrás: ctbto.org)

Az IMS megbízható működéséhez azonban szükség volt a pontos tudományos alapokra, így a 30 évig „alvó” infrahangtudomány újra támogatást és érdeklődést kapott. Mivel a ’60-as évek óta az ismeretek nagy része feledésbe merült, a ’90-es években egy új tudósnemzedék kezdte el a meglévő anyagok alapján lerakni az újjászülető diszciplína alapjait. A CTBT óta az infrahangkutatás újra egy gyorsan fejlődő és növekvő tudományággá vált, és rövid időn belül jelentős eredményeket ért el nemcsak a CTBT-releváns témákban, hanem egyéb geofizikai-légkörfizikai kérdésekben is. Az újra fellendülő infrahangos kutatásokba a 2000-es évektől kezdve egyre több ország kutatóintézetei kapcsolódnak be. Az IMS-hálózaton kívül évről évre új, kisebb, tudományos célokra szánt infahangállomásokkal bővül a nemzetközi infrahangállomás-hálózat. A 2010-es évekre Európa igen sűrű állomáshálózattal rendelkezik, amelynek 2017 óta hazánk is része.

Az állomás felépítése

Az infrahangot – mint a levegőben terjedő nyomásváltozást – nagyon érzékeny légnyomásmérőkkel, mikrobarométerekkel érzékeljük. Egy állomás mindig több (3-16) szenzorból áll, a köztük lévő távolság jellemzően néhány tíz métertől 3-4 kilométerig terjed. Az állomáscsoport egyes elemeihez a távolról érkező jelek időeltolódással érkeznek, az időeltolódások alapján pedig nagy pontossággal meg lehet becsülni a forrás irányát, illetve a látszólagos terjedési sebességét, amely a valós terjedési sebességnek a vízszintes komponense. Ez azt jelenti, hogy ha egy hangsebességgel terjedő jel távolról, vízszintes irányban érkezik az állomáshoz, akkor a látszólagos terjedési sebesség éppen hangsebességnek adódik. Viszont egy közeli, magasan a légkörben lévő forrás esetén az infrahanghullám sokkal nagyobb beesési szögben érkezik a felszínen lévő állomáshoz, ezért a beérkezések időkülönbségei – ugyanolyan valós terjedési sebesség esetén – sokkal kisebbek lesznek, mint vízszintes esetben, amiből nagyobb látszólagos terjedési sebesség adódik. Ugyanígy, egy függőlegesen, éppen az állomás felett lévő forrásból érkező jelet egyszerre regisztrál az összes szenzor, ami végtelen látszólagos sebességet ad. Tehát a regisztrált jel látszólagos terjedési sebességéből következtethetünk arra is, hogy milyen beesési szögben érkezett a jel az állomáshoz. A műszereket minden esetben fel kell szerelni valamilyen szélzajcsökkentő rendszerrel, mert a szél olyan állandóan jelen lévő zajt jelent, ami minden hasznos jelet elnyom. Ennek a megoldására a legelterjedtebb módszer a csőrendszerek kiépítése. A műszerbe több irányból hosszú csövek vezetik be a levegőt, amelyek szétágazva – egy kb. 15 méter átmérőjű kör kerületén elhelyezett – beáramlónyílásokban végződnek. A műszer így a kör kerülete mentén kiátlagolt légnyomást méri, ennek eredményeképpen pedig csak a kör léptékében is koherens változások jelennek meg jelként a regisztrátumon, a kisebb, turbulens változások – mint a szélzaj – pedig nem. A szélzajcsökkentő rendszerek jellemzően vagy merev acélcsövekből vagy – mint Piszkés-tető esetében is – hagyományos kerti locsolócsövekből állnak. A szélzaj szempontjából a legelőnyösebb fák közé telepíteni a műszert, de kiváló zajcsökkentő például a csöveket borító frissen hullott hó is.

A Piszkés-tetői állomás elemeinek elhelyezkedése (balra). Piros háromszögek jelölik a mikrobarométereket, a kék kör a szeizmométert. Jobbra a szélzajcsökkentő rendszer szerkezete nagyítva.
A Piszkés-tetői állomás elemeinek elhelyezkedése (balra). Piros háromszögek jelölik a mikrobarométereket, a kék kör a szeizmométert. Jobbra a szélzajcsökkentő rendszer szerkezete nagyítva.

A Piszkés-tetői állomás egy négy elemből álló csoport, amelyen belül az elemek közti legnagyobb távolság – az állomás apertúrája – kb. 250 méter. Ez egy közepes méretű állomásnak számít, ami azt jelenti, hogy ideális a regionális távolságból – néhány ezer km-en belülről – érkező jelek érzékelésére. Az állomáson internetkapcsolat biztosítja az adatok folyamatos továbbítását a budapesti adatközpontba. A mérések első néhány hónapjában sokféle forrást sikerült azonosítani a regisztrátumokon. Több ízben észleltünk például meteorokat – ezek között volt olyan is, amit több szemtanú is látott fényes tűzgömbként – illetve napi rendszerességgel regisztráljuk a Mátra felett elhúzó, Nyugat-Európa és a Közel-Kelet között közlekedő utasszállító repülőgépek keltette infrahangot is.

A mikrobarométert tartalmazó hordó kívülről (balra) és belülről (jobbra), valamint a cikk szerzője a műszer első bekapcsolásakor.
A mikrobarométert tartalmazó hordó kívülről (balra) és belülről (jobbra), valamint a cikk szerzője a műszer első bekapcsolásakor.

Az egyik legjellegzetesebb infrahangforrás, amely a világon szinte mindenütt észlelhető, az óceánok hullámzása. Az állandóan mozgásban lévő vízfelszín megállás nélkül „lökdösi” alulról a légtömegeket, folyamatos, jellegzetes, 0,3-0,5 Hz frekvenciájú nyomáshullámot gerjesztve a levegőben. Az e mozgás által okozott jelek – úgynevezett mikrobaromok – a jellemző szélirányban több ezer kilométerre is észlelhetőek. A jellemző szélirány pedig évszakos változást mutat: az északi féltekén télen főleg nyugati irányból észlelnek jeleket az infrahangállomások, míg nyáron inkább keletről, a déli féltekén pedig éppen fordítva. Piszkés-tetőn nyáron még nem észleltük az Atlanti-óceán északi részéről érkező mikrobaromokat, a téli időszakban viszont egyfolytában „hallhatóak”. A piszkés-tetői állomás különlegessége, hogy egyik elemének közvetlen közelében egy szélessávú szeizmológiai állomás is található, amely a földben terjedő földrengéshullámokat érzékeli. Így a négy mikrobarométerből és egy szeizmométerből álló műszeregyüttes szeizmo-akusztikus érzékelőként működik, és olyan események észlelését teszi lehetővé, amelyek egyszerre gerjesztenek szeizmikus (földrengés-) és akusztikus (hang-) hullámokat. Ennek a legjobb példái a felszíni bányarobbantások.

Robbantások

Egy robbantás a kisebb földrengésekhez nagyon hasonló szeizmikus jelet kelt, emellett ha a robbantás a felszínen történik, akkor az általa keltett lökéshullám a levegőben infrahangjel formájában is jól észlelhető. Magyarországon évente mintegy 300 szeizmikus eseményt regisztrál a Magyar Nemzeti Szeizmológiai Hálózat 15 állomása. Ennek azonban csak körülbelül a kétharmadát alkotják természetes földrengések, egyharmadát az országszerte működő felszíni kőbányákban végzett robbantások adják. A természetes szeizmicitás tanulmányozásához, vagy a megbízható földrengéskockázat-becsléshez egy pontos, mesterséges eseményektől mentes földrengéskatalógusra van szükség, ezért elengedhetetlen a földrengések és robbantások hatékony elkülönítése. Erre többféle módszer létezik, pusztán szeizmikus adatok felhasználásával is. Mivel azonban a felszíni robbantások – a földrengésekkel ellentétben – infrahangjelet is keltenek, az új technológia nagyon hatékony kiegészítése lehet a szeizmikus módszereknek az elkülönítésben. Ez a cél motiválta a Kövesligethy Radó Szeizmológiai Obszervatórium kutatóit arra, hogy az infrahangforrások tanulmányozását a hazai bányarobbantások infrahangjeleinek vizsgálatával kezdjék.

Egy kisnánai (Piszkés-tetőtől kb. 20 km-re) bányarobbantás infrahangjele. A hullámformák fölött a beérkező jelek időeltolódásából számított irány (felül) és látszólagos terjedési sebesség (középen) látszik.
Egy kisnánai (Piszkés-tetőtől kb. 20 km-re) bányarobbantás infrahangjele. A hullámformák fölött a beérkező jelek időeltolódásából számított irány (felül) és látszólagos terjedési sebesség (középen) látszik.

Egy robbantás detektálhatóságát nagyon sok tényező befolyásolja. Az infrahanghullám terjedését meghatározó legfontosabb tényező az effektív terjedési sebesség, amely a levegő pillanatnyi hőmérsékletének és a szélsebességnek a függvénye. Mind a hőmérséklet, mind a szélsebesség változik a magassággal, a felszíntől felfelé haladva. Egy felszíni forrásból kiinduló infrahanghullám útja az effektív terjedési sebességtől függően elhajlik, és amikor olyan magasságba ér, ahol az effektív terjedési sebesség azonos a felszíni értékkel, reflektálódik, azaz visszafordul a felszín irányába. A hullám a Földfelszínről ismét visszaverődik, és ilyen módon a felszín és a magasban lévő reflektáló réteg között megrekedve képes nagy távolságokra eljutni. Ilyen reflektáló rétegek jellemzően a troposzféra vagy a sztratoszféra tetején szoktak kialakulni, de a pillanatnyi időjárás átmenetileg kialakíthat ilyen réteget más magasságokban is. A felszínen elhelyezett infrahangállomással detektálhatunk egy közeli felszíni forrásból közvetlenül az állomáshoz érkező jelet, vagy távolabbi források esetén valamely reflektált fázisát. Egy ilyen reflektált hullám (a visszaverődési magasságtól függően) a forrástól 100-150 km-re észlelhető újra a felszínen. Emiatt kialakul egy árnyékzóna, ahol a direkt fázis már nem érzékelhető, a reflektált fázis pedig még „nem ért vissza”, ezért semmilyen infrahangjel nem érzékelhető az adott forrásból. Az árnyékzóna mérete és formája függ az aktuális légköri viszonyoktól és a domborzattól is, de nagyságrendileg körülbelül a forrástól 50-150 km-es távolságban jellemző.

Hullámutak modellezése nyugati (balra) és keleti (jobbra) irányban. A két szélső blokk a nyugati és keleti irányú effektív terjedési sebességet (ceff) ábrázolja a magasság függvényében. Látható, hogy 30-60 km-es magasságban erős keleti szél fúj. Abban a magasságban, ahol ceff egyezik a felszíni értékével, reflexió történik. Jól látszik a 200 km alatti árnyékzóna is. (forrás: [3])
Hullámutak modellezése nyugati (balra) és keleti (jobbra) irányban. A két szélső blokk a nyugati és keleti irányú effektív terjedési sebességet (ceff) ábrázolja a magasság függvényében. Látható, hogy 30-60 km-es magasságban erős keleti szél fúj. Abban a magasságban, ahol ceff egyezik a felszíni értékével, reflexió történik. Jól látszik a 200 km alatti árnyékzóna is. (forrás: [3])

Ez okozza azt, hogy Piszkés-tetőn nemcsak a közeli mátrai bányákból regisztráljuk a robbantások keltette infrahangot, hanem a több mint 200 kilométerre lévő mecseki robbantások is tiszta jelet produkálnak. Ezzel szemben a Vértes környékén végzett robbantásokból szinte semmit sem „hallunk”. A robbantások tanulmányozása a földrengésektől való elkülönítés mellett a légkör állapotának vizsgálatához is hasznos, mivel a robbantásoknak pontosan ismert a forrása, így pontosabban modellezhető a hullám által a légkörben bejárt út. A légköri infrahangok tudománya 20 év alatt elfeledett diszciplínából napjainkra komoly tudományos és társadalmi jelentőséggel bíró tudományággá nőtte ki magát. A témával foglalkozó viszonylag kis (de egyre növekvő) közösség komoly eredményeket ért el a műszerfejlesztés, az adatfeldolgozás, a forrás-meghatározás és a terjedési tulajdonságok elemzése terén, ám ezek még mindig csak az első lépései egy fontos tudományág megalapozásának.

Piszkés-tető (PSZI) és 10 vizsgált bánya, ahonnan rendszeresen regisztrál robbantásokat a Magyar Nemzeti Szeizmológiai Hálózat. A zölddel jelölt bányákból észlelhető infrahangjel Piszkés-tetőn, a fehérrel jelöltekből nem. A fehérrel jelölt bányák éppen az árnyékzóna jellemző térségébe esnek.
Piszkés-tető (PSZI) és 10 vizsgált bánya, ahonnan rendszeresen regisztrál robbantásokat a Magyar Nemzeti Szeizmológiai Hálózat. A zölddel jelölt bányákból észlelhető infrahangjel Piszkés-tetőn, a fehérrel jelöltekből nem. A fehérrel jelölt bányák éppen az árnyékzóna jellemző térségébe esnek.

Czanik Csenge

 

Irodalom


  1. www.ctbto.org
  2. Le Pichon A., Blanc E., Hauchecorne A. (Eds.), Infrasound Monitoring for Atmospheric Studies, Springer editions, 2009
  3. www.knmi.nl

A cikk a Természet Világa 2018. augusztusi (149. évf. 8. sz.) számában jelent meg.

Természet Világa