Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 2 – vyšlo 10. ledna, ročník 18 (2020)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Když se třese ionosféra

Rudolf Mentzl

Nikdo asi nepochybuje, jak důležitá je služba včasného varování před zemětřesením. V oblastech ohrožených vlnami tsunami poskytne včasné varování obyvatelstvu i desítky minut, než se ničivá vlna přižene, jinde jde třeba jen o sekundy. Jakkoli se to zdá málo, i během sekund lze s vhodným systémem minimalizovat škody. Když už ne jinak, alespoň automatickým otevřením garáží hasičských a záchranných vozů, dříve, než otřes poškodí zárubně vrat. Proto jsou seismometry v ohrožených oblastech propojovány do celosvětové sítě. Jedná se samozřejmě o nákladnou záležitost, kterou si nemůže dovolit každá země, nehledě na to, že v některých oblastech to není ani technicky možné. Otevírá se však cesta, jak otřesy včas detekovat i bez pevných instalací. O tom pojednává následující článek.

Tsunami na thajském pobřeží v roce 2004 by si s funkčním systémem včasného
varování nevyžádalo tolik obětí. Zdroj: David Rydevik.

Ionosféra – slabě ionizovaná oblast atmosféry Země, dělí se na vrstvy E (60÷90 km), D (90÷150 km), F (150÷800 km). Přes den se vrstva F dělí na F1 a F2. Ve výšce kolem 300 km je koncentrace částic řádově 10⁶ cm⁻³.

GPS – globální polohovací systém, navigace pomocí družic umístěných na oběžné dráze Země. Oficiální název je NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System). Systém je vyvíjen 30 let a v roce 2007 byla na oběžné dráze umístěna již čtvrtá generace polohovacích družic.

DEMETER – Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions, francouzská družice určená k měření ionosférických poruch v důsledku seismické a vulkanické aktivity. Startovala v roce 2004, v roce 2005 byla umístěna na kvaziheliosynchronní dráze ve výšce 550 km nad zemským povrchem, zanikla v roce 2010.

P vlny – primární seismické vlny, které se šíří vlastním tělesem planety. Jedná se o podélné vlny zhuštění a zředění v pevném nebo kapalném prostředí, někdy tento typ vln označujeme jako kompresní vlny. Písmeno P pochází z anglického slova Primary.

S vlny – sekundární seismické vlny, které se šíří vlastním tělesem planety. Jedná se o příčné vlny v pevném prostředí. Kapalným prostředím se nešíří. Látka v této vlně vybočuje kolmo na směr šíření, a vytváří tak charakteristické zvlnění. Písmeno S pochází z anglického slova Secondary.

Loveho vlny – seismické vlny, které se šíří v kůře planety po jejím povrchu. Jedná se o příčné vlnění. Jde o typické střižné vlny, které byly pojmenováno podle anglického matematika Augusta Edwarda Hougha Loveho.

Rayleighovy vlny – seismické vlny, které se šíří v kůře planety po jejím povrchu. Podobají se vlnění na vodě. Jedná se o složeninu příčného a podélného vlnění. Body vykonávají krouživé pohyby. Vlny byly pojmenovány podle anglického matematika a fyzika Johna Williama Strutta, třetího barona Rayleigho.

Jak se šíří otřesy

Otřesy země může způsobit leccos. K pokažení laboratorní práce studenta stačí tramvaj projíždějící pod okny fakulty, větší zemětřesení způsobí sesuv horniny, případně miliony tun magmatuMagma – přírodní tavenina vznikající v hlubokých částech kůry nebo pláště planet. Jedná se o směs roztavených minerálů, pevných krystalů a rozpuštěných sopečných plynů. Může mít různé chemické složení a teplotu v závislosti na zdroji, ze kterého vzniklo. Označení magma se používá tehdy, pokud je tavenina pod povrchem, jakmile dosáhne povrchu, využívá se termín láva. tlačícího se sopouchem ven z kráteru. Nejničivější zemětřesení má na svědomí kontinentální drift. Jednotlivé pevninské desky sunoucí se pomalu po vrstvě poloroztavené horniny se navzájem přetlačují a v místech kontaktu pak dochází k otřesům. Desky buď vytlačují jedna druhou do výšky, pak vznikají hory, jako třeba Himálaj, nebo jedna deska zatlačuje druhou pod sebe (subdukcesubdukce – zasouvání jedné litosférické desky pod druhou. Jde o jeden z projevů tektonické aktivity.). Ačkoli jde o rychlosti v řádu centimetrů za rok, setrvačnost horniny dokáže vyvolat obrovské napětí, které čas od času přemůže její soudržnost a náhle uvolněná energie spolehlivě rozechvěje ručky seismometrů i ve vzdálenosti stovek nebo tisíců kilometrů.

Seismické vlny se šíří buď po povrchu Země, nebo jejím objemem. Nejrychlejší jsou ty, které postupují tělesem Země, a to dvojím způsobem. Nejprve k seismometru dorazí tzv. P (primární) vlnyP vlny – primární seismické vlny, které se šíří vlastním tělesem planety. Jedná se o podélné vlny zhuštění a zředění v pevném nebo kapalném prostředí, někdy tento typ vln označujeme jako kompresní vlny. Písmeno P pochází z anglického slova Primary.. Jedná se o kompresní vlny podélně se šířící pevným i kapalným prostředím. Navzdory rychlosti nejsou příliš zničující, a proto je seismologové chápou jako signál blížícího se nebezpečí. Uvádí se, že tyto vlny jsou schopna vnímat i zvířata, což by vysvětlovalo občasná pozorování neklidu dobytka před zemětřesením.

Po primárních vlnách dorazí S (sekundární) vlnyS vlny – sekundární seismické vlny, které se šíří vlastním tělesem planety. Jedná se o příčné vlny v pevném prostředí. Kapalným prostředím se nešíří. Látka v této vlně vybočuje kolmo na směr šíření, a vytváří tak charakteristické zvlnění. Písmeno S pochází z anglického slova Secondary.. Šíří se také celým objemem, ale příčně na směr svého postupu. Jde o jakési vlnění materiálu ze strany na stranu. Na rozdíl od P vln nemohou procházet kapalným prostředím. Právě z jejich rozboru kdysi seismologové usoudili na tekutost vnějšího zemského jádra.

Objemové vlny

Seismické vlny, které napáchají nejvíce škod, se šíří zemskou kůrou po jejím povrchu. Jsou tím ničivější, čím mělčeji se zdroj zemětřesení nachází. Mohou se vlnit horizontálně, pak mluvíme o Loveho vlnáchLoveho vlny – seismické vlny, které se šíří v kůře planety po jejím povrchu. Jedná se o příčné vlnění. Jde o typické střižné vlny, které byly pojmenováno podle anglického matematika Augusta Edwarda Hougha Loveho. (podle britského matematika Augusta Edwarda Hougha Loveho). Jiný způsob vlnění předpověděl a matematicky zpracoval John William Strutt známý spíše jako lord Rayleigh. Ukázal, že seismické vlny mohou připomínat vlnění vody. To na první pohled vypadá jako vertikální vlnění, ale při pečlivějším pozorování se ukáže, že body pod úrovní terénu vykazují krouživý pohyb. Právě Rayleighova vlnaRayleighovy vlny – seismické vlny, které se šíří v kůře planety po jejím povrchu. Podobají se vlnění na vodě. Jedná se o složeninu příčného a podélného vlnění. Body vykonávají krouživé pohyby. Vlny byly pojmenovány podle anglického matematika a fyzika Johna Williama Strutta, třetího barona Rayleigho. je nejničivější, ale zároveň jako jediná z výše uvedených dokáže otisknout svou stopu i tam, kde bychom ji nehledali a kde ji dokážeme dobře změřit. Rayleighova vlna boří nejen domy, Rayleighova vlna otřese i ionosférou.

Povrchové vlny

Ionosféra

IonosféraIonosféra – slabě ionizovaná oblast atmosféry Země, dělí se na vrstvy E (60÷90 km), D (90÷150 km), F (150÷800 km). Přes den se vrstva F dělí na F1 a F2. Ve výšce kolem 300 km je koncentrace částic řádově 10⁶ cm⁻³. je nejsvrchnější obal zemské atmosféryAtmosféra – plynný obal vesmírného tělesa, který si těleso drží vlastní gravitací. Atmosféru mají především planety. Málo hmotné atomy z atmosféry relativně snadno unikají do meziplanetárního prostoru., který je z větší či menší části ionizován převážně ultrafialovýmUltrafialové záření – elektromagnetické záření s kratší vlnovou délkou, než má viditelné světlo, v rozsahu od 1 nm do 400 nm. Ultrafialové záření objevil v roce 1801 Johann Wilhelm Ritter. Značí se UV z anglického UltraViolet, rozděluje se na extrémní XUV (EUV) (1÷31 nm), daleké VUV (FUV) (10÷200 nm), hluboké DUV (pod 300 nm), krátkovlnné (pod 280 nm), středněvlnné UVB (280÷320 nm), dlouhovlnné UVA (320÷400 nm) a blízké NUV (200÷400 nm). slunečním zářením. Proto ve dne začíná již ve výšce 50 km nad povrchem ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. a v noci, kdy rekombinaceRekombinace – opětovný návrat elektronu do atomárního obalu, kde zaplní místo po dříve vytrženém elektronu. iontů převažuje nad jejich tvorbou, najdeme její spodní hranici až v devadesáti kilometrech. Přítomnost volných nosičů nábojeElektrický náboj – základní kvantový náboj elektromagnetické interakce. Elektrický náboj označujeme Q, jednotkou je coulomb (C). Nejmenším volným nábojem je náboj elektronu (1,6×10⁻¹⁹ C), jde o tzv. elementární náboj. má vliv na šíření elektromagnetických vln, což se dá s výhodou využít v radiokomunikaci, kdy ionosféra působí jako zrcadlo. Na druhou stranu tatáž vlastnost způsobuje zpožďování signálu, což se odráží na přesnosti určování polohy pomocí družic globálního navigačního systémuGPS – globální polohovací systém, navigace pomocí družic umístěných na oběžné dráze Země. Oficiální název je NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System). Systém je vyvíjen 30 let a v roce 2007 byla na oběžné dráze umístěna již čtvrtá generace polohovacích družic.. Proto se na sledování ionosféry vynakládají nemalé prostředky, a tudíž máme dobrý přehled o jejím aktuálním stavu.

Vlnění krajiny vlivem Rayleighovy vlny se zdá zanedbatelné. Zároveň je však třeba brát v úvahu značnou rozlehlost vlny. Zdvih nebo pokles krajiny o pouhý jeden milimetr se dokáže přenést až do ionosféry, kde vyvolá vlnu o amplitudě až 100 m. Průkopnické práce na tomto jevu souvisí s měřeními francouzské sondy DEMETERDEMETER – Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions, francouzská družice určená k měření ionosférických poruch v důsledku seismické a vulkanické aktivity. Startovala v roce 2004, v roce 2005 byla umístěna na kvaziheliosynchronní dráze ve výšce 550 km nad zemským povrchem, zanikla v roce 2010. (Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions). Sonda zanikla již v roce 2010, ale zajistit si dostatek aktuálních dat není problém ani dnes. Jak již bylo uvedeno, změny ionosféry se odrážejí na přesnosti satelitního navigačního systému. Pokud známe souřadnice měřicí stanice, lze z těchto fluktuací naopak odvodit stav ionosféry. Díky velkému počtu družic se tak ionosféra ocitá na tomografu sondujících paprsků, z jejichž zpoždění lze sestavit její slušný trojrozměrný obraz. Nezapomeňme, že satelitní navigační systém má dnes nejen Amerika, ale také Rusko, Čína a brzy ho bude mít i Evropa. Jen z těchto údajů dokážeme už dnes detekovat vlny v ionosféře až do výšky kolem 300 km.

Sledováním stavu ionosféry se u nás zabývá Ústav fyziky atmosféry. Na snímku jsou antény digisond v Průhonicích.

Sledování změn v ionosféře by se mohlo stát v rukou seismologů zajímavým nástrojem ve výzkumu zemětřesení. Přes veškeré výhody však trpí jedním principiálním nedostatkem. Ionosféra reaguje na otřesy s určitým zpožděním. Se všemi dalšími nutnými prodlevami dnes trvá cca 10 minut, než je pohyb země touto metodou lokalizován. Díky zvyšující se přesnosti snad dokážeme tuto dobu ještě zkrátit, nicméně jistá minimální prodleva tu vždy zůstane. Ionosférická měření tedy nebudou alternativou, nýbrž jen zajímavým doplňkem celého aparátu seismologických měření. Uplatní se především v místech s problematickou instalací seismografů, typicky v oceánech. Právě odsud však hrozí nebezpečí tsunami, což metodě přidává na zajímavosti.

Předpovíme zemětřesení?

V úvodu jsme naznačili, jak důležitá jsou včasná varování, někdy pomohou i sekundy. Jaké by to pak bylo, kdybychom o zemětřesení věděli ne sekundy, ale celé týdny dopředu! Zatím je to jen sen, stále unikající svatý grál seismologů. V minulosti se sice několik předpovědí naplnilo (vzpomeňme například nedávné zemětřesení v L'Aquile), zpětnou analýzou se však vždy prokázalo, že šlo spíše o brokovnicový efektBrokovnicový efekt – jev, při němž dojde k události, která se splnila na základě jedné z mnoha předpovědí. Vypovídací hodnota předpovědi je zanedbatelná, protože k ní nedošlo na základě solidní teorie, ale pouze se naplnila jedna z mnoha variant možného vývoje., než o opakovatelně použitelnou metodu. Relativně nové, a tedy ne ještě zcela prozkoumané, je hledání vztahů mezi seismickými otřesy a ionosférou. Některé zpětné analýzy ukazují na zajímavé koincidence, které možná nejsou tak náhodné, jak by se zdálo. Ověřeným faktem zůstává, že ve zkoumaných případech předcházela zemětřesením zvýšená koncentrace iontů v ionosféře.

Zemětřesením vyvolaným pohybem kontinentálních desek předchází zvýšené napětí mezi nimi. Hornina zemské kůry, to jsou především křemičitany, ve kterých zvyšující se tlak vyvolává piezoelektrickéPiezoelektrický jev – vznik napětí při deformaci určitých druhů krystalů. Piezoelektrický jev se využívá ke konstrukci různých snímačů vibrací. V domácnosti ho známe z piezoelektrického zapalovače plynu, ve kterém deformace krystalu způsobí přeskočení elektrické jiskry. napětí. Dalšími procesy pak dochází k uvolňování kladných iontů, které stoupají rychlostmi kolem 20 až 30 m·s⁻¹ do vrchních vrstev atmosféry a nakonec končí v ionosféře. Je tu samozřejmě spousta dalších komplikací, od problematického difundování iontů k povrchu až po obyčejné atmosférické proudění odnášející nosiče náboje daleko stranou od svého zdroje. Dnes ještě nedokážeme zodpovědně prohlásit, zda je zvýšená koncentrace iontů v ionosféře skutečně předzvěstí blížícího se zemětřesení, nebo zda jde jen o náhodu. Doufejme v kauzální provázanost obou jevů, ale i když se ji podaří potvrdit, bude ještě nějakou dobu trvat, než se úkaz podaří přetavit v použitelnou metodu.

Odkazy