Pohyby meriame na milimetre [Téma ]

 

HÝBE SA VÁŠ DOM? BUDETE TO VEDIEŤ PRESNE
S pomocou družíc dnes dokážeme zmerať, ako sa hýbe zemský povrch, ako ,,dýchajú" sopky, ako sadajú budovy či v akom stave sú mosty. Expert zo Slovenskej technickej univerzity Ing. JURAJ PAPČO (40) sa roky venuje výskumu týchto javov s pomocou tzv. radarovej interferometrie. Je Slovensko stabilné, alebo niekde ,,tečie"? Zosúva sa poddolovaná Banská Štiavnica? Rastú alebo klesajú Vysoké Tatry?

* S pomocou družíc viete sledovať presný pohyb zemského povrchu. Hýbu sa napríklad Vysoké Tatry? Áno, ale relatívne málo. Všetci by, samozrejme, chceli vedieť, či sa zdvíhajú alebo klesajú, a nás to tiež veľmi zaujíma, preto Tatry od 60. rokov minulého storočia začali monitorovať, založila sa špeciálna sieť bodov na ich sledovanie. Lenže vtedy nebola technológia ako v súčasnosti, spoľahlivosť meraní bola horšia. Nevedeli s istotou povedať, či sa zdvíhajú alebo klesajú.

* V súčasnosti viete?
Spoľahlivosť sa zlepšila, máme veľmi presné merania pomocou globálnych navigačných družicových systémov, alebo veľmi presné určovanie tiažového zrýchlenia. Ale stále zodpovedne nevieme povedať, či sa zdvíhajú alebo klesajú. Viacerí geológovia hovoria, že Tatry sú stále živé, aj vlani tam robili geologické merania.

* To sú však asi pohyby, ktoré nemáme šancu počas života zbadať...
Nezbadáme, pohyb je na úrovni jedného až dvoch milimetrov za rok. Vieme však s väčšou určitosťou povedať, aké sú horizontálne pohyby - Tatry sa posúvajú na sever, resp. severovýchod, ale to je takisto do jedného milimetra ročne.

* Keď my laici používame pomocou družíc GPS navigácie, ktoré máme stiahnuté v smartfónoch, je to presnosť v metroch. Vy to máte v milimetroch?
Bežne používané GPS navigácie, aké máte v smartfóne, majú presnosť plus-mínus 2 až 4 metre, podľa toho, aké je rozloženie družíc, či ste v zastavanej zóne, aký máte signál. My však používame špeciálne zariadenia, veľmi presné antény, prístroje za desiatky tisíc eur, s ktorými vieme sledovať pohyby na úrovni milimetrov.

* Zaujímavé sú napríklad sopky, ktoré akoby dýchali, ich povrch sa hýbe v pomerne veľkom rozsahu. To sa dá tiež sledovať?
Dá sa to merať technológiou, ktorá sa volá družicová radarová interferometria. Vie presne snímať veľkú plochu, jedna snímka môže pokrývať aj územie 100 krát 100 kilometrov, alebo aj väčšie. Družica zosníma konkrétne miesto a rovnaké miesto potom opakovane zosníma napríklad o týždeň neskôr. Tie dve snímky potom vieme porovnať, čiže vieme povedať, že sopka za týždeň ,,napuchla" napríklad o centimeter.

* Aké veľké pohyby sú pri sopkách?
Pred erupciou ten kopec napuchne aj o desiatky centimetrov. A keď sa magmatický krb vnútri sopky uvoľní alebo vyprázdni, kopec zasa spľasne.

* V Taliansku je aj archeologická oblasť Pozzuoli, kde je okolo niektorých dvetisíc rokov starých antických stĺpov voda, ale kedysi boli nad vodou. Povrch zeme tam pulzuje?
Pulzuje a táto lokalita poklesla. Geológovia majú metódy, ktorými dokážu monitorovať pohyby aj za relatívne dlhé obdobie, v podstate milióny rokov. Škandinávske krajiny sa zasa, naopak, zdvíhajú, je tam niečo ako postľadovcové vyrovnanie. Pred asi 18-tisíc rokmi tam bol pevninský ľadovec, ktorý výrazne zaťažoval pevninu. Po roztopení Škandinávia ako keby reagovala a stúpa približne o centimeter ročne.

* Ako je na tom Slovensko s pohybom? Je stabilné alebo sa hýbe?
Hýbe sa, je to aktívna krajina, celkový pohyb Slovenska je dva a pol centimetra za rok severovýchodným smerom, lenže podobne sa hýbe celá Európa. Nás však zaujíma skôr vnútro Slovenska, kde máme zóny, ktoré sa hýbu, aj keď nie až tak veľa ako v Turecku, Grécku alebo Taliansku, kde sú pohyby na úrovni centimetrov.

* Viete aj to, kde sa neoplatí stavať, lebo sa tam zem hýbe?
Niektoré časti máme dobre spracované, takže istým spôsobom vieme. Napríklad na hornej Nitre je oblasť okolo Vtáčnika, ktorá je veľmi náchylná na zosuvy

* Je to prirodzené, alebo vinou baníctva v okolí Handlovej a Prievidze?
Prirodzené. Je, samozrejme, aj banícka časť, najmä okolo obce Koš. Lenže potom je napríklad obec Hradec, kde vidno prirodzený veľký pohyb na úrovni niekoľkých centimetrov za rok. Je to na svahoch Vtáčnika, ktoré ako keby ,,tiekli" dole.

* Prečo?
Pod povrchom sú plastické neogénne sedimenty, aj vo forme ílovitých vrstiev, po ktorých tie nadložné vrstvy ako keby ,,tečú".

* Deje sa tam niečo aj s domami?
Samozrejme, mnohé majú popraskané steny, je množstvo domov, ktoré museli sanovať. To je však problém aj pre infraštruktúru, majú popraskané chodníky, cesty, múriky. Keď sme spracúvali údaje, ukázala sa veľmi zaujímavá vec, že jedna časť dediny je relatívne stabilná, kým časť je v pohybe. Podobné je to v neďalekej Veľkej Lehôtke. Tam sme zatiaľ zistili najväčší pohyb v rámci lokalít, ktoré sme doteraz merali. Je to 2 až 3 centimetre za rok.

* Čiže za 10 rokov sa posunie časť dediny aj o 30 centimetrov? To už musí byť vážny zásah do infraštruktúry, to musí trhať napríklad vodovodné rúry.
Áno, budú to musieť sanovať.

* Je takých oblastí viac?
Určite, ale zatiaľ máme najlepšie zmonitorovanú práve túto. Teraz sa nám podarilo v spolupráci s mladou startup firmou insar. sk získať projekt Európskej vesmírnej agentúry na podobné monitorovanie, naša vízia je vybrať v prvom kole oblasti Slovenska, otestovať a publikovať. Niečo ako prvý krok do budúceho výstražného systému. Chceli by sme celoslovenské spracovanie, čo je však veľmi náročné na výpočtový výkon aj na kapacitu. Každých šesť dní máme zosnímané celé Slovensko, čo je obrovské množstvo dát, ktoré treba spracovať. Len hrubé zbalené dáta, s ktorými sme ešte nič neurobili, majú okolo 20 terabajtov. Na spracovanie treba množstvo ľudí alebo veľmi veľký výpočtový výkon.

* V zahraničí to ako spracúvajú?
V tom sú veľmi popredu v Nórsku, Taliansku, Holandsku, Dánsku, Nemecku. Nóri postavili len pre tieto projekty obrovský klaster počítačov s ohromným výkonom a v pravidelnom režime spracúvajú snímky, vedia povedať, ako sa hýbe prakticky každé miesto v krajine. Je to výzva aj pre nás, presne na takej úrovni by sme to chceli robiť.

* Vy si viete pozrieť napríklad váš dom?
Viem, pozrel som si ho, lebo bol postavený na niekdajšom močiari. Pohyb je len okolo 1,5 milimetra za rok, čo je v poriadku. Keby bol pohyb okolo 3 alebo 5 milimetrov, môže to byť prvý signál, že treba sledovať aj okolité stavby, či sa takisto hýbu, alebo je v pohybe iba ten jeden dom.

* Problémy sú s veľkými stavbami, vraj sa hýbala aj budova Národnej banky Slovenska. Je to pravda?
Máme ju zmeranú a je veľmi stabilná, pohyby sú minimálne. Na budove Národnej banky máme množstvo monitorovacích bodov, ktoré sledujeme. Samozrejme, že keď je veľmi silný vietor, tak je ako pri každej výškovej budove mierny výkyv, ale naše merania ukazujú pohyb do jedného milimetra.

* V Bratislave je budova bývalého bizniscentra Apollo, ktorá mala problémy. Odborníka, ktorý počítal statiku budovy, aj súdili, centrum museli vysťahovať. Prejavilo sa to aj zvonku, zmerali ste nejaký pohyb budovy?
Kolega bizniscentrum Apollo analyzoval a problémy sa prejavili aj navonok. Z analýzy vidieť, že do roku 2014 bola budova relatívne stabilná, pohyb bol prakticky až na sezónne vlnky okolo nuly. Ale po roku 2014 už nebol charakter taký ustálený, budova začala klesať, vidíme pokles o centimeter.

* Vy viete predvídať, ktorá budova môže spadnúť - podľa pohybu?
Musela by byť dostatočne veľká, aby sme mali z družice dobrý odraz, ale v princípe áno.

* Dobre máte zmonitorované okolie Bratislavy. Čo z nej sa viac hýbe?
Napríklad v okolí Devínskej cesty alebo v okolí železničnej trate na hlavnú stanicu sa ukázal pohyb povrchu. Ale všetko sa snažíme konzultovať s geológmi, či ide o miesto, kde sa potenciálne môže povrch hýbať. Chceme do budúcnosti vypracovať algoritmus, ktorý by vedel identifikovať miesta, ktoré sú problémové.

* Čo mosty?
Máme pekne zmeraný most vo Váhovciach. Keď idete z Trnavy do Nitry po rýchlostnej ceste R2, prechádzate ponad široký Váh cez dlhý most. Pohyb mosta má sezónny charakter, medzi letom a zimou je rozdiel okolo 20 milimetrov, čiže desať milimetrov hore, desať dole. Keď si pozriem krivku meraní, tak v zime ide dole, v lete hore, pravidelne sa to strieda. Z hľadiska dlhodobého sledovania pohybu je to však stabilný most.

* Ponad Dunaj sú mosty v poriadku?
Súčasné bratislavské mosty majú takisto mierny sezónny charakter, inak sú stabilné.

* Ako sa také niečo dá merať z vesmíru? Z družice, ktorá je stovky kilometrov od Zeme, viete merať na milimetre presne?
Áno, vieme. Najintenzívnejšie sa v súčasnosti na takéto celoplošné sledovanie využíva radarová interferometria (anglická skratka InSAR). My v súčasnosti najčastejšie berieme údaje z družíc Sentinel-1, sú to dve družice umiestnené presne na opačných póloch obežnej dráhy, ktoré obiehajú okolo Zeme vo výške približne 700 kilometrov nad povrchom. Majú blízkopolárnu dráhu, čiže lietajú veľmi blízko pólov v smere sever - juh. Jedno obletenie Zeme im trvá približne 100 minút a vedia nasnímať za krátky čas veľké územia. Nie je to však obraz, na aký sme zvyknutí pri pozeraní máp na internete cez Google Earth, obrazy z ,,insarovských" radarových družíc majú v sebe informácie, ktorým hovoríme fáza, fázové meranie.

* Čo to je?
Družica vyšle signál na zemský povrch, ktorý sa odráža od budov, porastov a všetkého, čo na Zemi je, a vráti sa naspäť do družice. Prijatý signál rozdeľujeme na dve zložky -na intenzitu prijatého signálu a jeho fázu. Pomocou fázového merania vieme nepriamo určiť presnú vzdialenosť medzi Zemou a družicou. Takže keď máme dve snímky z rôzneho obdobia, dáme ich dokopy a vieme prepočítať, čo sa o koľko posunulo.

* Vy si môžete pozrieť informácie, kedy chcete, môžete sledovať aj denný pohyb?
Z dvoch družíc Sentinel-1 máme kompletne celé územie Slovenska zosnímané každých šesť dní a samotné snímky si môže stiahnuť ktokoľvek zadarmo. Keby sme potrebovali snímky každý deň, mohli by sme si ich zaplatiť z iných komerčných družíc.

* Zemeguľa je dnes taká monitorovaná, že vedci vedia o akomkoľvek milimetrovom pohybe na Zemi?
Nie, technológia má limity. Ak je niekde hustý prales, tak nie všetky typy signálu vedia cez koruny stromov prejsť na zemský povrch. Ale ak sú dostatočne veľké budovy a majú dobrú odrazivosť, monitorovať to vieme. Teoreticky by ľudstvo vedelo monitorovať pohyby na celej Zemi, len to má určité obmedzenia, lebo ide o obrovské množstvá dát, ktoré treba spracúvať. Nie všetky oblasti sveta sú z hľadiska sledovania pohybov zaujímavé, tak je otázka, či mrhať energiu a peniaze na miesta, ktoré nepotrebujeme vidieť. Na Slovensku sa táto metóda používa od roku 2011. Nie je veľa tých, čo sa jej venujú, ale snažíme sa získavať projekty, aby sme to ,,insarovské" bohatstvo, ktoré sa vo svete využíva, doniesli aj k nám a využili ho pre ľudí.

* Ako ľuďom napadlo využívať takéto systémy práve na meranie presných údajov o Zemi?
Prvýkrát sa podobné systémy použili v pozemných radaroch v časoch druhej svetovej vojny, sledovali nimi lode. Civilné využitie je od roku 1978 cez družicu Seasat, ktorá prvá snímkovala takýmto ,,radarovým" spôsobom a slúžila hlavne na monitorovanie oceánov, ľadovcov, záplav. Vtedy sa v Taliansku začali veľmi intenzívne zaoberať myšlienkou využiť takéto družice aj na určovanie deformácií zemského povrchu.

* Koľko družíc, ktoré sa dnes na to dajú využiť, lieta okolo Zeme?
V súčasnosti je sedem aktívnych, z ktorých sa dajú objednať alebo stiahnuť dáta, dve sú aj voľne dostupné. Sentinel-1 má dve družice, dvojičky, a pri nich sa udáva informácia, že raz za 12 dní sa dá získať snímka územia. Keďže sú dve oproti sebe, je to každých šesť dní. Keby sme si zaplatili napríklad družicu Cosmo SkyMed, môžu byť údaje aj každý deň. Záleží na tom, na aký účel, koľko je peňazí, aké sú projekty.

* Ak sa cez družice dajú sledovať aj budovy, dá sa povedať, či sa stále hýbe slávna šikmá veža v Pise?
Podľa výsledkov talianskych kolegov sa zdá, že šikmá veža v Pise je v súčasnosti stabilná.

* V Nižnej Myšli neďaleko Košíc bol v roku 2010 veľký zosuv pôdy, domy boli zničené, takisto mnohé cesty. V akom stave je obec dnes?
V podstate sa stabilizovala. Nejaký pohyb je, ide o pár milimetrov ročne, ale nie je taký veľký ako na hornej Nitre.

* Ako sa dá také niečo sanovať, zastaviť pohyb?
V Handlovej bol v roku 1960 katastrofický zosuv pôdy, keď prišlo o domy tisíc ľudí. Urobili obrovský stabilizačný násyp a svah sa zastavil.

* Banská Štiavnica je typické poddolované územie. Je stabilné?
Veľmi stabilné, banská činnosť sa tam takýmto spôsobom vôbec neprejavila. Mierny náznak zosuvu je len vo Svätom Antone.

* Na Záhorí sú podzemné zásobníky plynu, keď ich plnia, zrejme sa tiež zem dvíha. Dá sa to sledovať?
Skúšali sme niečo počítať, ale tam je problém, že oblasť zásobníkov je pod poľnohospodárskou pôdou. A keď niekde narastie tráva, kukurica alebo iné plodiny, signál sa rozruší alebo sa odrazí nie od povrchu Zeme, ale od plodiny. Keby sme mali dostupné merania s väčšou vlnovou dĺžkou, dalo by sa územie sledovať. Slovensko má aj veľa stromov, veľa zelene, veľa vody, čo vplýva na odrazy. Keby sme boli napríklad v suchšom Španielsku, meralo by sa omnoho jednoduchšie. Preto vieme Slovensko najlepšie monitorovať prostredníctvom veľkých budov, ktoré majú odrazové plochy - hrany, kúty.

* V Gabčíkove je veľká priehrada, na ktorú tlačia obrovské objemy vody z Dunaja. Je stabilná?
Z vodného diela Gabčíkovo máme pekne spracovanú časť v Čunove. Sledujeme ho od roku 2011 a ide o stabilné vodné dielo, až na pár miest na polostrove, ktoré sa pohli o pár milimetrov za rok. Vodohospodárska výstavba tam robí pravidelné merania veľmi presnou niveláciou na úrovni pod jeden milimeter. My sme si vybrali viacero bodov a porovnali naše meranie s ich. Ukázalo sa, že presnosť našich meraní je veľmi podobná.

* Aké sa pomocou družíc namerali naozaj veľké posuny zemského povrchu, ak nerátame zosuvy?
Napríklad v Turecku v oblasti Izmit namerali po zemetrasení deformácie aj do jedného metra. V Mexiku sa hýbe jedna veľká aglomerácia v rámci mesta Mexiko City. Sledovaním cez družice vidno pohyb za jeden mesiac 2,5 centimetra, čiže keby to tak išlo každý mesiac, za rok klesne o 30 centimetrov smerom nadol. Je to husto obývaná oblasť a sú situácie, že jedna ulica klesá, ale druhá nie.

* Ako to riešia?
Zatiaľ napríklad tak, že pribudujú schod navyše.

* To naozaj?
Áno, aby mohli vojsť do domu. Sú časti, kde ulica klesla, ale dom nie, tak museli pribudovať schod. Alebo jedna časť ulice klesá a druhá nie. Vďaka technológiám sa dá vyčítať, či pokles má zrýchľujúcu alebo spomaľujúcu tendenciu. Ak sa pohyb začne výrazne zrýchľovať, dá sa upozorňovať - pozor, treba urobiť to a to.

* Dá sa tým aj prechádzať katastrofám, napríklad odhadnúť, kedy vybuchne sopka?
To už je realita, výbuch už odhadli. Naposledy vybuchla sopka v Indonézii a integrovaný výstražný systém ľudí predtým varoval. Evakuovali ich a sopka naozaj buchla. Takým systémom sa dá monitorovať, čo sa so Zemou deje, len záleží, aké má ktorá krajina prostriedky na tom, akú počítačovú techniku, koľko má na to odborníkov.
Richard Filipko
----
,,Pred erupciou sopka napuchne aj o desiatky cm."
----
,,Chceli by sme celoslovenské spracovanie."
----
,,Slovensko je zosnímané každých šesť dní."
----
,,Chceme využiť insarovské bohatstvo."
----
,,Ulica klesla tak, že museli pribudovať schod."
----
Ing. JURAJ PAPČO, PhD. (40)
Na Slovenskej technickej univerzite vyštudoval odbor geodézia a kartografia. Od roku 2004 je výskumný pracovník na Katedre geodetických základov STU Bratislava, venuje sa sledovaniu deformácií zemského povrchu pomocou družicových systémov.
----
FOTO:
Foto: Pavol Funtál
Šikmá veža v Pise sa hýbala v minulosti, teraz Taliani aj vďaka družicovým meraniam zistili, že je pomerne stabilná.
Červené body na obrázku vľavo ukazujú miesta v obci Hradec a Veľká Lehôtka, ktoré sa hýbu aj o tri centimetre ročne. Obrázok vpravo ukazuje, čo to robí s domami.
Foto: Pavol Funtál, archív Juraja Papča, TASR
Dobre rozpracované okolie Národnej banky SR (najvyššia budova) a Slovenského rozhlasu. Pekne vidieť, že oblasť je veľmi stabilná, pohyby sú minimálne.
Banská Štiavnica je síce poddolovaná, ale na povrchu sa to vôbec neprejavilo, nehýbe sa.
Foto: Pavol Funtál, archív Juraja Papča, TASR
Každý by chcel vedieť, či Vysoké Tatry rastú. Mierne áno, ale je to len v milimetroch ročne.
Na grafe vidieť, že most vo Váhovciach má presné sezónne výkyvy, inak je stabilný.
Meraniami sa dá zistiť aj či sopka je pred výbuchom, keďže vtedy sa kopec ,,nafúkne".
Foto: TASR

[Téma 13/04/2018]
Autor: Richard Filipko