– Badania prowadzone są w bardzo szerokim obszarze:
od tradycyjnej geofizyki przez geofizykę planetarną po geofizykę dna morza, analizę propagacji słabych fal sejsmicznych, czyli bardzo małych drgań pochodzących
z bardzo odległych źródeł – wylicza prof. Zbigniew Zembaty, który współpracuje z naukowcami w ramach wybitnej, międzynarodowej grupy IWGoRS.

Anna Kułynycz: Panie Profesorze, niedawno brał Pan udział w prestiżowej konferencji w Paryżu dotyczącej rotacji sejsmologicznych. Jaki jest związek grupy roboczej IWGoRS która zorganizowała tą konferencję z problemami, jakie miał projekt LIGO 10-15 lat temu? Wówczas jeszcze lekceważono rotacyjne efekty sejsmologiczne?

Prof. dr hab. inż. Zbigniew Zembaty, dziekan Wydziału Budownictwa i Architektury Politechniki Opolskiej:
Najpierw rozszyfrujmy skrót: IWGoRS – International Working Group on Rotational to International Working Group on Rotational Seismology.
Ale zacznę od początku, gdy jeszcze w latach 90-tych wyjechałem na stypendium do Mediolanu, do prof. Alberta Castellaniego, który zaproponował mi współpracę w temacie efektów rotacyjnych w inżynierii sejsmicznej. Nasze wspólne badania przyniosły kilka artykułów naukowych a współpraca przedłużyła się także na okres po powrocie do Polski.
Tu należy się wyjaśnienie, o co chodzi z tymi rotacjami sejsmicznymi. Otóż powierzchnia gruntu w ustalonym punkcie oprócz znanych ruchów translacyjnych: dwóch w poziomie i jednego w pionie wykonuje także obroty wokół każdego z tych trzech kierunków. Większość sejsmologów jednak lekceważyła obroty powierzchni Ziemi uważając, że generują one bardzo małe efekty i są do niczego nieprzydatne. Nagle – to był 2007 rok – dowiedziałem się, że w USA, w Menlo Park w Kalifoni organizowane jest przez Amerykańskie Służby Geologiczne (USGS), na koszt organizatorów specjalne seminarium, na które wysłano zaproszenia do różnych krajów, do osób, które zajmowały się tematyką rotacji sejsmicznej. Z Polski zaproszono dwie osoby: prof. Romana Teisseyre z Instytutu Geofizyki PAN i mnie.
Przez dwa dni kilkudziesięciu specjalistów z całego świata obradowało nad różnymi problemami, jakie rozważanie sejsmicznych efektów rotacyjnych może wnosić do sejsmologii oraz inżynierii sejsmicznej. W ostatnim, trzecim dniu niektórych uczestników zaproszono na Uniwersytet Stanforda, gdzie profesorowie Brian Lantz i Riccardo DeSalvo (CalTech) przedstawili techniczną stronę projektu LIGO. Jak wiadomo, wielkie instalacje LIGO znajdujące się północno zachodniej i południowo-wschodniej części USA są w istocie, swego rodzaju, gigantycznymi sejsmometrami o niespotykanej dokładności. Projekt LIGO przeżywał wtedy znaczący kryzys związany z opóźnianiem się wyników detekcji fal grawitacyjnych. Podczas wielogodzinnego spotkania stwierdzono, że opóźniająca się detekcja pierwszych fal grawitacyjnych budzi głębokie zaniepokojenie zespołów uczestniczących w projekcie LIGO. „Jesteśmy bliscy pisania prac, że tych fal grawitacyjnych nie da się jednak zmierzyć” – powiedział w pewnej chwili Brian Lantz. Okazało się, że główne źródło kryzysu projektu LIGO pochodziło z  nieuwzględniania efektów rotacyjnych. Seminarium z września 2007 i burzliwa dyskusja, jaka się tam odbyła, pomogła przeprojektować początkowy projekt LIGO (tzw. initial LIGO) w taki sposób, że dokładność poprawionej aparatury „advanced LIGO” wzrosła 10-krotnie. W usprawnionej aparaturze uwzględniono m.in. efekty rotacyjne. W ten sposób tematyka ta została doceniona a w roku 2009, w prestiżowym, amerykańskim czasopiśmie BSSA („Bulletin of the Seismological Society of America”) ukazało się pierwsze specjalne wydanie poświęcone tematyce „rotacyjnej”. Po ośmiu latach od Seminarium w Menlo Park, a w niecały miesiąc od uruchomienia, „advanced LIGO” dokonało słynnego pomiaru efektów zderzenia dwóch, rotujących czarnych dziur, potwierdzając istnienie fal grawitacyjnych. Obecnie projekt LIGO trwa, dochodzą do tego inne projekty badawcze, takie jak np. europejski projekt Virgo. Na podobne badania zdecydowały się również Indie i Chiny.
Co ciekawe, gdy w 1916 roku Albert Einstein przewidział istnienie fal grawitacyjnych, to uznał, że choć istnieją, to jednak ze względu na znikomość wywoływanych przez nie oddziaływań, nikomu nigdy nie uda się ich zmierzyć. Dokładnie sto lat później ukazał się w „Physical Review Letters” słynny już artykuł autorstwa ponad 1300 współautorów, w którym przekazano rezultaty pierwszych pomiarów fal grawitacyjnych. Droga do nagrody Nobla została otwarta. W 1915 roku wyniki badań raportował jeden autor, Albert Einstein. Potwierdzenie, że jego sceptycyzm odnośnie pomiarów fal grawitacyjnych był nieuzasadniony wymagało upływu 100 lat i wysiłków wielu badaczy.

Czym zajmują się naukowcy, którzy w ramach międzynarodowej grupy spotykają się na konferencji co trzy lata?

Do tej pory 99% sprzętu mierzącego wpływy sejsmiczne na całej kuli ziemskiej to są tradycyjne sejsmometry mierzące trzy, tzw. translacyjne składowe drgań: pionowy i dwa poziome. To, czym zajmuje się grupa IWGoRS, która spotyka się co trzy lata w różnych miejscach świata, to dodawanie do efektów translacyjnych także pomiarów efektów rotacyjnych, czyli pomiary obrotów wokół trzech, translacyjnych osi. Badania prowadzone są w bardzo szerokim obszarze: od tradycyjnej geofizyki przez geofizykę planetarną po geofizykę dna morza, analizę propagacji słabych fal sejsmicznych (tzw. telesejsmicznych), czyli bardzo małych drgań pochodzących z bardzo odległych źródeł. Jeżeli gdzieś na kuli ziemskiej wydarzy się wstrząs, to obserwując fale dochodzące po przeciwnej stronie globu możemy wykorzystać to m.in. do analizy struktury wnętrza Ziemi. Jeżeli trzęsienie ziemi było bardzo silne, można nawet wykryć minimalne wahania w okresie obrotu kuli ziemskiej. Dodanie składowych rotacyjnych, czyli dodatkowych trzech źródeł informacji, pozwoliło doprecyzować badanie także samego wnętrza Ziemi.
Natomiast ja zajmuję się inżynierią sejsmiczną, w której ta składowa rotacyjna jest ciągnie niedoceniana, choć może prowadzić do potencjalnie poważnych skutków, a jednak ciągle nie jest uwzględniania w projektowaniu budowli – wiedza o niej ciągle jest bardzo ograniczona. W Polsce tematyką pomiaru sejsmicznych rotacji, a zarazem konstruktorem bardzo czułych przyrządów jest prof. Leszek Jaroszewicz z Wojskowej Akademii Technicznej, który też aktywnie uczestniczy w naszych cyklicznych konferencjach. W tym obszarze dr inż. Piotr Bońkowski z naszego wydziału napisał rozprawę doktorską, teraz z kolei zajmuje się zastosowaniem pomiaru obrotów w kolejnym ciekawym obszarze badawczym, to tzw. detekcja uszkodzeń konstrukcji, w szczególności trudnych w badaniach konstrukcji żelbetowych stosowanych w inżynierii lądowej. Jest to obszar jego przyszłej habilitacji, prowadzi badania w hali laboratoryjnej naszego wydziału, o czym opowiadał podczas paryskiej konferencji. Warto w tym miejscu dodać, że za sukces osiągnięć ośrodka opolskiego a także zespołu profesora Jaroszewicza można uznać fakt, że następna edycja tej konferencji odbędzie się w Polsce, w Opolu.

Podczas konferencji grupy roboczej IWGoRS porusza się m.in. wątek rotacji sejsmicznych, które mogą mieć wpływ na projektowanie budynków. Na myśl przychodzą ważne, strategiczne budynki jak elektrownie. Przy jakich inwestycjach prowadzone są takie badania?

Efekty rotacyjne mogą być znaczące dla bardzo wysokich budowli (np. 828-metrowy, słynny Burdż Chalifa w Dubaju), jak i dla przyszłych, planowanych budynków sięgających do wysokości ponad 1 kilometra. Projektowanie takich budowli stwarza szczególne wymagania i potrzeby badawcze jak np. specyficzne problemy wpływu wiatru i sejsmiki. Budowle elektrowni jądrowych generują trochę inne wyzwania, choć i tam występują obroty związane z tzw. interakcją „masywna budowla – podłoże”. W Polsce ekstremalnych wyzwań efektów środowiskowych jest mniej, jednak inżynieria lądowa stale się rozwija. Jeśli chodzi o elektrownie atomowe, to dla inżynierii lądowej jest tam jeszcze inne, specyficzne wyzwanie. Aby projektować racjonalnie, niezbędne jest stosowanie podejścia dotyczącego badania występowania rzadkich zjawisk ekstremalnych. O ile my projektujemy budowle odporne na zjawiska, które pojawiają się raz na 500 lat, o tyle elektrownie jądrowe projektuje się na zjawiska, które mogą wystąpić raz na 10 tysięcy lat. Pytanie, co może się wydarzyć w ciągu 10 tysięcy lat? Z pomocą przychodzą geofizycy i geochemicy, paleosejsmologia itp.
Środkowa Europa nie jest obszarem częstych zjawisk sejsmicznych, jednak w okresie 10 000 lat mogły one wystąpić, choć nasza wiedza o nich jest niewielka. A w ciągu 10 tysięcy lat naprawdę wiele może się zdarzyć. Projektując takie inwestycje jak elektrownie jądrowe, wielkie tamy, trzeba uwzględnić zjawiska bardzo ekstremalne, ponieważ koszty ewentualnej katastrofy byłyby zbyt duże. Finowie np. przyjęli dla swoich elektrowni jądrowych podwyższony okres powrotu zjawisk ekstremalnych: raz na 100 tysięcy lat, czyli mówimy o czasie przed pojawieniem się cywilizacji ludzkiej.

Jak wyglądają takie badania?

Poprzez obserwację, wiercenia geologiczne stwierdzamy np. czy dany teren mógł kiedyś być zalany, czy uszkodzeniu uległy niektóre nietypowe formacje geologiczne jak np. stalagmity w jaskiniach itp. Oczywiście, ta wiedza jest bardzo niedokładna. Jednak staramy się zapewnić jak największy zapas bezpieczeństwa. Jeżeli, zgodnie ze współczesnymi normami projektujemy budynki na 50 lat użytkowania to oznacza to, że typowe zjawiska, których chcemy unikać mają swój okres powrotu około 500 lat.
Przykładem jest nasza powódź, uważa się, że pojawiła się ona z okresem tysiącletnim, co oznacza, że czasem może się pojawić coś spoza zakresu, na który podjęto projektowanie. Nic dziwnego zatem, że jeżeli pojawiło się zjawisko tysiącletnie, to elektrownię atomową lepiej zaprojektować na okres powrotu 10 tysięcy lat lub jeszcze dłużej.

Za trzy lata prestiżowa konferencja o której mówimy, odbędzie się na Politechnice Opolskiej. Pan działa w międzynarodowym zespole i jest Pan w gronie 2% najbardziej wpływowych naukowców na świecie. Tymczasem doczytałam, że nie chciał Pan być inżynierem. Ale chyba teraz Pan nie żałuje?

Nie. Życie jest skomplikowane i nigdy nie wiadomo do końca jak się potoczy. Jako14-latek chciałem być astronomem. Wbrew pozorom nie było to w czasach PRL takie tanie dla mojej rodziny, która odradzała mi wtedy studiowanie we Wrocławiu. W końcu tak się złożyło, że moją wyobraźnię dziecięcą zainteresowało zastosowanie pierwszych, wielkich komputerów. Wtedy stały w dużych pomieszczeniach, chociaż były mniej wydajne niż dzisiejszy smartfon. Z tego obszaru napisałem dyplom, który spowodował, że zainteresowali się mną wykładowcy: ówczesny docent Jan Kubik i docent Tadeusz Chmielewski i tak krok po kroku związałem się z naszą uczelnią oraz z inżynierią lądową. W pewnym momencie jednak, ku mojemu zdziwieniu, odkryłem, że inżynieria lądowa może być tak szeroka, że są w niej obszary bardzo bliskie geofizyce, która z kolei zahacza o także o astronomię.