Prof. Zbigniew Zembaty miał okazję uczestniczyć w 2007 roku w burzy mózgów z udziałem naukowców z LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), która doprowadziła do przeprojektowania ,,systemu nasłuchującego kosmos” i pomogła potwierdzić istnienie fal grawitacyjnych. Przełom, który nastąpił po 10 latach od rozpoczęcia badań i zaowocował przyznaną w 2017 roku najważniejszą nagrodą świata (laureaci to Rainer Weiss, Barry C. Barish i Kip S. Thorne) nie byłby możliwy, gdyby nie praca sejsmologów i inżynierów, która uratowała czteromiliardowy projekt LIGO przed grożącą mu klęską!
O jej przedmiocie – a więc o sejsmicznych rotacjach, których prof. Zembaty był jednym z pierwszych badaczy na świecie – ale też owym sensacyjnym wątku ,,noblowym”, nasz profesor opowiedział w połowie października 2016 w Polskiej Akademii Nauk, podczas posiedzenia Sekcji Metod Obliczeniowych i Optymalizacji Komitetu Mechaniki PAN.
,,O falach stochastycznych, rotacjach sejsmicznych i falach grawitacyjnych”
Od dawien dawna obserwowano ruchy gruntu na powierzchni ziemi wywołane propagacją fal sejsmicznych lub innych, spowodowanych działalnością ludzką, jak drgania pochodzące od eksploatacji kopalń, lub – współcześnie – podziemnych prób jądrowych. Podczas tych obserwacji zauważano pewne dziwne zjawiska występujące po trzęsieniach ziemi, mianowicie – przesunięcia niektórych obelisków wokół własnej osi, co wskazywało, że oprócz prostego ruchu translacyjnego pojawiają się jakieś niespodziewane ruchy obrotowe.
Widzimy to na pięknych rycinach z XVIII i XIX wieku – zjawisko obserwowano jeszcze przed epoką fotograficzną!
Rys. 1., 2. Ryciny przedstawiające obroty obiektów po trzęsieniach ziemi
Ruchów tych nie traktowano jednak tak poważnie, bo obiekty nie obracały się na tyle, aby ulec przewróceniu i zniszczeniu, a inżynieria sejsmiczna – nauka, która mierzy się z problemami skutków trzęsień ziemi, więc i potencjalnie groźnymi, choć nieznacznymi obrotami – była wówczas w powijakach.
Na początku XX wieku powstał sejsmograf, którym można było mierzyć translacje, czyli dwa poziome i jeden pionowy ruch ziemi, zapis przemieszczeń, prędkości i przyspieszeń danego punktu. Pojawiło się jednak pytanie, co z trzema dodatkowymi obrotami wokół tych osi, skąd pochodzą i jaką mogą wnosić informację.
Rys. 3. Rotacyjny sejsmometr prof. Romana Teisseyre (Teisseyre i inni lata 70 XX wieku)
Próbę wyjaśnienia, jako jeden z pierwszych podjął w latach 70. prof. Roman Teisseyre, obecnie blisko 90-letni już nestor polskiej geofizyki, który postulował istnienie fal rotacyjnych. Swoją teorię wysnuł wbrew wielkiemu autorytetowi światowemu Charlesowi Richterowi, autorowi m.in. znanego pojęcia magnitudy, który to zlekceważył postulat Polaka. Profesor Teisseyre upierał się jednak przy falach, choć w tamtych czasach nie dysponowano odpowiednimi narzędziami do ich zmierzenia i teorię można było próbować udowodnić jedynie równaniami matematycznymi które bez potwierdzeń pomiarowych pozostają w geofizyce jedynie spekulacjami.
Od dawien dawna obserwowano ruchy gruntu na powierzchni ziemi wywołane propagacją fal sejsmicznych lub innych, spowodowanych działalnością ludzką, jak drgania pochodzące od eksploatacji kopalń, lub – współcześnie – podziemnych prób jądrowych.
Publikacje o sejsmicznych rotacjach były odrzucane, ale teorie wskazujące na istotną rolę sejsmicznych rotacji zdobywały coraz więcej zwolenników – w tym mnie. Pamiętam, że w roku 1988 pojechałem do Mediolanu, gdzie zainteresował mnie nią prof. Alberto Castellani.
Przy braku zapisów z odpowiednich czujników prowadziliśmy badania teoretyczne i komputerowe symulacje odbić i interferencji fal w gruncie, czyli wywoływanie ruchu obrotowego przez fale dochodzące do powierzchni gruntu i odbijające się pod pewnym kątem. Nie wchodząc w szczegóły – na powierzchni gruntu obserwujemy fale wgłębne, fale Rayleigh’a, fale powierzchniowe, które często wywołują nawet większe efekty, oraz fale Love’a i fale materialne typu SH.
Zastanawialiśmy się, jaki będzie dodatkowy efekt tych obrotów gruntu np. na poziomy wymuszenia drgań, albo co zrobi smukła budowla wieżowa, jeśli zada się u jej podstawy nawet drobne obroty wzbudzające jej drgania. Dla trzystumetrowego obiektu taki obrót będzie miał znaczenie i przełoży się na, być może, metrowy ruch wierzchołka!
Jest to więc zjawisko, którego nie należy pomijać.
Ponieważ jednak brak było wiarygodnych pomiarów postawiliśmy sobie za zadanie wyprowadzenie algorytmów otrzymywania rotacji na podstawie innych danych. W Warszawie prezentowałem dość złożone wzory i modele stochastyczne, które umożliwiają przewidywanie rotacji na podstawie istniejącej wiedzy o propagacjach fal w podłożu gruntowym. Było tego dużo, ale tam lubią sobie podyskutować o matematycznej stronie badań.
Nasze rozwiązania opublikowaliśmy w latach 90., a także współcześnie.
Kolejną kwestią jest wpływ obrotów podłoża na translacyjne zapisy wstrząsów. Podobnie jak my próbowaliśmy te obroty wyciągać z teorii, tak pojawiły się badania, w których próbowano stwierdzić, czy przyrząd mierzący drgania w trakcie pomiaru był obracany. Okazało się, że obracanie takiego zwykłego, translacyjnego czujnika wprowadza zakłócenia i nawet jeśli ktoś chciał poznać prawdziwe translacje, to jeśli nie uwzględnił rotacji – miał zmienione wyniki badań na poziomie dochodzącym do 20%.
Rotacje zaczęto też od niedawna mierzyć w zastosowaniach codziennych. Nawet w zwykłych smartfonach pomagają przy obracaniu ekranu. A te bardziej dokładne, nowoczesne czujniki okazały się bardzo przydatne do sterowania rakietami, mają duże znaczenie w lotnictwie i w „inteligentnych” samochodach, dostosowujących się do stylu jazdy kierowcy. Kiedy zacząłem gromadzić takie czujniki zaprojektowane w oryginale dla helikopterów i doszedłem do czterech sztuk – moimi zakupami zainteresował się nawet departament stanu USA. Przyrządy te używane są bowiem do celów militarnych, chciano więc zweryfikować, czy przypadkiem nie trafiają w jakieś niepowołane ręce.
Przejdźmy do fal grawitacyjnych, których istnienie, dokładnie 100 lat temu, przewidział już Albert Einstein. Wtedy stwierdził on, że choć istnieją, to jednak ze względu na znikomość wywoływanych przez nie oddziaływań nikomu nie uda się ich zmierzyć. Mimo to, pod koniec XX wieku postanowiono jednak podjąć wyzwanie potwierdzenia ich istnienia. Do ich zbadania powołano projekt LIGO. Na jego potrzeby skonstruowano ogromne, czterokilometrowe przyrządy oddalone od siebie o kilka tysięcy kilometrów – jeden umieszczono w ziemi w stanie Waszyngton, drugi na Florydzie. Ich zdolność pomiarowa wyraża się dokładnością 10-21 to poziom niemal subatomowy!
Rys. 4., 5. Urządzenia systemu LIGO
Ponieważ te urządzenia są niesłychanie wrażliwe, jeśli na odległości kilku tysięcy km oba drgną tak samo, to znaczy, że wywołał to jakiś efekt pozaziemski. Łatwo to uzasadnić: Jeżeli efekt pochodzi z odległego trzęsienia ziemi, wiatru czy przejazdu samochodu, to drgania na obu krańcach USA nie mogą się pokryć. Jeśli jednak coś zadrga nawet na poziomie atomowym, ale identycznie na tak dużej odległości, to musi to być efekt „nie z tej Ziemi”.
Na potrzeby badań skonstruowano ogromne, czterokilometrowe przyrządy oddalone od siebie o kilka tysięcy kilometrów – jeden umieszczono w ziemi w stanie Waszyngton, drugi na Florydzie. Ich zdolność pomiarowa wyraża się dokładnością 10-21 to poziom niemal subatomowy!
Ale jakie jest podobieństwo tych badań?
To, o czym wspominałem na początku, a więc zakłócenia spowodowane rotacją, były pierwszym efektem, który spowodował problemy pomiarów LIGO. System LIGO mierząc drgania na poziomie subatomowym jest bardzo wrażliwy na wszelkie ich zakłócenia. Na przykład – silne trzęsienie ziemi których wiele występuje w ciągu roku na całej kuli ziemskiej – powoduje, że na wiele tygodni zamykano projekt, bo ciągle drgała ziemia i odbijały się fale. Naukowcy potrzebowali sposobu na ,,odsianie” tych drgań ze swoich pomiarów, mierząc nie tylko translacje, ale też badane przez nas rotacje.
W 2007 r. na koszt rządu USA zaprosili więc do siedziby Amerykańskich Służb Geologicznych (USGS) do Menlo Park w Kalifornii wszystkich badaczy, którzy zajmują się na świecie rotacjami na pierwszy, zorganizowany przez USGS „workshop”. W tej grupie znalazł się m.in. prof. Alberto Castellani a z Polski ja, oraz nasz nestor prof. Roman Teisseyre, na marginesie uroczy człowiek! Choć jest uznanym w Polsce i na świecie akademikiem, wieloletnim członkiem PAN i wywodzi się ze starego, hrabiowskiego rodu uczonych, jest bardzo otwarty. Kiedy mnie spotkał pierwszy raz na lotnisku w San Francisco – a znał już moje prace – przywitał się: „Rrrromek jestem”!
Uczestnicy projektu LIGO przyznali, że mylili się, lekceważąc do tej pory rotacje. W czasie kongresu, część z naukowców – w tym mnie – zaproszono także na specjalny panel. Wziął w nim udział Brian Lantz i Riccardo deSalvo, który był konstruktorem urządzeń. Powiedzieli: proszę państwa, od dziesięciu lat mierzymy, wydaliśmy dużo pieniędzy i nic nie zmierzyliśmy. Zaczęliśmy już publikować prace na temat, dlaczego nic się nie udało zmierzyć, bo to też ciekawe. Jesteśmy w kropce… Wtedy ktoś zadał pytanie: a jaki macie budżet? 4 miliardy dolarów – odpowiedzieli. Ktoś zażartował: odpalcie nam cztery miliony to wam ten problem rozwiążemy.
Powiedzieli: proszę państwa, od dziesięciu lat mierzymy, wydaliśmy dużo pieniędzy i nic nie zmierzyliśmy. Zaczęliśmy już publikować prace na temat, dlaczego nic się nie udało zmierzyć, bo to też ciekawe. Jesteśmy w kropce… Wtedy ktoś zadał pytanie: a jaki macie budżet? 4 miliardy dolarów – odpowiedzieli. Ktoś zażartował: odpalcie nam cztery miliony to wam ten problem rozwiążemy.
Rys. 6., 7. Rotational Seismology & Engineering Workshop (z lewej: prof. Roman Teisseyre, dr Krzysztof Górski)
Odbyła się długa dyskusja i burza mózgów, po której przemyśleli wszystko od nowa i przeprojektowali cały system z uwzględnieniem efektów rotacyjnych. Minęło 8 lat i ten nowy system zmierzył pierwsze fale grawitacyjne.
Spędziliśmy na tej dyskusji w siedzibie USGS w Menlo Park cały dzień i było mi przyjemnie, bo amatorsko lubię astronomię i nagle w moim chwilami trochę nudnym profesjonalnym obszarze budownictwa, drgań konstrukcji itp. pojawiły się gwiazdy neutronowe, czarne dziury itd. W dzieciństwie marzyło mi się aby zajmować się fizyką i astronomią, ale pragmatycznie rodzice radzili – dziecko nie pchaj się do takich niepraktycznych rzeczy, zostań inżynierem, albo adwokatem lub lekarzem, a tu nagle po latach wrócił do mnie ten temat i to w obszarze, jak się okazało, wielkich nowinek naukowych z głównego nurtu badań podstaw fizyki i astronomii!
Odbyła się długa dyskusja i burza mózgów, po której przemyśleli wszystko od nowa i przeprojektowali cały system z uwzględnieniem efektów rotacyjnych. Minęło 8 lat i ten nowy system zmierzył pierwsze fale grawitacyjne.
Aktualnie, razem z zespołem z Politechniki Opolskiej oraz kolegami z Głównego Instytutu Górnictwa zajmujemy się się pomiarami dużych rotacji sejsmicznych, takich, które mogą mieć wpływ na projektowanie budynków. Udało się nam otrzymać pierwszy zapis silnych rotacji z Grecji i w rozprawie doktorskiej Piotra Bońkowskiego wykorzystać do analiz drgań budowli. Ciągle jednak brak jest statystycznie istotnej liczby zapisów intensywnych, sejsmicznych rotacji, zatem najlepszym miejscem do ich pomiarów są obszary eksploatacji górniczej.
Wstrząsy górnicze przypominają małe trzęsienia ziemi, ponieważ są sztucznie wzbudzone przez eksploatację górotworu. Jednak w danym miejscu zdarzają się co kilka lat – a nie co kilkadziesiąt-kilkaset lat jak naturalne, silne trzęsienia ziemi. Intensywność wstrząsów górniczych nie ma oczywiście nic wspólnego z podkładanym w kopalniach ładunkami wybuchowymi, których działanie można porównać do szpilki, która kłuje słonia. Jeśli wybiera się węgiel albo rudę miedzi w miejscach, gdzie zapada się jakaś pustka albo na uskoku pojawia się zbyt duże naprężenie, to wyzwala się fala i górotwór uwalnia energię porównywalną z średnio-intensywnym trzęsieniem ziemi.
Wraz ze współpracownikami z GIG umieściliśmy przyrządy do pomiaru rotacji w kilku stanowiskach koło kopalni Ziemowit. W szacownych amerykańskich i światowych czasopismach Seismological Research Letters oraz Engineering Geology mamy opublikowane wyniki tych pomiarów. Wzbudzają one zainteresowanie na świecie.
Wraz ze współpracownikami z GIG umieściliśmy przyrządy do pomiaru rotacji w kilku stanowiskach koło kopalni Ziemowit. W szacownych amerykańskich i światowych czasopismach Seismological Research Letters oraz Engineering Geology mamy opublikowane wyniki tych pomiarów. Wzbudzają one zainteresowanie na świecie. W ramach działań grupy badawczej sejsmologii rotacyjnej IWGoRS (https://www.rotational-seismology.org/) powstały już trzy specjalne wydania czasopism o zasięgu światowym (Bulletin of the Seismological Society of America, Journal of Seimology, Sensors).
fot. archiwum własne, https://writescience.wordpress.com/tag/ligo/, Wikipedia