University of Helsinki, Helsinki 2006

Studies of Earth Dynamics with the Superconducting Gravimeter

Heikki Virtanen

Doctoral dissertation, April 2006.
University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physical Sciences, Geophysics.

Tutkimuksia maapallon dynamiikasta suprajohtavan gravimetrin avulla

Suprajohtava (gryogeeninen) gravimetri (SG) perustuu suprajohtavan testimassan leijuntaan pysyvässä magneettikentässä. Riippuen taajuudesta, erotuskyky on parempi kuin 10^-11ms^-2(»10^-12g). Ajallisesti voidaan tutkia ilmiöitä joiden periodi on sekunneista (mikroseismi) vuosiin (Navan liike). Johtuen erinomaisen suuresta herkkyyydestä ja pienestä käynnistä, se on yli kaksi vuosikymmentä ollut ylivoimainen laite tutkimaan erilaisia paikallisia ja globaaleja geodynamiikan ilmiöitä, jotka aiheuttavat painovoiman muutoksia.

Suprajohtava gravimetri (GWR T020) on ollut yhtäjaksoisesti toiminnassa elokuusta 1994 lähtien Geodeettisen laitoksen Metsähovin tutkimusasemalla. Laitteita on toiminnassa tällä hetkellä maailmanlaajuisesti noin 20 asemalla. Laitteet toimivat GGP (Global geodynamics Project) yhteistyöverkossa. Rekisteröinnit lähetetään säännöllisesti yhteiseen tietokeskukseen, joka tällä hetkellä on Potsdamissa. Yhdistämällä havainnot useammalta asemalta, voidaan tutkia ilmiöitä, jotka ovat liian heikkoja havaittavaksi yhdeltä asemalta.

SG toimii myös erinomaisena pitkäjaksoinena seismometrina. Kun periodit kasvavat kymmeniin minuutteihin, tulee SG ylivoimaiseksi perinteisiin instrumentteihin nähden. Maapallon vapaat värähtelyt virittyvät hyvin isojen maanjäristysten jälkeen. Kaikkein pitkäikäisin on radiaalinen moodi ₀S₀ (20 minuuttia), joka oli havaittavissa Metsähovissa 3 kk Sumatran suuuren määnjäristyksen jälkeen (26.12.2004).

SG antaa vain yhden signaalin, eli paikallisen painovoiman ajallisen muutoksen vertikaali­suunnassa. Aikasarjasta voidaan kuitenkin eristää todella suuri joukko erilaisia ilmiöitä, jotka aiheuttavat ajallisia muuutoksia paino­voimassa. Analyyseissä tarvitaan ja hyödynnetään paljon apuhavaintoja, joisten tärkein on ilmanpainekenttä. Lisäksi käytetään apuna mm. hydrologista aineistoa, säätietoja, mareografeja. Lisäksi tarvitaan erilaista teoreettista tietoa, joista mainittakoon maanpinnan kuormitukseen ja deformaatioon liittyvät Greenin funktiot.

Metsähovi sijaitsee noin 15 km päässä avoimesta Itämerestä ja vedenkorkeudella on selvä korrelaatio painovoiman kanssa. Havaintojen ja teoreettisten tutkimusten jälkeen päädytty seuraaviin tuoksiin: Kun merenpinta nousee Helsingissä 1 m, painovoima kasvaa 26 nms^-2 ja maanpinta laskee Metsähovissa 11 mm.

Yleinen paikallinen ja globaalinen vedenkiertokulku, joka sisältää sateen, lumen ja pohjavedet vaikuttavat painovoimaan sekä vetovoiman että kuormituksen kautta, näkyvät havainnoissa selvästi. SG on tullut siten myös tutkimus­välineeksi hydrologian alueelle. Merkitys on kohonnut uusien painovoimasatelliitien (CHAMP ja GRACE) havaintojen tulkinnassa.

Julkaisun nimiösivu

This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

© University of Helsinki 2006

Last updated 19.04.2006