Výzkumy v ASU AV ČR (81): Detekce sopek pod ledovým příkrovem Antarktidy

Základem dnešních studií gravitačního pole Země jsou data pocházející z geodetických umělých družic a z terestrických měření. Na tomto poli se vyznamenaly zejména družice GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) a GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer), nesoucí vůbec poprvé gradientometr (kombinaci mikroakcelerometrů) k měření druhých prostorových derivací poruchového potenciálu Země. Výsledkem velmi sofistikovaných měření a následného zpracování těchto dat jsou tzv. modely gravitačního pole Země, nejčastěji ve formě tzv. Stokesových koeficientů rozvoje gravitačního potenciálu do kulových funkcí. Každá z kulových funkcí reprezentuje určitou škálu prostorových změn gravitačního pole a jejich součtem lze popsat skutečné gravitační pole Země v rozlišení, které umožňuje kvalita dosažitelných dat. To má samozřejmě svůj limit, související především s hustotou pokrytí zemského povrchu průměty oběžných drah měřicích družic. Moderní modely, jako např. EIGEN-6C4, mají mezní rozlišení 10 km.

Z gravimetrických dat jsou tradičně využívány především hodnoty lokálního gravitačního zrychlení. Jaroslav Klokočník z ASU a jeho kolegové však mají dobré zkušenosti i s použitím jiných produktů (můžeme jim říkat deriváty). Například plného Marussiho tensoru (tento tensor obsahuje druhé prostorové derivace poruchového potenciálu), invariantů gravitačního pole (což je bezrozměrná kombinace složek Marussiho tensoru) a také úhlů směrů hlavních napětí. Druhé derivace potenciálu svědčí o detailech přípovrchových struktur a byly již v minulosti použity opakovaně pro průzkum nalezišť nerostných surovin. Úhel napětí pak popisuje, jak se gradiometrická měření odchylují od hlavního směru podpovrchových struktur. I tato veličina je kombinací komponent Marussiho tensoru. Doplnili ještě bezrozměrnou veličinu virtuální deformace, která popisuje hlavní směry deformace v důsledku napětí pod povrchem.

Cílem jejich výzkumu se staly sopky. V představované práci se zaměřili na známé oblasti na Zemi s výskytem aktivního vulkanismu (např. Fuji v Japonsku, Havajské ostrovy nebo okolí Mexico City). V derivátech modelu gravitačního pole vykazují tyto útvary charakteristické chování – lokalizovanou kladnou hodnotu zz-složky Marussiho tensoru nebo kladnou anomálii ve virtuální deformaci lemovanou příkopem negativní virtuální deformace. V horských oblastech mají sopky v obou zmíněných derivátech nejsilnější signál v porovnání s ostatními vyvýšeninami. Pro zajímavost autoři ověřili tuto myšlenku i v gravimetrických datech dostupných pro planetu Mars a jednoznačně ztotožnili výkyvy v zz-složce Marussiho tensoru se sopkami v oblasti Tharsis, včetně Olympus Mons, největšího vulkánu ve Sluneční soustavě.

Získanou zkušenost pak aplikovali na hledání sopek pod ledovcovým příkrovem Antarktidy. To však nebylo tak přímočaré, jak by se mohlo zdát. Obě jmenované geodetické družice se totiž nacházely na drahách blízkých drahám polárním, ale ne na drahách přesně polárních, v důsledku čehož je hustota pokrytí polárních oblastí nízká (v bezprostředním okolí pólu nulová) a navíc se zde skokově mění, což ovlivňuje reálné rozlišení gravitačních dat i jejich derivátů, které zde činí spíše desítky než jednotky kilometrů. Sice je v současnosti snaha tyto mezery doplnit měřeními z letadel, ale k finálnímu produktu (tj. kompletnímu pokrytí Antarktidy nedružicovými měřeními) má projekt PolarGap ještě daleko. J. Klokočník a kolegové tedy pracovali s tím, co je k dispozici. K modelu gravitačního pole přidali informaci o topografii podloží, jež je produktem družicových měření s radarem pronikajícím ledem až ke skalnímu nebo vodnímu podloží a je k dispozici v podobě nadmořských výšek v modelu Bedmap2 s několikakilometrovým rozlišením horizontálně a desítky až stovky metrů vertikálně. V oblasti známých sopek Antarktidy ověřili, že i zde platí pro deriváty gravitačního pole to, co bylo napsáno nahoře. Svoji roli však nehraje pouze již zmíněné rozlišení, ale i utlumování gravimetrického signálu vrstvou ledu, která místy tloušťkou přesahuje i 4 km. Jednoduchým modelem ověřili, že ani jedna z obtíží není principiální pro poslední krok – tím je hledání antarktických sopek schovaných hluboko pod ledem.

Z rychlého přehledu vyplývá, že v řadě oblastí lze předpokládat výskyt antarktických sopek, například v Zemi královny Maud, kde by se mohlo nacházet pásmo snad až čtyř sopečných kuželů, a jedna sopka je předpovězena v blízkosti největšího antarktického jezera Vostok (také schovaného pod ledem).

Autoři na závěr poznamenávají, že spíše než o skutečné hledání sopečných kuželů jim jde o demonstraci metodiky. Ta si jistě najde své využití, jakmile budou v blízké budoucnosti k dispozici modely gravitačního pole a topografie podloží s ještě lepším pokrytím polárních oblastí.

Reference

Klokočník J. a kol., On feasibility to detect volcanoes hidden under the ice of Antarctica via their “gravitational signal”, Annals of Geophysics 59 (2016) S0539

Kontakt

prof. Ing. Jaroslav Klokočník, DrSc.
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR
Email: jaroslav.klokocnik@asu.cas.cz

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU AV ČR

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v.v.i.