Wyznaczanie atmosferycznych poprawek grawimetrycznych na

Prof. zw. dr hab. inż. Marcin Barlik
Wydział Geodezji i Kartografii
POLITECHNIKA WARSZAWSKA
Warszawa, 4 września 2014 r.
Recenzja
rozprawy doktorskiej mgr inż. Marcina Rajnera
z Wydziału Geodezji i Kartografii
POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
n. t.
Wyznaczanie atmosferycznych poprawek grawimetrycznych
na podstawie numerycznych modeli pogody
1. Uwagi wstępne
Wyjawienie i udokumentowanie zmian położenia punktów (stanowisk) badawczych i natężenia siły ciężkości spotyka się obecnie z trudnością ich interpretacji, wyjaśnienia ich przyczyn zewnętrznych a to głównie ze względu na wysoką precyzję rejestracji „chwilowych” wartości przyspieszenia ziemskiego, oczywiście po jak najlepszym wyeliminowaniu źródeł błędów instrumentalnych i metodycznych. Pozostaje do wyeliminowania z wyników obserwacji
cała gama źródeł oddziaływań środowiska zewnętrznego. Mgr inż. Marcin Rajner zajął się w
przedstawionym do recenzji opracowaniu analizą możliwości uwolnienia zarejestrowanych
wartości ciężkości (natężenia siły ciężkości), głównie grawimetrami absolutnymi i nadprzewodnikowymi, od zmian ciśnienia atmosferycznego.
Zasadniczą warstwą naukowych zmagań, zawartych w rozprawie, jest studyjna i praktyczna próba powiązania informacji uzyskanych z rejestracji zmian ciśnienia powietrza, odpowiednio precyzyjnego zamodelowania zmian układu mas powietrza dwu- i trój-wymiarowego
i przetransformowania ich na zmiany natężenia siły ciężkości. Dlatego też dysertację M. Rajnera należy zaliczyć do dzieł teoretyczno - metodycznych.
Zadeklarowany przez Doktoranta na wstępie cel pracy odczytałem następująco: interpretacyjne podejście do problemu oddziaływania mas atmosferycznych na wartość przyspieszenia ziemskiego pozwala na pełniejszy opis zjawiska i, co za tym idzie, na dokładniejsze
modelowanie i eliminację omawianego składnika. W kilku akapitach umieszczonych w następnych częściach rozprawy Autor uzupełnia tę propozycję poprzez podanie celu swoich
badań. Podaje, mianowicie, że dąży do wskazania metodyki redukcji precyzyjnych pomiarów
grawimetrycznych (w grę wchodzą wartości na poziomie pojedynczych mikrogali) ze względu
1
na zmiany w układzie mas powietrza atmosferycznego, by do interpretacji zmian ciężkości
„pozostały” źródła z innych zjawisk geodynamicznych.
Po lekturze tomu dzieła staje się jasne, że pod pojęciem tytułowych „numerycznych modeli pogody” należy rozumieć numeryczne modele rozkładu ciśnienia atmosferycznego, bo
pogoda to przecież „stan atmosfery w rozpatrywanym momencie” i tylko jednym z parametrów opisu jej stanu jest ciśnienie powietrza.
2. Konstrukcja treści rozprawy
Po tym ogólnym przedstawieniu tezy i celu pracy doktorskiej mgr M. Rajnera pracy podam kilka zasadniczych informacji dotyczących konstrukcji rozprawy. Przedkładana rozprawa liczy 117 stron tekstu. Umieszczono w niej 4 tablice: - z wykazem stacji grawimetrycznych i meteorologicznych, - z przedstawieniem użytych modeli meteorologicznych, - z porównaniem wartości zmian pływowych ciężkości i ze względu na zmiany w układzie mas atmosferycznych, - z rezultatami wyznaczeń wartości funkcji Greena, opisujących efekty grawitacyjne pochodzące od modelowych zmian ciśnienia. Jest w tym tomiku 71 kolorowych rycin.
Niektóre z nich są, niestety, mało czytelne już to ze względu na słaby kontrast kolorów krzywych na wykresach, już to ze względu na zbytnie zagęszczenie na wykresach, a więc zastosowaną skalę.
Spis bibliograficzny zawiera 81 pozycji literaturowych - drukowanych jako publikacje oraz
7 źródeł internetowych, większość obcojęzycznych. W tym zestawie siedem pozycji jest autorstwa Doktoranta, w pięciu innych jest On współautorem. Mogę na podstawie swego rozeznania w temacie uznać, że wykaz bibliograficzny jest wystarczająco obfity. Znalazło się w
nim jednak kilka pozycji podręcznikowych i książkowych (m. in. autorstwa F. Helmerta, W.
Torgego), które są cytowane w tekście, niekiedy niestety w całości, bez odwołania do konkretnych stron, czy rozdziałów. W przypadku przygotowania publikacji do czasopisma naukowego, związanej z tematyką doktoratu, niedoskonałość tę należy usunąć.
Tekst dysertacji podzielony jest na wprowadzenie, gdzie podano motywację Autora do
popełnienia dzieła; pięć rozdziałów zawierających zasadnicze treści rozprawy wraz z opisem
własnych testów numerycznych. Całość zamyka rozdział z podsumowaniem i wnioskami.
Dołączony został do kompletu spis cytowanej literatury oraz spis tabel i rysunków. W treści
wydrukowanej znalazło się ponadto pięć załączników. Znajdujemy w tomiku: A. wykaz użytych skrótów, B. parametry atmosfery standardowej, C. wyznaczone wartości funkcji Greena
dla efektu grawitacyjnego, D. źródła danych grawimetrycznych i meteorologicznych użytych
do własnych testów Autora, E. kod źródłowy do programu (w języku Fortran90) dostępnego
2
w Internecie, pozwalającego na określenie grawimetrycznych wartości poprawek ze względu
na przyciąganie mas atmosferycznych. Układ sekwencyjny rozdziałów jest w moim mniemaniu logiczny.
Forma przygotowania i redakcji wypowiedzi jest bardzo oryginalna. Zauważyłem, że
utrudnia lekturę tekstu pracy zastosowana numeracja wzorów i powoływanie się na nie w
tekście, gdyż miesza się z powoływaniem na numery rysunków. Podpowiadam w tym miejscu Autorowi, że można było ująć numery wzorów w nawiasy, przez to stałby się tekst bardziej czytelny. Mało czytelny jest także spis treści. Czytelnik poszukuje tam numerów stron,
które „zlewają się” z tytułami rozdziałów.
3. Ocena merytoryczna zawartości rozprawy doktorskiej
Przejdę teraz do opinii na temat treści zasadniczych części doktoratu.
W rozdziale 1 mgr M. Rajner inwentaryzuje dotychczasowe postępowanie stosowane w
celu eliminacji zmian ciśnienia atmosfery w pomierzonym przyspieszeniu siły ciężkości Ziemi.
Modelowano masy wyżu/niżu w formie płaskiej płyty Bouguera lub, w przypadku precyzyjnych pomiarów stacjonarnych, jako warstwę kulistą, przylegające do poziomu morza. Niefortunnie użył Doktorant w tej prezentacji modeli mas atmosferycznych na str. 27 pojęcia „jednorodna płaszczyzna o skończonej wysokości H „ . Powinien mankament ten poprawić w
przypadku przygotowywania następnych komunikatów naukowych.
Modelowaniu podlegały dotychczas masy powietrza zalegające w troposferze. Doktorant
postuluje na podstawie wykonanych eksperymentów i po studiach rejestracji zmian ciężkości
i ciśnienia atmosferycznego na stacjach o różnej wysokości n. p. m., by powiększyć zasięg
modelowania pionowego po stratosferę, nawet do 60 km, jeśli należy całkowaniem po masach objąć tzw. strefy odległe od stanowiska i zachować przy tym precyzję rzędu 10 -8 m/s-2 ,
czyli o wartości pojedynczych mikrogali. Zasięg całkowania wynikać musi ze wstępnych studiów powiązania zmian ciężkości i ciśnienia.
Pojawia w rozprawie się w tym miejscu pojęcie współczynnika wpływu atmosfery, czyli
„przelicznika” zmiany ciśnienia na zmiany grawitacji. Autor poświęca temu zagadnieniu sporo
miejsca w tekście, proponując i testując modelowanie zarówno wpływu przyciągania atmosfery, czyli tzw. efektu newtonowskiego, jak i efektu deformacyjnego na skutek zmian nacisku
mas atmosferycznych na fragmenty skorupy ziemskiej. Omawianą obecnie część rozprawy
(przede wszystkim podrozdz. 1.2. - 1.4.) oceniam pozytywnie, tym bardziej, że Autor wykazuje tam sporo własnej inicjatywy. Szczególnie ciekawa wydaje się koncepcja wprowadzenia
częstotliwości zjawiska do analizy po tzw. czyszczeniu sygnałów od atmosfery, w analogii do
3
analizy przejawu pływów oceanicznych w ciężkości ziemskiej. I trafnie zauważa możliwość
takiego podejścia dla zmian ciśnienia trwających do kilkunastu dni. Zwraca tu uwagę potwierdzenie wysuwanych w kręgu obserwatorów przyspieszenia siły grawitacji postulatów o powiększeniu detalizacji warunków atmosferycznych, czyli przejście do wyznaczania tzw. lokalnych reakcji na zmiany ciśnienia. Postulat taki, wzmocniony numeryczną analizą Autora,
znajduje zastosowanie w obserwacjach grawimetrycznych – bezwzględnych i pływowych prowadzonych w Obserwatorium Astronomiczno – Geodezyjnym Politechniki Warszawskiej
w Józefosławiu. A wartość rozbieżności ze względu na uproszczenie modelowania sięgają 3
μGal, a więc są nie do zaakceptowania przy precyzyjnych rejestracjach.
Doktorant postuluje dlatego w dalszym ciągu rozprawy synchronizację obserwacji ciśnienia i ciężkości na stanowiskach badawczych, gdzie wykonuje się stacjonarne pomiary grawimetryczne, by wykryć wzajemna korelację. Do sprawy tej powrócę jeszcze w dalszym ciągu
recenzji.
W rozdziale 2 mgr Rajner zajął się numerycznymi modelami pogody. Jego treść pośrednio dotyczy wpływu ciśnienia na natężenie siły ciężkości. Jednak za bardzo istotne uważam
potraktowanie zdefiniowania tzw. poziomu odniesienia ciśnienia, w analogii do innych rodzajów „poziomów odniesienia” współrzędnych, szczególnie wysokości, i danych geodezyjnych.
O wiele łatwiej poprawiać obserwowane ciężkości w przypadku wyznaczeń różnicowych. I
Doktorant nie wskazuje tu rozwiązania definitywnego, jednak sugestię, by zastosować wartość odniesienia zgodną z modelową (standardową) wartością ciśnienia uznać należy za jedyną słuszną.
Rozdział 3 rozprawy traktuje o efekcie deformacyjnym, czyli o wpływie odkształcenia
skorupy ziemskiej na ciężkość ziemską w miejscu rejestracji grawimetrycznej. Jest to tzw.
efekt obciążeniowy pochodzący od atmosfery i opisywany najlepiej przez funkcje Greena zastosowanych do niesztywnej Ziemi. Oceniam, że mgr M. Rajner opanował teorię, dodajmy
niełatwą i nie objętą programem wyższych studiów geodezyjnych, tzw. barometru odwróconego i nie-odwróconego w interpretacji i do liczbowego oszacowania efektu deformacyjnego,
pochodzącego od atmosfery ziemskiej. Analiza tej kwestii zawarta w punkcie 3.3. jest wyczerpująca i doprowadziła w konsekwencji do podania wskazówek co do wprowadzania poprawek na obszarze Europy Środkowej, w tym w polskich obserwatoriach. Jego sugestie wytrzymują konfrontacje z obszerniejszymi studiami Finów – Virtanena i Mäkinena – odpowiedzialnych w międzynarodowych projektach grawimetrycznych Inicjatywy Środkowo-europejskiej CERGOP w odniesieniu do wpływu Morza Bałtyckiego. Dodajmy w tym miejscu, że
Doktorant wskazał po raz pierwszy w literaturze fachowej na możliwość zastosowania numerycznych modeli pogody (rozkładu ciśnienia) dla segmentu grawimetrycznego polskiej stacji
Hornsund na Spitsbergenie.
4
Rozdziały 4 i 5 potraktować należy jako próbę wprowadzenia przez Doktoranta modelowania efektu grawitacyjnego atmosfery ziemskiej w dwóch wymiarach (2D) i trzech wymiarach (3D). Wykorzystał do tego celu funkcje Greena (GN), czyli wykorzystał istotę fizyczną
zjawiska przyciągania mas powietrza o zróżnicowanej topografii oraz zasilanie dyskretnymi
danymi meteorologicznymi.
Rozszerzył przy tym definicję funkcji GN dla warstwy pojedynczej konstruując jej definicję
dla grawitacji masy przestrzennej w postaci warstwy sferycznej poprzez splot z wartościami
ciśnienia względem powierzchni Ziemi. Włączył do tej konstrukcji wpływ topografii mas powietrza powstającej z reliefu powierzchni Ziemi (numeryczny model terenu), wilgotność powietrza i temperaturę mas powietrza (model temperatury atmosfery). Przedstawił propozycję
wprowadzenia pojęcia lokalnych i chwilowych funkcji Greena, z zamiarem lepszej detalizacji
przejawów fizyki tego zjawiska. Jest tym samym w trendzie badań innych naukowców. W
omawianym rozdziale podał także wskazówki co do poziomego zasięgu całkowania i wysokości słupów powietrza. Skonfrontował swoją koncepcję z propozycją J. B. Merriama, którą
stosuje się powszechnie w tego typu rozważaniach. Rezultaty nie rozbiegają się na więcej
niż 0,1 μGal, a obliczenia są efektywniejsze przy zastosowaniu istniejących (dostępnych) numerycznych modeli topografii dla obszaru Europy i dlatego lepiej dostosowane do lokalnych
warunków.
Przedstawiona w podpunkcie 4.5. krytyczna analiza wpływu różnych czynników meteorologicznych na efekt grawitacyjny atmosfery pozwoliła Doktorantowi na sformułowanie
wskazówek co do precyzji i zasięgu wprowadzania (w najmniej korzystnym rozkładzie ciśnienia aż do odległości 50o od stanowiska) parametrów stanu atmosfery do obliczania redukcji
obserwacji ciężkości do „poziomu odniesienia” efektu grawitacyjnego.
Rozdział 5 stanowi rozszerzenie własnych analiz Autora rozprawy w kierunku uwzględnienia trzeciego wymiaru (wysokości) w rozkładach modelowych wartości ciśnienia atmosferycznego, gęstości i wilgotności, czyli modelu 3D parametrów pogody. W dużym skrócie
oznacza to wprowadzanie do obliczeń efektu grawitacyjnego wartości parametrów na kilkunastu poziomach odniesienia ciśnienia atmosferycznego. W przypadku najczęściej stosowanych w opracowaniach grawimetrycznych obserwacji nadprzewodnikowych i balistycznych
modeli pogody NCEP (do 30 km) i ERA (do 50 km) wystarcza 17 takich miejsc, by różnice z
różnych podejść nie przekraczały kilku setnych części mikrogala.
Mgr Rajner przedstawia w tym rozdziale rezultaty swoich testów oraz wskazówki co do
poziomego zasięgu i kroku całkowania. Skwitować należy postulaty Doktoranta, że precyzyjne uwzględnienie zmian ciśnienia, gęstości, wilgotności powietrza w redukcjach zaobserwowanej ciężkości zapewniające błędy maksymalnie na poziomie 0,1 μGal wymaga całkowania
w modelu pogody wokół stanowiska z krokiem 50 metrów do kilkudziesięciu kilometrów za-
5
sięgu poziomego, co wiąże się ze zrozumiałym nakładem wysiłku oraz koniecznością odpowiednio precyzyjnego rozeznania parametrów atmosfery. Jest to następny krok - od pomiarów względnych, powszechniejszych w użyciu, - do pomiarów absolutnych, (fundamentalnych i bazowych w myśl obowiązującej nomenklatury w Polsce), rzadszych na obszarze Kraju a wymagających większej precyzji i specyficznych redukcji i poprawek. I tylko zapewnienia
odpowiednio precyzyjnych aktualizowanych map parametrów pogody pozwoli na wskazane
przez Autora uzyskanie precyzyjnych redukcji atmosferycznych. Jest to prawdziwa finezja w
sztuce opracowania tego rodzaju obserwacji geodezyjnych. Tu wskazuję na niewątpliwie
twórcze osiągnięcie mgr Rajnera, na Jego wnikliwą analizę i słuszne postulaty.
Jeszcze bardziej zaawansowaną koncepcję uwzględnienia zmian ciśnienia atmosferycznego znajdujemy w rozdziale 6 recenzowanej dysertacji. Zawiera on zestawienie różnych
metod obliczania poprawki atmosferycznej oraz koncepcję Autora innego przyjęcia poziomu
odniesienia parametrów pogody, mianowicie na poziomie terenu. Doktorant dochodzi tu do
wniosku o konieczności zagęszczeniu w czasie rejestracji stanu atmosfery, dalej o konieczności większego detalizowania – regionalnego, czy wręcz lokalnego – rozkładu ciśnienia powietrza i parametrów elastyczności (sztywności) skorupy ziemskiej. Wykazuje konieczność
jeszcze lepszego rozeznania co do wartości atmosferycznych współczynników w oddziaływaniach grawitacyjnych i obciążeniowych, również w zależności od okresowości rozważanego zjawiska pogodowego. Swoje postulaty oparł na zestawieniu zmian ciśnienia atmosferycznego i ciężkości na pięciu stacjach europejskich. Jest to tym bardziej ważne dla znaczenia praktycznego badań zrelacjonowanych w doktoracie, gdyż ich zasięgiem objęte zostały
notowania w Józefosławiu. Daje to niezaniedbywalną współcześnie szansę dla obserwatorium Politechniki, by stało się wzorcowym dla obszaru całej Polski także ze względu na precyzję wprowadzania grawitacyjnego wpływu zmian w układzie mas atmosferycznych.
Ostatni rozdział rozprawy Podsumowanie i wnioski zawiera zbiór rezultatów eksperymentów i przemyśleń Autora, umieszczonych w poprzednich paragrafach. Trudno się z treścią tej części nie zgodzić. Nie zgłaszam w tym miejscu uwag krytycznych. Popieram tym samym postulat co do wprowadzania efektu grawitacyjnego w ujęciu 3D, ustalania większego
zasięgu całkowania modelowanych mas powietrza. Jest to i praktyczne podejście ważne w
bieżącej chwili finalnego opracowania modernizacji podstawowej osnowy grawimetrycznej
Polski.
6
4. Wniosek końcowy recenzji
Doktorant, mgr inż. Marcin Rajner, podejmując temat rozprawy wykazał się, moim zdaniem, wyraźną dozą odwagi naukowej, wynikającą stąd, że obecnie sprawa poprawy zaobserwowanej ciężkości, jak i rozwój analiz przestrzennych są tematyką aktualną, stale rozwijającą się i ściśle powiązaną z naszą dyscypliną naukową. W Polsce podejmowana właściwie
jeszcze dość rzadko.
Problemy związane z realizacją autorskich koncepcji rozwiązał Doktorant w sposób naukowy. Sądzę, że i samodzielny. Osiągnięcia twórcze zawarte w Jego rozprawie związane
są z problemami i zakresem wiedzy, nie wchodzących w zakres głównego nurtu nauczania
na studiach magisterskich, a tym samym więc przyczyniają się do postępu w teorii geodezji i
kartografii.
Wysunięte przeze mnie usterki oraz uwagi krytyczne (mam nadzieję, że ważniejsze wyjaśnione zostaną w trakcie publicznej obrony rozprawy) osłabiają tylko nieco moją wyraźnie
pozytywną ocenę doktoratu. Jestem przekonany, że wprowadzenie poprawek zaproponowanych powyżej powinno przyczynić się do podniesienia jakości tekstu, bo w przypadku
przygotowania do publikacji na pewno zmniejszy potencjalną liczbę uwag redaktora czasopisma naukowego.
Z pełnym przekonaniem wyrażam w tym miejscu opinię, że rozprawa ta spełnia wymagania sformułowane w Ustawie o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i
tytule w zakresie sztuki z dnia 14 marca 2003 r. (Art. 13, ust. 1) oraz Rozporządzenia Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego w sprawie szczegółowego trybu i warunków przeprowadzania czynności w przewodach doktorskich, w przewodach habilitacyjnych oraz postępowaniach o nadanie tytułu naukowego z dnia 22 września 2011 r. (Dz. Ustaw nr 204, poz. 2200) i
w związku z tym przedstawiam wniosek Radzie Wydziału Geodezji i Kartografii Politechniki
Warszawskiej o dopuszczenie mgr inż. Marcina Rajnera do publicznej obrony tez Jego
rozprawy.
..................
Marcin Barlik
7