Geofyzika mapuje znečištění půd i varuje před zemětřesením

Geofyzika využívá měření fyzikálních veličin na povrchu Země ke studiu podpovrchových jevů a struktur. V následujícím textu představujeme dvě výzkumná témata, jejichž řešení v Geofyzikálním ústavu AV ČR v uplynulém roce započalo. První téma je spojeno s přípovrchovým průzkumem půd a hornin a využívá metod tzv. environmentálního magnetismu k identifikaci částic z hutní výroby. Druhé téma se věnuje využití seismologie ke snižování následků silných zemětřesení v Nepálu, kde Geofyzikální ústav připravuje ustavení systému včasného varování před zemětřesením.

Magnetické částice v archeologii

Moravský kras je oblast proslulá především mnoha jeskyněmi a dalšími krasovými jevy. Jeho hutnická minulost je však veřejnosti téměř neznámá. Tavba železa zde probíhala po dobu dvanácti století. Započala již v 8. století ve střední části Moravského krasu, kde se nacházela bohatá ložiska železné rudy. Hutní činnost zanechala stopy v podobě množství odpadu, na který lze i dnes v Moravském krasu narazit. Kromě strusek, které se v místě výroby nakupily do mohutných vrstev, se jedná především o mikroskopické částice rozptýlené do širokého okolí. Tyto částice mají zpravidla kulový tvar a dle lokálních podmínek migrují a kumulují se v půdním profilu, kde představují jednu ze složek anorganického znečištění. Jsou bohaté na železo, a proto je lze spolehlivě detekovat pomocí magnetických měření. Na tomto principu je založena metoda magnetického mapování znečištění půd, kterou skupina environmentální a aplikované geofyziky ústavu rozvíjí. Sledována je magnetická susceptibilita, koncentračně závislá veličina, vyjadřující množství převážně oxidů železa, které velmi citlivě reagují na působení vnějšího pole. Výhodou je, že magnetickou susceptibilitu lze snadno a s velkou citlivostí měřit i v terénu. Oxidy železa obsažené v půdě pak lze blíže charakterizovat laboratorními magnetickými metodami, a to stanovením jejich koncentrace, velikosti a typu. Naše nejnovější poznatky ukazují souvislosti mezi magnetickými vlastnostmi a charakteristikami půdy, jako jsou pH, obsah humusu a prvkové složení. S pomocí těchto parametrů je možné mimo jiné vyhodnotit, jak byla půda v minulosti využívána, například zda byla vypalována nebo ji ovlivnila přítomnost vody.

Hlavním cílem našeho výzkumu je nejen zjistit rozsah znečištění půd v Moravském krasu v důsledku hutní činnosti, ale také identifikovat širokou škálu magnetických částic a odlišit je podle jejich původu. Přímé pozorování morfologie mikroskopických částic se provádí skenovací elektronovou mikroskopií. Obrázek 1 zachycuje magnetické kuličky o velikosti 60 μm pocházející jednak ze spalování při výrobě železa v 9.–10. století (vlevo), jednak z novodobé tavby v polovině 19. století (vpravo).

Získané poznatky o zasažení Moravského krasu hutní činností budou využity k vypracování metodiky hodnocení půdních změn pomocí magnetometrických metod. Taková metodika posléze umožní přesněji zmapovat negativní zásahy člověka způsobené odlesňováním či nevhodnou zemědělskou činností.

Poděkování: Výzkum je finančně podporován grantem LTC19029 programu MŠMT INTER-EXCELENCE. Díky za spolupráci patří i archeologu Ondřeji Mertovi z Technického muzea v Brně. Tento příspěvek věnujeme památce kolegy Jaroslava Kadlece, který nás ve věku 59 let v listopadu 2020 náhle opustil. Stál u počátku současného výzkumu důsledků hutní činnosti v Moravském krasu, ke kterému měl blízko i jako jeskyňář.

Čas na akci. Teoretický čas mezi doručením varování a příchodem otřesů vypočtený pro zemětřesení Gorkha o magnitudu 7,8, které zasáhlo Nepál v dubnu 2015.

Ukázka mikrokuliček, produktu spalování při výrobě železa. Vlevo od Bažantí studánky u Adamova, původ 9.–10. století; vpravo z okolí huti Pavlínka v Blansku, původ kolem roku 1846. Obrázky byly pořízeny na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy.

Budování systému včasného varování před zemětřeseními v Nepálu

Zemětřesení patří mezi nejničivější živelní katastrofy. Jejich vznik se řídí zákony chaosu, přicházejí proto bez varování a ani přes mnohaleté úsilí seismologů nejsme schopni jejich výskyt předpovědět. Obyvatelé seismicky aktivních oblastí jsou tak odkázáni na prevenci dopadů zemětřesení, jako je například konstrukce budov odolných vůči silným otřesům.

Ničivé následky zemětřesení mohou být sníženy také zavedením systému včasného varování (v anglickojazyčné literatuře Earthquake Early Warning, EEW). EEW systém automaticky rozpozná počáteční stadium zemětřesení, vyhodnotí jeho sílu a ničivý potenciál a varuje obyvatele postižené oblasti (obr. 2). Varování je doručené do mobilních telefonů nebo na dedikovaná varovná zařízení (např. sirény) a může poskytnout cenný čas pro rychlé vyhledání úkrytu či opuštění budovy před příchodem ničivých otřesů (obr. 3).

V důsledku vysokých nákladů na vybudování a údržbu systému včasného varování je tento systém dosud zaveden jen v několika bohatých zemích jako Kalifornie, Japonsko či Tchaj-wan. Pokroky v technologii „internetu věcí“ (v angličtině Internet of Things, IoT) a „cloud computing“ (tj. využívání vzdálených serverů pro datové operace) ale významným způsobem zlevňují náklady na zavedení systému a otevírají možnost vybudovat ho v místech, pro která byl doposud finančně nedostupný.

Vědci z Geofyzikálního ústavu jsou součástí iniciativy „OpenEEW“, která vyvíjí nízkonákladové, přímočaré a inovativní řešení systému včasného varování. Iniciativa je založená na filozofii open source a na vývoji systému se tak spolu s nimi podílejí i specialisté z USA, Mexika a dalších bezmála deseti zemí. Mezi hlavní inovace patří vývoj nového seismického senzoru pro EEW, který je sestaven z dílů využívaných ve spotřební elektronice, což minimalizuje náklady na jeho výrobu. Kromě vývoje systému plánuje Geofyzikální ústav také pilotní projekt, který má za cíl otestovat systém v Nepálu.

Nepál patří k seismicky nejohroženějším zemím na světě, a to zejména kvůli kombinaci častého výskytu silných zemětřesení, vysoké hustoty obyvatel a zranitelné konstrukce obytných budov. Zemětřesení o magnitudu 7,8 s epicentrem u města Gorkha, které Nepál zasáhlo v dubnu r. 2015, si vyžádalo přes 9000 obětí a mnoho desítek tisíc obyvatel přišlo o střechu nad hlavou. Nenahraditelné ztráty utrpělo také historické a kulturní bohatství v hlavním městě Káthmándú. Je přitom pravděpodobné, že v budoucnosti zasáhnou Nepál další, patrně ještě silnější zemětřesení.

Pro otestování systému včasného varování plánujeme v centrálním Nepálu rozmístit síť 40 seismických senzorů, které budou nepřetržitě monitorovat pohyb země. Data budou v reálném čase přenášena na vzdálené servery, které pomocí seismologických algoritmů rozpoznají počáteční fázi silných zemětřesení a budou schopny vydat varování obyvatelům zasažené oblasti. V závislosti na magnitudu zemětřesení a vzdálenosti lidských sídel od epicentra zemětřesení by pak systém měl být schopný varovat obyvatele Nepálu desítky vteřin až minutu před příchodem ničivých otřesů.

Poděkování: Výzkum je finančně podporován programem Strategie AV21 Akademie věd České republiky.

Vlevo: Schéma principu včasného varovného systému. Vpravo: Seismický senzor a jeho hlavní komponenty.