Slovensko združenje za geodezijo in geofiziko RAZISKAVE S PODRO GEODEZIJE IN GEOFIZIKE 17. strokovno sreč anje Slovenskega združenja za Slovensko združenje za geodezijo in geofiziko http://www.fgg.uni-lj.si/sugg/ RAZISKAVE S PODROČ JA GEODEZIJE IN GEOFIZIKE 2011 zbornik predavanj č anje Slovenskega združenja za geodezijo in geofiziko Ljubljana, 26. januar 2012 Slovensko združenje za geodezijo in geofiziko Č JA GEODEZIJE IN GEOFIZIKE geodezijo in geofiziko ORGANIZACIJSKI ODBOR Miran Kuhar Bojan Stegenšek Janez Goršič UREDNIŠKI ODBOR Miran Kuhar LEKTORIRANJE mag. Brigita Lipovšek ORGANIZATOR SREČ ANJA IN ZALOŽNIK Univerza v Ljubljani Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo Jamova 2, Ljubljana Naklada: 80 izvodov CIP - Kataložni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana 550.3(497.4)(082) 528(497.4)(082) SLOVENSKO združenje za geodezijo in geofiziko. Strokovno sreč anje (17 ; 2012 ; Ljubljana) Raziskave s področ ja geodezije in geofizike 2011 : zbornik predavanj / 17. strokovno sreč anje Slovenskega združenja za geodezijo in geofiziko, Ljubljana, 26. januar 2012 ; [organizator Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo ; uredniški odbor Miran Kuhar]. - Ljubljana : Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, 2012 ISBN 978-961-6884-00-6 1. Gl. stv. nasl. 2. Kuhar, Miran 3. Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo (Ljubljana) 259579904 Predgovor Spet imamo vsakoletni Zbornik predavanj s strokovnega sreč anja Slovenskega združenja za geodezijo in geofiziko SZGG. In spet je vsebinsko tako bogat, da lepo opiše, kaj se je na področ ju geodezije in geofizike pri nas dogajalo v preteklem letu – pa č eprav seveda marsikaj, kar smo v okviru našega združenja naredili v preteklem letu. Dobra tretjina vsebine se tako ali drugač e ukvarja z geodezijo – z motnjami sistema za globalno pozicioniranje zaradi poveč ane Sonč eva aktivnosti, z osnovami geodetskih sistemov in z morfologijo – ali le majhnega območ ja (ledenik) ali pa površja celega planeta (na primeru Marsa). Seizmologija se ukvarja s potresi, kot ji zazna državna mreža opazovalnic. Trije prispevki s področ ja hidrologije predstavljajo model za napovedovanje hidroloških razmer, vpliv podlage na površinski tok pretakanje vode skozi kraške vodonosnike. Sledijo prispevki o snoveh, ki jih je v zraku le malo: meteorologija se tokrat v povezavi s fotokemijo posveč a modelom za napovedovanje onesnaženosti zraka z ozonom in delci, klimatologija podzemnih prostorov pa vsebnosti ogljikovega dioksida in radona v podzemni jami. S prispevkom o geomagnetnem observatoriju se krog zaključ i, saj moč na Sonč eva aktivnost vpliva tudi na geomagnetno polje. Ta pregled seveda ne pokrije vse dejavnosti SZGG: veliko je odmevnih objav v mednarodnih in domač ih znanstvenih in strokovnih č asopisih, veliko poroč il na konferencah. Naši č lani so dejavni tudi glede poljudnega obvešč anja javnosti, dosegli pa so tudi marsikatero javno priznanje. Tako lahko kar ponovim zadnji stavek iz Predgovora v lanskem zborniku: "Bera je kar lepa in kaže nam pot naprej!" predsednik SZGG Prof .dr. Jože Rakovec Vsebina Predgovor ............................................................................................................................... 3 M. Č ekada Triglav - Geodetske in fotogrametrič ne meritve Triglavskega ledenika ............. 7 T. Podobnikar, B SzØkely - Geomorfometrič ne analize Marsa pri uporabi DMR-ja ........... 19 M. Prelovšek, S. Šebela, J. Turk - Spremljanje temperature zraka in CO2 v Postojnskem jamskem sistemu ob poveč anem številu obiskovalcev ........................................................ 31 S. Berk, K. Bajec, D. Fajdiga, D. Radovan, Ž. Komadina, K. Medved, T. Ambrožič , B. Koler, M. Kuhar, P. Pavlovč ič Prešeren, S. Savšek, O. Sterle in B. Stopar - Idejni projekt za kombinirano geodetsko mrežo nič tega reda ......................................................................... 37 R. Žabkar, M. Rus, J. Rakovec - Modeliranje ozona in delcev za območ je Slovenije z modelskim sistemom ALADIN-CAMx ............................................................................... 45 R. Č op, D. Deželjin - Prvo leto delovanja geomagnetnega observatorija pod Sinjim vrhom nad Ajdovšč ino ....................................................................................... 57 A. Gregorič , J. Vaupotič , S. Šebela - Vpliv zunanje temperature na koncentracijo radona v Postojnski jami ...................................................................................................... 63 J. Kogovšek - Raziskave pretakanja padavin skozi vadozno cono kraških vodonosnikov .. 69 O. Sterle, P. Pavlovč ič -Prešeren, B. Stopar - Vplivi dogajanj na Soncu na določ itev položaja z enofrekvenč nimi kodnimi GNSS-instrumenti: priprava na vrh 24. Sonč evega cikla ....... 79 B. Koler , T. Urbanč ič , K. Medved, N. Vardjan, S.Berk, O. C. D. Omang, D. Solheim, M. Kuhar - Novi višinski sistem Slovenije in testni model geoida ..................................... 91 S. Petan, N. Pogač nik, M. Sušnik, J. Polajnar, G. Jørgensen - Razvoj sistema za napovedovanje hidroloških razmer na poreč jih Save in Soč e ............................................ 103 M. Koprivšek - Vpliv različ nih vrst substrata na strukturo hitrosti vodnega toka na primeru potoka Glinšč ica * ................................................................................................................ 111 J. Bajc, Ž. Zaplotnik, M. Živč ić , M. Č arman - Izrač un lokalnih magnitud potresov iz podatkov Državne mreže potresnih opazovalnic * .............................................................................. 127 * nelektorirano 7 Geodetske in fotogrametrič ne meritve Triglavskega ledenika Mihaela Triglav Č ekada * Povzetek Č lanek prinaša popis izvedbe in rezultatov različ nih izmer Triglavskega ledenika od leta 1952 do 2011. Obseg Triglavskega ledenika sicer je z roč nimi meritvami merjen že od leta 1946 naprej. V letu 1952 so prvič izvedli prave geodetske tahimetrič ne meritve ledenika. Naslednje tahimetrič ne meritve so sledile v letu 1995. Z letom 1999 smo prič eli izvajati geodetske meritve oslonilnih toč k za potrebe fotogrametrič nih snemanj Triglavskega ledenika, ki smo jih do leta 2007 izvajali na vsaki dve leti. Po letu 2007 se tahimetrič ne in dopolnilne fotogrametrič ne meritve izvajajo vsako leto. Uvod Triglavski ledenik leži na severni strani našega najvišjega vrha na nadmorski višini 2390 do 2560 m (Šifrer, Košir, 1976). Ledenik je nastal v obdobju tako imenovane male ledene dobe, katere zadnji ledeniški sunek naj bi bil leta 1850 ali nekaj desetletij kasneje. Takrat naj bi bil ledenik tako debel, da naj bi segal skoraj do vrha Glave (Meze, 1955). Različ nih zgodovinskih virov, ki prikazujejo obseg Triglavskega ledenika, je zelo veliko. Tako so nam na voljo prvi slikovni viri že iz sredine 19. stoletja. V Narodnem muzeju v Ljubljani je na ogled slika M. Pernharta iz leta 1849, ki prikazuje panoramo Triglava. Na njej ledenik sega vse do roba Triglavske severne stene. Boljšo primerjavo z novejšimi fotografijami omogoč a fotografija R. Convizcka narejena leta 1897 ob odpravi tržaških planincev na Triglav (Slika 1) (Gabrovec, Peršolja, 2004). Slika 1: Triglavski ledenik leta 1897 (foto: R. Convizcka) Od leta 1946 pa je Triglavski ledenik deležen stalnih opazovanj in raziskav s strani Geografskega inštituta Antona Melika ZRC SAZU. Sprva so vsakoletne jesenske meritve ob koncu talilne dobe obsegale merjenje odmika ledu oz. snega od merilnih toč k zarisanih po grbinah okoli ledenika. Te toč ke so bile več inoma zarisane že v letu 1946. Ta metoda je bila zelo uporabna samo prvih nekaj let meritev, ko je bil ledenik še precej debel in se je sklenjeno umikal. Ko pa se je ledenik prič el hitreje tanjšati, je zač el na spodnjem koncu * dr., Geodetski inštitut Slovenije, Jamova 2, SI-1000 Ljubljana 8 razpadati na manjše kose. Takrat se je prej omenjeni metodi izmere pridružila še metoda zarisovanja č rt robu ledenika, torej do kam je ledenik v posameznem letu segal. Več č rt so zarisali tam, kjer so grbine razkosale ledenik na manjše jezike. Tudi te č rte so v prihodnjih letih služile za izmero odmika ledenika (Šifrer, Košir, 1976). Da pa bi krč enje ledenika č im bolj nazorno beležili, so ga tudi fotografirali. Najprej so določ ili stalne toč ke za fotografiranje: za ujetje celotnega ledenika – Begunjski vrh nad Stanič evo koč o, za ujetje zgornjega robu ledenika – stalna toč ka blizu nekdanjega totalizatorja na vzhodni strani ledenika, z Glave in izpod doma na Kredarici (Šifrer, Košir, 1976). Poleg prej omenjenih preprostih metod izmere oddaljenosti ledenika s pomoč jo kompasa in vrvi ali metra je bil ledenik deležen tudi nekaj geodetskih meritev s teodolitom. Prva geodetska meritev s teodolitom je bila opravljena v letu 1952, naslednja v letu 1995. Z letom 1999 pa so se prič ele geodetske meritve ledenika ali oslonilnih toč k okoli ledenika za potrebe fotogrametrič ne izmere ledenika. Leta 1976 so prič eli ledenik redno, približno enkrat meseč no, fotografirati s panoramskim nemetrič nim fotoaparatom Horizont z dveh stalnih stojišč v okolici Triglavskega doma na Kredarici (Triglav Č ekada et al., 2011). Ledenik je bil v letih 1999 in 2000 deležen tudi georadarskih meritev, s katerimi so izmerili debelino ledenika (Verbič , Gabrovec, 2002). Klasič ne geodetske meritve Leto 1952 Še v č asu svojega študija, leta 1952, je Marjan Jenko skupaj z Ivanom Gamsom in Dušanom Koširjem izvedel prve evidentirane geodetske tahimetrič ne meritve Triglavskega ledenika. Podatki o izmeri so povzeti po Jenko (2002). Izmero ledenika in merilnih toč k zarisanih po grbinah okoli ledenika so izvedli med 1. in 4. oktobrom 1952. Pri izmeri so uporabili teodolit Wild T1 s centezimalno razdelbo in direktnim odč itavanjem 0,01 grada ter zložljivo trimetrsko tahimetrič no lato in nekaj trasirk. Merili so smeri, dolžine in višinske razlike med petimi stojišč i. Višinske razlike med stojišč i so merili obojestransko z natanč nostjo – 5–20 cm na 100 m razdalje (odvisno od naklona). Dolžine so merili optič no, z natanč nostjo – 20–30 cm na 100 m (odvisno od naklona). Zač etno stojišč e je bilo poleg stare koč e na Kredarici, tri stojišč a so bila ob robu ledenika in eno stojišč e na samem ledeniku. Stojišč ne toč ke niso bile stabilizirane. Izmera je bila izvedena v lokalnem koordinatnem sistemu, saj takrat navezava na državni koordinatni sistem preko državne triangulacijske mreže še ni bila mogoč a. Državna triangulacijska mreža je tedaj obstajala le v nižinskih predelih Gorenjske. Višinsko se je izmera navezovala na vznožje južnega vogala takratnega Doma na Kredarici s koto 2515,0 m, ki je bila povzeta s predvojne topografske karte VGI (1 : 25000). Izmera je bila orientirana tudi glede na krajevni meridian, saj je Jenko zveč er opazoval tudi orientacijski priklop na Severnico (z ocenjeno natanč nostjo – 0,005 gradov = 16''). Izmero so uporabili za kartiranje ledenika in njegove bližnje okolice v merilu 1 : 2500. Na nač rt je bil dodan še greben Triglava, ki pa ni bil izmerjen, ampak le prenesen s predvojne topografske karte VGI (1 : 25000). Površina ledenika v tem letu je bila 13 ha. Slika 2: Na (izmera, prera Naslednje geodetske tahimetri sodelavci Geografskega in krasa ZRC SAZU. Tega leta so ledenik izmerili s teodolitom z elektroopti razdaljemerom Leica TCR 307. Dolo pomoč jo katerih je bila izrač merilnih toč k zarisanih po skalah okoli ledenika od leta 1946 naprej. Ob tedanjem spodnjem robu ledenika so dolo oštevilč ene s številkami 51 do 54 in stabi so izvajali v lokalnem koordinantnem sistemu s približno navezavo na državni koordinatni sistem preko grafič nih koordinat vogala novega Doma na Kredarici od merila 1 : 5000. Za potrebe izmere s enkrat pomerjene v državnem koordinatnem sistemu v okviru merske kampanje 1999 (Slika 3). Toč ke 100–104 so stabilizirane z geodetskim vijakom, na katerem piše "Izmera jame": ena leži na poboč ju Glave in ena na vogalu Doma na Kredarici. To Triglav sredi stabilnega granitnega kamna, ki kaže smeri hribov. Ta to vijakom. 9 Slika 2: Nač rt Triglavskega ledenika iz leta 1952 (izmera, prerač uni in kartiranje: Marjan Jenko) Izmera v letu 1995 Naslednje geodetske tahimetrič ne meritve ledenika so opravili 27. septembra 1995 sodelavci Geografskega inštituta Antona Melika ZRC SAZU in Inštituta za raziskovanje krasa ZRC SAZU. Tega leta so ledenik izmerili s teodolitom z elektroopti razdaljemerom Leica TCR 307. Določ ili so koordinate 104 toč k na obodu ledenika, s jo katerih je bila izrač unana njegova površina. Pomerili so tudi koordinate vseh k zarisanih po skalah okoli ledenika od leta 1946 naprej. Ob tedanjem spodnjem robu ledenika so določ ili tudi štiri nove merilne toč ke za ro ene s številkami 51 do 54 in stabilizirane z obstojno barvo. Tahimetri so izvajali v lokalnem koordinantnem sistemu s približno navezavo na državni koordinatni č nih koordinat vogala novega Doma na Kredarici od merila 1 : 5000. Za potrebe izmere so stabilizirali 5 merilnih toč k, ki so bile leta 2001 še enkrat pomerjene v državnem koordinatnem sistemu v okviru merske kampanje 1999 104 so stabilizirane z geodetskim vijakom, na katerem piše "Izmera č ju Glave, dve v bližini stabiliziranih stojišč fotoaparata Horizont in ena na vogalu Doma na Kredarici. Toč ka 102 leži v središč u znaka Zavarovalnice Triglav sredi stabilnega granitnega kamna, ki kaže smeri hribov. Ta toč ka ni stabilizirana z ne meritve ledenika so opravili 27. septembra 1995 štituta Antona Melika ZRC SAZU in Inštituta za raziskovanje krasa ZRC SAZU. Tega leta so ledenik izmerili s teodolitom z elektrooptič nim č k na obodu ledenika, s egova površina. Pomerili so tudi koordinate vseh k zarisanih po skalah okoli ledenika od leta 1946 naprej. Ob tedanjem č ke za roč ne meritve, lizirane z obstojno barvo. Tahimetrič ne meritve so izvajali v lokalnem koordinantnem sistemu s približno navezavo na državni koordinatni nih koordinat vogala novega Doma na Kredarici odč itanih s karte č k, ki so bile leta 2001 še enkrat pomerjene v državnem koordinatnem sistemu v okviru merske kampanje 1999 104 so stabilizirane z geodetskim vijakom, na katerem piše "Izmera č fotoaparata Horizont č u znaka Zavarovalnice Triglav sredi stabilnega granitnega kamna, ki kaže smeri hribov. Ta toč ka ni stabilizirana z 10 Slika 3: Razporeditev poligonskih toč k 100–105 v okolici Triglavskega ledenika, ki so bile stabilizirane že leta 1995. Na ortofotografiji je označ en tudi obseg ledenika v leta 2007. Fotogrametrič ne in tahimetrič ne meritve Geodetska uprava Republike Slovenije že od zač etka 70 let prejšnjega stoletja izvaja ciklič no aerosnemanje (CAS) celotnega območ ja Slovenije z mersko aerokamero velikega formata v merilu snemanja 1 : 17500. Snemanje se izvaja v aerofotogrametrič nih blokih, s katerimi posnamejo celotno območ je Slovenije v ciklu 3 do 4 let. Na posnetkih CAS tako najdemo tudi Triglavski ledenik, vendar ker so snemanja izvedena v različ nih delih leta, le redko naletimo na stereopar, posnet v obdobju od septembra do oktobra, ki bi prikazoval ledenik konec njegove talilne dobe. Uporabni stereoposnetki za fotogrametrič no obdelavo so iz let 1975, 1992, 1994 in 1998. Poleg posnetkov CAS pa ledenik lahko najdemo tudi na posebnem snemanju Posoč ja iz leta 1998 (Triglav, 2001). Ker pa se je ledenik do konca 20. stoletja zelo skrč il po obsegu in volumnu, smo v letu 1999 prič eli s posebnimi fotogrametrič nimi snemanji, ki zajamejo veliko manjše območ je kot stereopar CAS. Leto 1999 Na ledeniku so bile prvič izvedene klasič ne tahimetrič ne geodetske meritve za potrebe izmere oslonilnih toč k za fotogrametrič no snemanje ledenika med 13.–15. septembrom leta 1999, ko je bil ledenik popolnoma razkrit. Uporabljeni so bili elektronski teodolit z laserskim razdaljemerom Leica TC 403L ter merilne prizme. Poleg izmere oslonilnih in poligonskih toč k je bil tahimetrič no izmerjen tudi sam obseg ledenika in trije profili na njem. Geodetska izmera je bila narejena in izravnana v lokalnem koordinatnem sistemu. Oslonilne toč ke so bile zarisane na kamen z vijolič asto barvo v obliki krogov premera približno 0,8 m z dodatnimi stranskimi označ bami. Oslonilne toč ke niso bile stabilizirane. Poleg Geografskega inštituta Antona Melika ZRC SAZU in Geodetskega inštituta Slovenije so v izmeri leta 1999 sodelovali še sodelavci Inštituta za raziskovanje krasa ZRC SAZU in DFG Consultinga d.o.o. V jutranjih urah, še preden je vrh Triglava zač el metati senco na ledenik, dne 15. septembra 1999 smo s pomoč jo helikopterske enote Slovenske vojske izvedli aerosnemanje ledenika z merskim fotoaparatom srednjega formata Rolleiflex 6006. Snemalec je snemanje izvedel iz roke tako, da je bil v helikopter pripet z varovalnimi pasovi in se je med snemanjem nagibal skozi odprta vrata helikopterja (Slika 5). Posneti so bili trije pasovi na treh različ nih oddaljenostih od ledenika. Fotogrametrič no snemanje se je 11 izvedlo tudi s tal, s podobnega stojišč a, kot je uporabljeno za panoramski fotoaparat Horizont. Rezultat fotogrametrič ne izmere je bil nač rt ledenika v merilu 1 : 1000. Leto 2001 V letu 2001 smo v okolici Triglavskega ledenika izvedli prve GPS-meritve oslonilnih toč k. Ker so označ be oslonilnih toč k iz leta 1999 med tem že izginile, je bilo stabiliziranih 9 novih oslonilnih toč k (Slika 4). Toč ke so stabilizirane z vijakom privitim v skalo in zašč itenim z matico. Toč ko signaliziramo tako, da na vijak privijemo 0,5 m dolg drog, naj pa privijemo še okrogel signal premera 0,6 m, ki je obarvan z rožnato barvo. Signali so shranjeni v Triglavskem domu na Kredarici. Poleg sodelavcev Geografskega inštituta Antona Melika ZRC SAZU in Geodetskega inštituta Slovenije so v izmeri leta 2001 sodelovali še 2B d. o. o in Planinska zveza Slovenije. Signale so izdelali in darovali sodelavci 2B d. o. o. Slika 4: Stabilizirana oslonilna toč ka iz leta 2001, posneta ob fotogrametrič nem snemanju 2003 (foto: Miha Pavšek) Hitre statič ne GPS-meritve oslonilnih toč k smo izvedli 16. in 17. oktobra 2001. Na poligonski toč ki 04 smo postavili referenč no GPS-postajo, statič na izmera na vsaki oslonilni toč ki je trajala 20 minut. Oslonilne toč ke smo izmerili na stiku vsake toč ke s terenom. Na toč kah pod steno vrha Triglava se je ta interval raztegnil, saj ves č as intervala meritev ni bilo vidno zadostno število satelitov. Poligonska toč ka 04 je bila stabilizirana v 70-ih letih, zato je bila težko določ ljiva s pomoč jo topografije iz tistega č asa, saj so vmes na novo postavili vetrnico v bližini toč ke, eno navezovalno poligonsko toč ko so prekrili s heliodromom in izginil je č ep toč ke 04. Zato je bila lega poligonske toč ke 04 – naše referenč ne toč ke – še enkrat izmerjena s pomoč jo vektorja med njo in toč ko z znanimi koordinatami v dolini (Kosmatin-Fras et al., 2001). Fotogrametrič no snemaje smo ponovno izvedli iz roke s pomoč jo helikopterja Slovenske vojske z merskim fotoaparatom Rolleiflex 6006 (Slika 5). Zaradi slabe vidljivosti skoraj polovice oslonilnih toč k smo absolutno orientacijo helikopterskih posnetkov izvedli z minimalnim številom oslonilnih toč k (4 toč ke). Zaradi slabe razporeditve uporabljenih oslonilnih toč k in velikega območ ja zajema, ki sega tudi izven območ ja oslonilnih toč k, lahko prič akujemo več ja odstopanja v strmejših delih modela in na robovih modela. Ker pa nas je v tem letu prehitel že prvi sneg, smo lahko s pomoč jo stereoposnetkov izmerili samo območ ja prekrita s snegom, samega ledenika pa ne. 12 , Slika 5: Pogled na ledenik 2001 skozi helikopterjeva vrata med fotogrametrič nim snemanjem. V desnem vogalu je fotograf Stane Tršan s fotoaparatom Rolleiflex v naroč ju (foto: Mihaela Triglav Č ekada). Ker pa je bil stereomodel iz leta 2001 izmerjen in izrač unan v globalnem koordinatnem sistemu WGS84 ter naknadno transformiran v Gauss-Krugerjev koordinatni sistem, je bil nanj pretvorjen tudi model iz leta 1999, ki je bil izmerjen v lokalnem koordinatnem sistemu ter geodetske meritve iz leta 1995, ki so bile prav tako izmerjene v lokalne koordinatnem sistemu. Pretvorba je bila izvedena s pomoč jo sedemparametrič ne prostorske transformacije preko devetih veznih toč k vidnih na obeh modelih zajetih na analitič nem fotogrametrič nem instrumentu Adam Promap. Rezultat fotogrametrič ne izmere je bil nač rt v merilu 1 : 1000. Leto 2003 Da bi se izognili novemu jesenskemu snegu, ki nam bi prekril ledenik, smo se na fotogrametrič no snemanje ledenika v letu 2003 odpravili že 26. avgusta. Nač rtovali smo tudi stabilizacijo več jega števila zač asnih oslonilnih toč k. Geodetske tahimetrič ne meritve smo izvedli z elektronskim teodolitom z razdaljemerom Leica TC 403L. Geodetske meritve smo izvedli v globalnem koordinatnem sistemu, saj smo se navezali na oslonilne toč ke izmerjene z GPS-meritvami v letu 2001. Poleg novih oslonilnih toč k (6 novih toč k) smo še enkrat pomerili poligonske toč ke (9 toč k) merjene v lokalnem koordinatnem sistemu leta 1999 in nekatere merilne toč ke (12 toč k), od katerih so v preteklosti izvajali roč ne meritve odmika ledenika sodelavci Geografskega inštituta Antona Melika. 28. avgusta smo ponovno izvedli helikoptersko fotogrametrič no snemanje iz roke s fotoaparatom Rolleiflex 6006. Na treh različ nih višinah nad ledenikom smo posneli tri snemalne pasove. Za stereorestitucijo smo uporabili posnetke narejene na najmanjši višini nad ledenikom. Oslonilne toč ke iz leta 2001 smo signalizirali s signali (Slika 4), nove pa smo stabilizirali z vijakom in pobarvali z neobstojnimi barvami. Izdelek meritev in fotogrametrič nega snemanja je bil ponovno 3D-nač rt ledenika in terena v njegovi okolici v merilu 1 : 1000. Leto 2005 Ker smo želeli pravilno umestiti v prostor tudi starejše podatke in posnetke ledenika, smo se za razliko od prejšnjih fotogrametrič nih snemanj, ko smo snemali ožje območ je ledenika, odloč ili, da v letu 2005 posnamemo celotno območ je med robom Triglavske severne stene in vrhom Triglava. Ker je to širše območ je veliko približno 1,5 km 2 , smo se 13 odloč ili za klasič no aerosnemanje s fotogrametrič no kamero velikega formata Leica RC 30 v barvni tehniki. Aerosnemanje z dveh višin (različ nih meril snemanja) so izvedli sodelavci Geodetskega zavoda Slovenije v jutranjih urah 25. avgusta 2005. Že dan prej smo stabilizirali in izmerili nove (13 na novo stabiliziranih toč k) in stare oslonilne toč ke (Slika 6) na širšem območ ju snemanja. Slika 6: Razporeditev oslonilnih toč k signaliziranih leta 2005 na izseku ortofota. Označ ena je tudi pot dostopa do novih oslonilnih toč k (izris: Matija Klanjšč ek). Sama geodetska izmera oslonilnih toč k je potekala na dva nač ina: izmera novih in starih oslonilnih toč k na ožjem območ ju ledenika s tahimetrič no izmero in izmera novih oslonilnih toč k na širšem območ ju s hitro statič no izmero (20-30 minut) ali izmero VRS RTK GPS, odvisno od dosegljivosti-GSM signala (Kozmus in Stopar, 2003). GPS-izmera se je vršila v koordinatnem sistemu ETR89, naknadno pa je bila transformirana v Gauss- Krugerjev koordinatni sistem na osnovi lokalnih transformacijskih parametrov. Pri tahimetrič ni izmeri je bil uporabljen elektronski teodolit Leica TCR 403, pri GPS-izmeri pa GPS-sprejemnik Trimble R8. Nove oslonilne toč ke so bile stabilizirane z vijakom in signalizirane z narisanimi kraki križa rožnate neobstojne barve. Kraki križa so bili široki 20 cm in dolgi 1,5 m (Slika 7). Žal pa se ves novi sneg iz pretekle zime v č asu naših meritev še ni stalil in je zato tudi izmerjeni obseg ledenika več ji kot v letu 2003. Slika 7: Signalizacija oslonilne toč k in njena GPS-izmera v letu 2005 (foto: Matija Klanjšč ek in Blaž Barborič ) 14 Obdobje 2007–2011 V letu 2007 nas je pred meritvami prehitel novi sneg v avgustu in zač etku septembra. Zato smo se na ledenik odpravili 13. in 14. septembra, ko se je novi sneg deloma že stalil. Namen geodetske izmere in fotogrametrič nega snemanja je bila dokumentacija ožjega območ ja trenutnega stanja ledenika. Zaradi majhnega obsega ledenika in njegovega robu, ki je bil deloma prekrit še z novim snegom, smo se odloč ili za detajlno tahimetrič no izmero njegovega oboda in toč k na sami površini ledenika. Sodelavci Geografskega inštituta Antona Melika so tako ob sami izmeri določ ili, kje je meja ledenika in kje je novi sneg. To je tudi poenostavilo fotointerpretacijo posnetkov v pisarni. Slika 8: Zač asna signalizacija oslonilnih toč k okoli ledenika v letu 2007 (foto: Mihaela Triglav Č ekada) Tahimetrič na izmera se je izvajala s stojišč a 52 – merilna toč ka geografov, ki je bila zarisana s trajno barvo in prvič izmerjena leta 1995. Sedaj smo jo navezali na poligonske toč ke okoli Triglavskega doma na Kredarici in na Glavi (Slika 3). Poligonske toč ke na obodu in profilih ledenika smo izmerili na vsakih 5 metrov razdalje. Tako smo že na samem terenu izmerili digitalni model višin ledenika, ki smo ga s pomoč jo stereorestitucije fotogrametrič nih posnetkov v pisarni samo še zgostili. Skupno smo v dveh dneh tahimetrič ne izmere izmerili 531 detajlnih toč k. Slika 9: Zač asna signalizacija oslonilnih toč k na ledeniku v letu 2007 (foto: Mihaela Triglav Č ekada) Pred terestrič nim fotogrametrič nim snemanjem so bile na novo signalizirane in izmerjene nove oslonilne toč ke, ki so se ležale neposredno ob robu ledenika in tudi na samem ledeniku. Oslonilne toč ke na obodu ledenika so bile signalizirane z neobstojno barvo (Slika 8), toč ke na ledeniku pa z zač asnimi oslonilnimi toč kami (Slika 9). Nove 15 oslonilne toč ke na skalah so bile stabilizirane s trajno označ bo. Terestrič no fotogrametrič no snemanje z merskim fotoaparatom Rolleiflex 6006 smo izvedli iz neposredne bližine ledenika (zraven merilne toč ke geografov 52) in s poboč ja poleg Triglavskega doma na Kredarici (zraven poligonske toč ke 101). Ker se je kombinacija tahimetrič ne in terestrič ne fotogrametrič ne izmere v letu 2007 izkazala za logistič no enostavno, smo se 27. in 28. avgusta 2008 ponovno lotili enake izmere. Ledenik je bil tudi tedaj deloma zakrit s starim snegom, zato smo rob ledenika določ ili na samih terenskih meritvah. Za terestrič no fotogrametrič no izmero smo ponovno uporabili zač asne oslonilne toč ke na ledeniku in merski fotoaparat Rolleiflex 6006. Kombinacijo terestrič ne fotogrametrije in tahimetrič ne izmere smo ponovili tudi 22. in 23. septembra 2009. Ledenik je bil v č asu meritev še popolnoma zakrit s snegom iz pretekle zime, zato smo obod ledenika določ ili na terenu in ga izmerili tahimetrič no. Spet smo uporabili zač asne oslonilne toč ke ter merski fotoaparat Rolleiflex 6006. Slika 10: Ledenik 2011 (foto: Miha Pavšek) Po še eni obilni zimi smo tahimetrič ne in terestrič ne fotogrametrič ne meritve ledenika ponovili 14. in 15. septembra 2010. Ponovno smo signalizirali in izmerili zač asne oslonilne toč ke ter uporabili merski fotoaparat Rolleiflex 6006. V letu 2011 smo ledenik merili 13. in 14. septembra prav tako tahimetrič no in s terestrič no fotogrametrijo (Slika 10). Sklep V č lanku so opisane preproste in geodetske metode izmere umikanja ledenika. Skozi dolgo zgodovino meritev Triglavskega ledenika, od leta 1946 naprej, se je zvrstilo kar nekaj različ nih metod kontaktne izmere: od roč nih meritev, klasič nih geodetskih tahimetrič nih meritev do GPS-izmere po dveh metodah. Geodetske meritve so osnova na katero se navezujejo tudi brezkontaktne metode izmere, kot so fotogrametrič ne in georadarske meritve. Poleg različ nih uporabljenih tehnik klasič ne geodetske izmere smo na ledeniku preizkusili tudi različ ne postavitve fotogrametrič nih snemanj: od terestrič nega, aerosnemanja iz helikopterja z merskim fotoaparatom srednjega formata do klasič nega posebnega aerosnemanja z letalom z merskim fotoaparatom velikega formata. Slika 11: Površine led Rezultat geodetskih meritev je obod ledenika, ki je osnova za izra izmerjene še toč ke na površini ledenika, lahko tudi podajamo ocene o prostornini ledenika. Leta 1952 je ledenik obsegal 13 ha, leta 2007, ko je imel 0,6 ha. Med leti 2008 in 2011 pa je ledenik ohranjal svojo površino, predvsem zaradi obilnih zim. V teh letih ledenik v terenu nismo mogli loč iti meje med snegom in led podobna površini iz 90-ih let prejšnjega stoletja. Geodetske metode izmere ledenika so dobra osnova za navezavo in kontrolo nemerskih podatkov. Med take lahko štejemo obdelavo arhivskih nemerskih posnetkov, ki so vir neprecenljivih zgodovinskih podatkov o podrobnih spremembah površine ledenika še pred prič etkom klasič nih geodetskih izmer. Za opis geodetske izmere in kartografske obdelave podatkov iz leta 1952 se zahvaljujemo g. Marjanu Jenku. Za detajle o g. Franju Droletu. Zahvaljujemo se tudi oskrbnikom Doma na Kredarici, ki so v vseh letih bili pripravljeni sodelovati z merskimi ekipami, med drugim so pomagali pri prevozih in skladišč enju opreme na Kredarici. SAZU (GIAM), deloma tudi v okviru ARRS podnebnih sprememb, Projekt ARRS L6 možnost strokovnega sodelovanja na tako zani Šifrer, M., Košir. D. 1976. Nova dognanja na Triglavskem ledeniku in ledeniku pod Skuto 1963 1973, Geografski zbornik XV/3, Ljubljana. Šifrer, M. 1986. Triglavski ledenik v letih 1974 Gabrovec, M. 1998. Triglavski ledenik v letih 1986 16 Slika 11: Površine ledenika od 1995- 2011 Rezultat geodetskih meritev je obod ledenika, ki je osnova za izrač un obsega. ke na površini ledenika, lahko tudi podajamo ocene o prostornini ledenika. Leta 1952 je ledenik obsegal 13 ha, leta 2007, ko je imel najmanjšo površino, pa samo še 0,6 ha. Med leti 2008 in 2011 pa je ledenik ohranjal svojo površino, predvsem zaradi obilnih zim. V teh letih ledenik v č asu meritev nikoli ni bil popolnoma razkrit in zato na č iti meje med snegom in ledom, zato je bila njegova površina zopet ih let prejšnjega stoletja. Geodetske metode izmere ledenika so dobra osnova za navezavo in kontrolo nemerskih podatkov. Med take lahko štejemo obdelavo arhivskih nemerskih posnetkov, ki so vir neprecenljivih zgodovinskih podatkov o podrobnih spremembah površine ledenika še pred nih geodetskih izmer. Zahvala Za opis geodetske izmere in kartografske obdelave podatkov iz leta 1952 se zahvaljujemo g. Marjanu Jenku. Za detajle o geodetski izmeri iz leta 1995 se zahvaljujemo g. Franju Droletu. Zahvaljujemo se tudi oskrbnikom Doma na Kredarici, ki so v vseh letih bili pripravljeni sodelovati z merskimi ekipami, med drugim so pomagali pri prevozih in enju opreme na Kredarici. Izmere je finanč no omogoč il Geografski inštitut ZRC SAZU (GIAM), deloma tudi v okviru ARRS-projekta Triglavski ledenik kot pokazatelj podnebnih sprememb, Projekt ARRS L6-7136. Sodelavcem GIAM se zahvaljujemo za možnost strokovnega sodelovanja na tako zanimivem delovišč u, kot je Triglavski ledenik. Literatura Šifrer, M., Košir. D. 1976. Nova dognanja na Triglavskem ledeniku in ledeniku pod Skuto 1963 1973, Geografski zbornik XV/3, Ljubljana. Šifrer, M. 1986. Triglavski ledenik v letih 1974-1985, Geografski zbornik XXVI/3, Ljubljana. Gabrovec, M. 1998. Triglavski ledenik v letih 1986-1998, Geografski zbornik XXVIII, Ljubljana. č un obsega. Č e imamo ke na površini ledenika, lahko tudi podajamo ocene o prostornini ledenika. najmanjšo površino, pa samo še 0,6 ha. Med leti 2008 in 2011 pa je ledenik ohranjal svojo površino, predvsem zaradi asu meritev nikoli ni bil popolnoma razkrit in zato na om, zato je bila njegova površina zopet Geodetske metode izmere ledenika so dobra osnova za navezavo in kontrolo nemerskih podatkov. Med take lahko štejemo obdelavo arhivskih nemerskih posnetkov, ki so vir neprecenljivih zgodovinskih podatkov o podrobnih spremembah površine ledenika še pred Za opis geodetske izmere in kartografske obdelave podatkov iz leta 1952 se geodetski izmeri iz leta 1995 se zahvaljujemo g. Franju Droletu. Zahvaljujemo se tudi oskrbnikom Doma na Kredarici, ki so v vseh letih bili pripravljeni sodelovati z merskimi ekipami, med drugim so pomagali pri prevozih in il Geografski inštitut ZRC projekta Triglavski ledenik kot pokazatelj 7136. Sodelavcem GIAM se zahvaljujemo za u, kot je Triglavski ledenik. Šifrer, M., Košir. D. 1976. Nova dognanja na Triglavskem ledeniku in ledeniku pod Skuto 1963- ki zbornik XXVI/3, Ljubljana. 1998, Geografski zbornik XXVIII, Ljubljana. 17 Gabrovec, M., Peršolja, B. 2004. Triglavski ledenik izginja, Geografski obzornik, str.18-23. Gabrovec, M. et al. 2005. Triglavski ledenik kot pokazatelj podnebnih sprememb, Projekt ARRS L6-7136, prvo vmesno poroč ilo, november 2005, Geografski inštitut Antona Melika ZRC SAZU in Geodetski inštitut Slovenije. Gabrovec, M. et al. 2006. Triglavski ledenik kot pokazatelj podnebnih sprememb, Projekt ARRS L6-7136, drugo vmesno poroč ilo, maj 2006, Geografski inštitut Antona Melika ZRC SAZU in Geodetski inštitut Slovenije. Gabrovec, M. et al. 2007. Triglavski ledenik kot pokazatelj podnebnih sprememb, Projekt ARRS L6-7136, tretje vmesno poroč ilo, november 2007, Geografski inštitut Antona Melika ZRC SAZU in Geodetski inštitut Slovenije. Jenko, M. 2002. O geodetski izmeri Triglavskega ledenika leta 1952, osebni zapiski, hrani jih arhiv Geografskega inštituta Antona Melika, ZRC SAZU. Kosmatin-Fras, M. et al. 2001. Elaborat izdelave topografskih nač rtov Triglavskega ledenika v letih 1999 in 2001, Geodetski inštitut Slovenije, Ljubljana. Kozmus, K., Stopar, B., 2003. Nač in določ anja položaja s satelitskimi tehnikami, Geodetski vestnik 47:4, pp. 404-413. Meze, D. 1955. Ledenik na Triglavu in kuti, Geografski zbornik 3, Ljubljana. Verbič , T., Gabrovec, M. 2002. Georadarske meritve na Triglavskem ledeniku, Geografski vestnik, 74-1, str. 25-42. Triglav, M. 2001. Določ itev sprememb površja Triglavskega ledenika s fotogrametrijo, diplomsko delo, FGG, Ljubljana. Triglav-Č ekada et al. 2011. Acquisition of the 3D boundary of the Triglav glacier from archived non-metric panoramic images, Photogrammetric Record, 26 (133), str. 111-129. 19 Geomorfometrič ne analize Marsa pri uporabi DMR-ja Tomaž Podobnikar * , BalÆzs SzØkely ** Povzetek Prispevek obravnava izbrane možnosti uporabe geomorfometrič nih analiz pri uporabi digitalnega modela reliefa (DMR) planetov, konkretno Marsa. Primerjali smo geomorfološke znač ilnosti Marsa s tistimi na Zemlji ter ugotavljali možnosti za primerljivost ter parametrizacijo. Testirali smo štiri različ ne metode za iskanje geomorfoloških oblik na Marsu, s poudarkom na iskanju vršajev, in sicer: (1) metodo vizualizacije z različ nimi tehnikami ter vizualno analizo v različ nih merilih, (2) izdelavo naprednih spremenljivk na osnovi geomorfometrič nih analiz DMR-ja ter klasifikacijo na z metodo ISOcluster, (3) uporabo več naprednih spremenljivk na osnovi geomorfometrič nih analiz DMR-ja pri izdelavi odloč itvenega modela vršajev in (4) robustno polkvantitativno klasifikacijo na osnovi segmentacije. Vse metode dajejo medsebojno primerljive rezultate. Nalogo smo izvajali na DMR-ju loč ljivosti 50 m, ki je bil izdelan s pomoč jo posnetkov kamere HRSC na satelitu Mars Express istoimenske misije Evropske vesoljske agencije (ESA). Uvod Pri geomorfoloških analizah si lahko pomagamo tako s kvalitativnimi pristopi kot tudi s kvantitativnimi, med katere spada geomorfometrija. Č eprav je bilo veliko geomorfometrič nih metod razvitih že pred stoletji, se je geomorfometrija kot veja znanosti zač ela razvijati šele s praktič no izvedbo digitalnega modela reliefa (DMR) (Miller in Laflamme, 1958). Ena zanimivejših vej uporab DMR-ja so analize zemeljskega površja. Razvitih je več je število metod za klasifikacijo celotnega površja ali identifikacijo in opis izbranih znač ilnosti površja na podlagi analiz oblik, tekstur, različ nih vrst kontekstov, v več merilih, na podlagi analiz izvedenih spremenljivk reliefa ipd. (Podobnikar, 2012). Raziskovalci se danes ukvarjajo predvsem z metodami za obdelavo viskoloč ljivostnih lidarskih podatkov, ki neposredno uporabljajo oblak zajetih toč k (in ne DMR) ter temeljijo na integraciji podatkov in metod, na adaptivnih pristopih ipd. (Podobnikar, 2005, Podobnikar in Vreč ko, 2012). Z analizo površja lahko pri izključ ni uporabi DMR-ja (ali lidarskega oblaka toč k) nadalje sklepamo na lastnosti in pojave, ki nimajo neposredne zveze s površjem. Sklepamo lahko npr. na izbrane lastnosti geološke sestave, geofizikalnih procesov in še na marsikatere naravne (in tudi družbeno-ekonomske) znač ilnosti. To dejstvo še posebej pripomore pri preuč evanju planetov, lun (naravnih satelitov) ali asteroidov, ki jih zaenkrat dejansko ne moremo preuč evati in situ, ampak le z metodami daljinskega zaznavanja. Metodološko je pri tem pomembna zmožnost primerjave znač ilnosti površja, ki jih poznamo na Zemlji, s tistimi, ki jih preuč ujemo na izbranem planetu. Ne glede na to, da so fizič ne oz. geomorfološke lastnosti planetov različ ne zaradi različ nih procesov pri njihovem razvoju, lahko v praksi najdemo veliko relativno podobnih znač ilnosti, ki pa se zagotovo razlikujejo v nekaterih podrobnostih. Geomorfološke/geomorfometrič ne analize * ZRC SAZU, Novi trg 2, SI-1000 Ljubljana in UL, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo , Jamova 2, SI- 1000 Ljubljana ** Oddelek za geofiziko in vesoljske znanosti, Univerza Eötvös, PÆzmÆny P. sØtÆny 1/C, H-1117 Budimpešta, Madžarska in TU Dunaj, Inštitut za fotogrametrijo in daljinsko zaznavanje, Gußhausstraße 27–29, A-1040 Dunaj, Avstrija 20 planetov so torej raziskovalni izziv. Primer je preuč evanje lastnosti planetov, s č imer bolje razumemo procese na posameznem planetu in obratno: razumevanje določ enih znač ilnosti planetov lahko pomaga pri preuč evanju pojavov na Zemlji. V č lanku se osredotoč amo na planet Mars. Razprava se zač ne s primerjavo geomorfoloških znač ilnosti Zemlje in Marsa. Nadaljuje se s predstavitvijo projekta Mars Express, v okviru katerega se izdeluje natanč en DMR celotnega planeta. Razprava se zaključ i s predstavitvijo raziskave iskanja vršajev pri uporabi DMR Marsa za izbrana testna območ ja. Primerjava geomorfoloških znač ilnosti Zemlje in Marsa V tem poglavju prikazujemo izbrane znač ilnosti, predvsem (areo)morfološke (Mars = Ares, Zemlja = Gea), tako na Zemlji kot na planetu Marsu. Slika 1 (a) prikazuje del največ je doline v našem osonč ju, Valles Marineris na Marsu, z vršaji. Pokrajino, ki je zelo podobna tisti na Marsu, najdemo v pušč avi Atacama. V prikazanem primeru (b) se dolina z vršaji zajeda v pušč avsko pokrajino. Razlike v prikazanih primerih so predvsem v znač ilnostih primerljivih vršajev fine mivke, saj so tisti na Marsu praviloma položnejši. a) b) Slika 1 – Pokrajina z dolino: (a) območ je v Vzhodni Candor Chasmi, Valles Marineris, Mars (6º 18' J, 69º 10' Z) (HiRISE, NASA, 21.1.2008, Google Mars) in (b) podobna pokrajina v Atacami: dolina reke Lluta (18º 25' J, 70º 00' Z) (fotografija: Podobnikar, 13. 11. 2009) Naslednji primer prikazuje vulkanizem (Slika 2). Prikazan je največ ji vulkan v našem osonč ju, Olympus Mons (a), ki je visok 22 km, kaldera je velikosti 60 krat 80 km in globoka do 3,2 km. Celotna površina vulkana je bistveno več ja od Slovenije. Povpreč ni naklon vulkana je le 5º. Glede na velikost planeta in dimenzije vulkana, z roba kaldere ne bi videli podnožja. Na Marsu je sicer še nekaj zelo velikih vulkanov, hkrati pa tudi mikro vulkanov dimenzij v rangu nekaj 100 m. Zemeljski vulkani so v primerjavi z vulkani istega tipa na Marsu precej manjši (b) ter drugih proporcev. 21 a) b) Slika 2 – Vulkani: (a) Olympus Mons, Mars (18º 15' S, 133º 15' Z) (analitič no senč en relief na osnovi vira: MOLA, NASA), (b) Pomerape in Cerro Prinacota, Atacama (18º 10' J, 69º 9' Z) (fotografija: Podobnikar, 13. 11. 2009) Naslednji primer (Slika 3) obravnava sledi, ki jih za sabo pušč ajo vrtinci pušč avskega peska. Od daleč izgledajo kot dim, ki se lijakasto širi v višino. Nastajajo zaradi lokalnih anomalij temperature oz. zrač nega tlaka pri segrevanju sonca. Taki vrtinci nastajajo na več jem delu Zemlje in tudi Marsa. Največ ji in najvidnejši so v pešč enih pušč avah na obeh planetih. Na Marsu že nekaj č asa opažajo temne (redko tudi svetle) sledi, ki ostanejo za takimi vrtinci (a). Do pred kratkim je bil vzrok za nastanek sledi za vrtinci neznanka, poleg tega pa podobnega pojava niso opazili na Zemlji. Uganko je razrešila skupina z Reissom (b), ki je v pušč avi Turpan, Kitajska (Grossman, 2011), ugotovila, da vrtinec odstrani zelo fino mivko, katere zrna so manjša od približno 60 µ m. Sledi vrtincev so našli tako na satelitskem posnetku kot pri terenskem pregledu. Te sledi so sicer precej manj izrazite kot tiste na Marsu. V opisanem primeru podobnega pojava na Zemlji verjetno še dolgo č asa ne bi odkrili, č e ne bi imeli oč itnega zgleda na Marsu. a) b) Slika 3 – Vrtnici pušč avskega peska: (a) Mars (26º 40' S, 62º 50' V) (HiRISE, NASA, 24. 8. 2009), (b) pušč ava Turpan, Kitajska (42º 40' S, 89º 50' V) (Reiss et al. 2011, Quickbird 3. 4. 2005) Primer pokrajine, za katero še niso našli odgovarjajoč e na Zemlji, je t. i. geomorfološka oblika »švicarski sir«. Vzorci te pokrajine se spreminjajo (območ ja vboklin »rastejo« 1 do 3 m letno) in jih najdemo na južnem polu Marsa (Slika 4). Predvidevajo, da gre za sloje 22 zmrznjenega ogljikovega dioksida (CO 2 ) v debelini okoli 8 m in dimenzij nekaj sto metrov, ki ležijo na ledu vode (H 2 0) (Byrne, 2002). Slika 4 – Pokrajine na Marsu, za katere še niso odkrili primerljivih na Zemlji: primer za obliko z imenom »švicarski sir« v bližini južnega pola (HiRISE, 28. 8. 2007, NASA) Poleg obravnavanih primerov je na planetu Mars še veliko drugih primerov geomorfoloških oblik in površinskih procesov, ki so relativno enostavno primerljivi s tistimi na Zemlji. Primeri tistih, ki so relativno dobro raziskani, so proženje plazov in nastajanje vršajev (v daljni preteklosti so jih oblikovale tudi reke), meteoritski kraterji (teh je na Zemlji vidnih le 182; Earth Impact Database, 2011), okamneli tokovi lave, klifi, pušč avske eolsko oblikovane sipine ipd. Manj raziskani so gejzirji, č rne č rte (drug material pod plazovi prahu (?), voda (?), organizmi (?)) itd. Pri raziskavah planeta Marsa s pomoč jo senzorjev (tipal) daljinskega zaznavanja se sooč amo z naslednjimi pomembnejšimi razlikami v primerjavi z opazovanji na Zemlji: • atmosferski vplivi so na Marsu manjši kot na Zemlji [prednost] • na Marsu ni vegetacije in (še zelo malo) antropogenih vplivov [prednost] • površje Marsa je precej manj razgibano kot zemeljsko ter pušč avsko [problem slikovnega ujemanja in s tem položajne natanč nosti prostorskih podatkov] • površje Marsa je precej starejše od zemeljskega (predvsem posledica neizrazite tektonike, manj izrazite erozije, vulkanizma, procesov poledenitve ipd.), kar se odraža npr. tudi v tem, da je na Marsu vidnih veliko meteoritskih kraterjev [procese spreminjanja površja lahko spremljamo dlje v preteklost] Projekt Mars Express in DMR planeta Misija oz. odprava Evropske vesoljske agencije (ESA) Mars Express (2011) je dobila ime po umetnem satelitu, ki so ga izstrelili z Zemlje 2. 6. 2003. Satelit je v orbiti Marsa od 25. 12. 2003. Naziv »express« je misija dobila zato, ker je bila cenejša od primerljivih, poleg tega pa je bila njena izvedba relativno hitra. Misijo še vedno podaljšujejo, trenutno predvidevajo, da jo bodo zaključ ili leta 2014. Satelit ima maso 1120 kg in je opremljen z velikim številom instrumentov. 23 Za izdelavo DMR-ja je najpomembnejši instrument »High Resolution Stereo Camera« (HRSC) (Jaumann et al., 2007). Gre za kamero (fotografski aparat) dimenzij 515 x 300 x 260 mm, mase 20,4 kg, porabe 48,7 W, s 5 pankromatskimi in 4 barvnimi kanali (modri, zeleni, rdeč i in NIR) t. i. »full colour«, s poljem vidnosti 11,9º, s senzorjem CDD 9 x 5272 pikslov (stereo kot ± 18,9º), z loč ljivostjo 10 m/piksel (maksimalno 2 m), s širino signala 52,2 km (vsi podatki so izrač unani glede na orbito 250 km višine). Kamera vsebuje tudi »Super Resolution Channel« (SRC). Izdelali so jo skupaj na DLR, FU Berlin in ESA. Gre torej za projekt Evropske vesoljske agencije s 43 raziskovalnimi skupinami iz 10 držav (brez Slovenije). Izdelan je bil DMR z loč ljivostjo 50 m in natanč nostjo okoli 10 m (Heipke et al., 2007), ki je bil dodatno izboljševan (predvsem zaradi napak slikovnega ujemanja na geomorfološko neizraziti pokrajini, slabih kontrastov na več jih osvetljenih ali osenč enih površinah, ujemanja pasov in interpolacije ter s tem pojavljanja grobih napak, Slika 5). Problem je tudi različ na loč ljivost originalnih posnetkov, kar je posledica izrazito eliptič ne orbite satelita Mars Express. DMR je izdelan na osnovi stereoparov ter slikovnega ujemanja. Mars je v več jem delu pokrit z DMR-jem te loč ljivosti, kar pomeni, da imamo za Mars kot celoto na voljo DMR več je loč ljivosti kot za Zemljo. Ob tem velja omeniti tudi druge DMR-je planeta Marsa. Trenutno najboljši DMR za celoten planet je bil izdelan s pomoč jo instrumenta Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) (laserski višinomer) na satelitu Mars Global Surveyor (MGS), NASA (MOLA, 2007). MGS je bil izstreljen 7. 11. 1996, deloval je do leta 2001. Šlo je za misijo kartiranja Marsa v treh letih, ki pa je dejansko trajala štiri leta in pol. Prvi podatki so na voljo od leta 2000, konč na različ ica pa od 7. 5. 2003. Loč ljivost DMR-ja je 128 pikslov na kotno stopinjo ali pribl. 500 m na ekvatorju. Izboljšan DMR je izdelan na osnovi misije MOLA Mission Experiment Gridded Data Record (MEGDR) in je na voljo od leta 2003. a) b) Slika 5 – (a) DMR HRSC in napake zaradi problemov slikovnega ujemanja na neizrazitem površju Nanedi Valles (7º S, 48º Z), (b) problem natanč nosti DMR-ja MOLA na poboč ju Zahodne Candor Chasme, Valles Marineris (6º J, 77º Z) – valovitost reliefa (Google Mars) Najstarejši digitalni model celotnega Marsa je bil izdelan z digitalizacijo izohips topografskih kart Marsa v merilu 1 : 2.000.000 in interpolacijo v loč ljivost 64 pikslov na kotno stopinjo. Najnatanč nejši modeli Marsa so izdelani s pomoč jo instrumenta »High Resolution Imaging Science Experiment« (HiRISE), NASA, na satelitu Mars Reconnaissance Orbiter, ki pa so le lokalni in so še posebej uporabni za natanč en posnetek območ ij pristajanja satelitov (primer za Phoenix, Slika 6). 24 Slika 6 – DMR na osnovi HiRISE (68º S, 126º Z) (NASA, 24. 5. 2008) Predstavitev raziskave iskanja vršajev pri uporabi DMR-ja Marsa Nestabilna poboč ja dolin so pogosto pokrita z vršaji (z grušč i ali s podžlebnimi melišč i) (Podobnikar in SzØkely, 2008). Geomorfološka oblika različ nih tipov vršajev je določ ena z materialom (gradivom), ki ga sestavlja (pogosto gre za slabo razvršč en material). Oblika vršajev na Marsu je pogojena glede na Zemlji različ ne okoljske pogoje: manjša gravitacija (pribl. 38 % zemeljske), (danes) pomanjkanje fluvialne erozije, več prostega materiala (pogosto vetrnih nanosov), in znač ilna velika območ ja poboč ij – kar pomeni, da so vršaji pomembne morfološke znač ilnosti na Marsu. Cilj raziskave je izključ na uporaba DMR-ja. Prednosti uporabe DMR-ja v primerjavi s posnetki daljinskega zaznavanja so (SzØkely in Podobnikar, 2009): (i) popolna kontrola procesiranja, saj zanemarimo položaj sonca, vremenske in atmosferske pogoje, (ii) možnost relativno enostavnega spreminjanja merila in (iii) možnost kombiniranja različ nih metod. Pomanjkljivosti so: nizka stopnja določ anja detajlov (predvsem za Mars) in možnost pojavljanja grobih napak na DMR-ju. Izvedli smo raziskavo iskanja vršajev na različ nih območ jih planeta Marsa. Uporabljali smo omenjeni DMR HRSC loč ljivosti 50 m. Slika 7 prikazuje pomembnejši testni območ ji (a) Zahodna Candor Chasma in (b) Nanedi Valles. a) b) 25 Slika 7 – Testni območ ji za identifikacijo vršajev: (a) Zahodna Candor Chasma (6º J, 77º Z), (b) Nanedi Valles (7º S, 48º Z). Območ ja potencialnih vršajev so vidna kot gladke površine na poboč jih. V vseh primerih smo delali vzporedne analize s primerljivimi območ ji na Zemlji, predvsem na območ ju Slovenije in Avstrije (SzØkely in Podobnikar, 2008). Analize so predvsem primerjale podobne geomorfološke oblike, podatke ter posledič no parametre analiz. Pri analizah smo testirali tudi različ no programsko opremo. V nadaljevanju navajamo štiri napredne tehnike ter rezultate, in sicer: • metoda vizualizacije z različ nimi tehnikami ter vizualna analiza (v različ nih merilih) (Podobnikar in Dorninger, 2007, Slika 8), • izdelava naprednih spremenljivk na osnovi geomorfometrič nih analiz DMR-ja ter klasifikacija na osnovi ISOcluster (SzØkely et al., 2002; SzØkely in Podobnikar, 2009, Slika 9), • uporaba več naprednih spremenljivk na osnovi geomorfometrič nih analiz DMR-ja pri izdelavi odloč itvenega modela vršajev (SzØkely in Podobnikar, 2009, Slika 10), • robustna polkvantitativna klasifikacija na osnovi segmentacije (SzØkely et al., 2011, Slika 11). Vse tehnike so podrobneje opisane v navedenih publikacijah, v tej predstavitvi pa so rezultati prikazani le s slikami rezultatov. Navedene tehnike upoštevajo tako kvalitativne kot kvantitativne pristope. Slika 8 – Vizualizacija geomorfoloških oblik ter vizualna analiza (Thaumasia Fossae, DMR HRSC, orbita 266, 43º J, 95º Z) 26 Slika 9 – Klasifikacija na osnovi metode ISOcluster. Površina vršajev je označ ena z rdeč o. Na območ ju med rdeč ima pasovoma je dolina (vallis), Nanedi Valles (DMR HRSC, orbita 1235, 7º S, 48º Z). Slika 10 – Izdelava potencialne ploskve vršajev na osnovi odloč itvenega modela. Temnejši odtenek pomeni več ji potencial za pojavljanje vršajev, Nanedi Valles (DMR HRSC, orbita 1235, 7º S, 48º Z). 27 Slika 11 – Robustna polkvantitativna klasifikacija na osnovi segmentacije. Č rna barva predstavlja potencialna območ ja vršajev, Nanedi Valles (DMR HRSC, orbita 1235, 7º S, 48º Z). Zaključ ki V razpravi smo primerjali izbrane geomorfološke znač ilnosti Marsa s tistimi na Zemlji ter ugotavljali možnosti za primerljivost ter parametrizacijo. Osredotoč ili smo se na sloj 28 DMR-ja, in sicer izdelanega na osnovi satelitskih posnetkov kamere HRSC, ki deluje v projektu Mars Express. Primerjalno smo uvedli štiri različ ne razvite metode za iskanje geomorfoloških oblik na Marsu, s poudarkom na iskanju vršajev. Vse metode dajejo primerljive rezultate, in sicer na podlagi rezultatov medsebojne primerjave in primerjave s podatki Google Mars. Dosedanja primerjava je temeljila na enostavnem prekrivanju rezultatov in osnovni statistič ni primerjavi ter na metodah vizualne primerjave (Podobnikar, 2009). Metode in rezultate kvalitativnih in kvantitativnih analiz bo možno v naslednji fazi raziskav na več nač inov analizirati in jih integrirati v natanč nejše rezultate, npr. Podobnikar (2005), Podobnikar in Vreč ko (2012). Nadalje je možno delati na metodah, ki že v osnovi sinergijsko kombinirajo možnost kvantitativnega in kvalitativnega pristopa analiz. Primer je analiza kraterjev na Marsu z izdelavo slojev, ki hkrati omogoč ajo vizualno ovrednotenje dimenzij kraterjev ter numerič no ovrednotenje rezultatov (premer in globina kraterja) – geomorfometrič ni nač in (Slika 12). Rezultati študije se lahko npr. posredno uporabljajo za izboljšavo kakovosti DMR-ja ali pa za izdelavo kart Marsa. Slika 12 – Spremenljivka za vizualno identifikacijo in merjenje kraterjev Zahvala: Raziskovalno nalogo je omogoč ila Avstrijska agencija za promocijo znanosti (FFG) v sestavu Programa avstrijskih vesoljskih aplikacij (ALR-OEWP-CO-413/07) in njihovih raziskovalnih projektov TMIS, TMIS+ in TMIS-morph (TMIS = Topographic Mars Information System) v okviru programa ASAP. Literatura Byrne, S., Ingersoll, A. P., 2002. A Sublimation Model for the Formation of the Martian Polar Swiss-cheese Features. American Astronomical Society (American Astronomical Society) 34, 837. Earth Impact Database, 2011. University of New Brunswick, http://www.passc.net/EarthImpactDatabase. Grossman, L., 2011. Mars Dust-Devil Mystery Solved on Earth. Wired Science. HiRISE, NASA/JPL/University of Arizona. Heipke, C., Oberst, J., Albertz, J., Attwenger, M., Dorninger, P., Dorrer, E., Ewe, M., Gehrke, S., Gwinner, K., Hirschmüller, H., Kim, J. R., Kirk, R. L., Mayer, H., Muller, J.-P., Rengarajan, R., Rentsch, M., Schmidt, R., Scholten, F., Shan, J., Spiegel, M., Wählisch, M., Neukum, G. in 29 HRSC Co-Investigator Team, 2007. Evaluating planetary digital terrain models — The HRSC DTM test. Planetary and Space Science 55(14), 2173-2191. Jaumann, R., Neukum, G., Behnke, T., Flohrer, J., van Gasselt, S., Giese, B., Gwinner, K., Hauber, E., Hoffmann, H., Köhler, U., Matz, K.-D., Mertens, V., Pischel, R., Roatsch, T., Reiss, D., Scholten, F., Stephan, K., Oberst, J., Saiger, P., Schwarz, G., Wählisch, M., 2007. The High Resolution Stereo Camera (HRSC) experiment on Mars Express: instrument aspects from interplanetary cruise through nominal mission. Planetary and Space Science, 55(7-8), 928-952. Miller, C. L. Laflamme, R. A., 1958. The Digital Terrain Model-Theory & Application. MIT Photogrammetry Laboratory. Mars Express, 2011. ESA Mars Express, http://www.esa.int/esaMI/Mars_Express/ MOLA, 2007. Mars Orbiter Laser Altimeter, or MOLA, http://mola.gsfc.nasa.gov/ Podobnikar, T., 2005. Production of integrated digital terrain model from multiple datasets of different quality. International journal of geographical information science, 19(1), 69-89. Podobnikar, T., Dorninger, P., 2007. Enhanced visualisation of Mars surface features from HRSC DTM. V: European Mars Science & Exploration Conference, Mars Express and ExoMars, 12.- 16. 11. 2007, Noordwijk: ESTEC. Podobnikar, T., SzØkely, B., 2008. Poskus analize potencialno nevarnih vršajev z DMR-jem. V: Perko, D., Zorn, M., Razpotnik Visković , N., Č eh, M., Hladnik, D., Krevs, M., Podobnikar, T., Repe, B., Šumrada, R. (ur.). Geografski informacijski sistemi v Sloveniji 2007-2008, (GIS v Sloveniji, 9). Ljubljana: Založba ZRC, 73-81. Podobnikar, T., 2009. Methods for visual quality assessment of a digital terrain model. S.A.P.I.EN.S. Special Issue 2 (2), 15-24. http://sapiens.revues.org/index738.html. Podobnikar, T., 2012. Detecting Mountain Peaks and Delineating their Shapes using Digital Elevation Models, Remote Sensing, and Geographic Information Systems using Autometric Methodological Procedures. Remote Sensing (sprejeto). Podobnikar, T., Vreč ko, A., 2012. Processing of a point cloud for a geomorphologically high quality DEM. Transactions in GIS (sprejeto). Reiss, D., Raack, J., Rossi, A. P., 2011. Formation of dark dust devil tracks in the Turpan Desert (China): comparison with Mars, 42nd Lunar and Planetary Science Conference, Texas, ZDA. SzØkely, B., Reinecker, J., Dunkl, I., Frisch, W., Kuhlemann, J., 2002. Neotectonic movements and their geomorphic response as reflected in surface parameters and stress patterns in the Eastern Alps. EGU Stephan Mueller Special Publication Series, 3, 149-166. SzØkely, B., Podobnikar, T., 2008. An attempt for automatic detection and visualization of talus cones from digital elevation data. V: Koneč ný, M., Bandrova, T. (ur.), Second International Conference on Cartography & GIS, Proceedings 2, Borovec, Bolgarija, 151-159. SzØkely, B., Podobnikar, T., 2009. A method for automated extraction of Martian talus slopes – case studies of Nanedi Valles and West Candor Chasma, Mars. V: Purves, R., Gruber, S., Straumann, R., Hengl, T. (ur.). Geomorphometry. Zürich: Department of Geography, University of Zürich, str. 202-207. SzØkely, B., Dorninger, P., Jansa, J., Podobnikar, T., Koma, Z., Trosits, D., VerebØlyi-Dósa, M., 2011. Martian and Terrestrial debris slopes: Automated recognition attempts using a multi- method approach. Geophys. res. abstr., EGU2011-13467-1. 31 Spremljanje temperature zraka in CO 2 v Postojnskem jamskem sistemu ob poveč anem številu obiskovalcev Mitja Prelovšek * , Stanka Šebela * in Janez Turk ** Povzetek Ob poveč anem številu obiskovalcev v Postojnski jami smo poleg rednega letnega klimatskega monitoringa opravili še dodatno študijo spremljanja temperature zraka in CO 2 na izbranih mestih. Več je število obiskovalcev v č asu praznikov ali prireditev dvigne temperaturo zraka tudi za 0,55 °C, kot je primer iz Koncertne dvorane. Tudi povišane vrednosti CO 2 za 800 – 1100 ppm je potrebno pripisati antropogenemu vnosu CO 2 ob poveč anih obiskih. Ker je Postojnska jama naravna vrednota državnega pomena, je glede na aktualno letno število obiskovalcev (500.000) potrebno redno spremljanje in preverjanje trajnostne rabe jame kot naravne vrednote. Uvod V okviru projektov Strokovni nadzor in svetovanje pri upravljanju z jamskimi sistemi, Klimatski in biološki monitoring jamskih sistemov (financer Postojnska jama, d. d.) ter Meritve in analiza izbranih klimatskih parametrov v kraških jamah: primer sistema Postojnskih jam (sofinancer Javna agencija za raziskovalno dejavnost RS) od 2009 izvajamo redni monitoring jamske klime na izbranih lokacijah. V zimskem režimu Postojnske jame mrzel zrak prodira v jamo skozi več je vhode. Zrak se v jami segreje, postane lažji in se dviga proti površju skozi višje vhode ali številne razpoke. V poletnem režimu je zrač na cirkulacija obrnjena, hladnejši zrak izstopa iz Postojnskega jamskega sistema skozi spodnje vhode (Gabrovšek in Mihevc, 2009). Analiza (10 in 15 min) podatkov temperature zraka (od 12. 8. 2009 do 12. 8. 2010) na treh izbranih lokacijah v Postojnskem jamskem sistemu je pokazala, da je temperatura zraka najvišja na Veliki gori, ki od treh merilnih mest leži na najvišji nadmorski višini. Povpreč na letna temperatura tu znaša 11,10 °C. V Lepih jamah, kjer je merilna toč ka 37 m nižje od Velike gore, se temperatura zraka moč no razlikuje od razmer na Veliki gori. Tu je povpreč na letna temperatura 10,30 °C, sezonsko gibanje temperature zraka je tu obratno kot na Veliki gori, kjer opazimo znač ilno sezonsko temperaturno gibanje. Zrak na Veliki gori se jeseni in pozimi poč asi ohlaja, spomladi in poleti pa lahko opazujemo poč asno segrevanje. Temperaturna nihanja v Lepih jamah so povezana z dotokom vetra iz neznanega ozadja (bodisi dihalnikov v povezavi s površjem ali iz neznanih jamskih rovov) ter z mešanjem različ nih zrač nih gmot, predvsem v zimskem č asu (Šebela in Turk, 2011). Najbolj obiskano kraško jamo v Sloveniji obišč e letno okrog 500.000 obiskovalcev. Zato smo v obdobjih poveč anih obiskov opravili analizo primerjave koncentracije CO 2 in temperature zraka na različ nih lokacijah (Velika gora, Lepe jame in Koncertna dvorana). Analize so osnova za razumevanje vpliva rabe naravne vrednote in za njeno trajnostno rabo (Gabrovšek et al., 2011; Šebela, 2011). Ob poveč anih obiskih smo v jami zaznali poveč anje temperature zraka in povišane vrednosti CO 2 v zraku (Šebela et al., 2011). * ZRC SAZU, Inštitut za raziskovanje krasa, Titov trg 2, SI-6230 Postojna ** Lunač ka 4, SI-1000, Ljubljana 32 Rezultati meritev temperature zraka in CO 2 Temperaturo zraka smo v obdobju 2009 – 2011 v 10 in 15-minutnih intervalih redno merili na dveh toč kah v Postojnski jami (Velika gora in Lepe jame). Dodatno mesto opazovanja smo v analize vključ ili v februarju 2011, in sicer v Koncertni dvorani. Slika 1 - Temperatura zraka v Postojnski jami na dveh toč kah (Velika gora in Lepe jame), koncentracija CO 2 v Lepih jamah, zunanja temperatura v °C in dnevno število obiskovalcev v obdobju od 23. 12. 2009 do 13. 1. 2010 Petnajstminutno koncentracijo CO 2 smo merili na eni lokaciji, in sicer v Lepih jamah. Opazovana toč ka na Veliki gori je od turistič ne poti oddaljena okrog 50 m in leži na nadmorski višini 561 m. V Lepih jamah so instrumenti postavljeni na nadmorski višini 524 m in so od turistič ne poti oddaljeni okrog 4 m. V Koncertni dvorani je opazovano mesto na nadmorski višini 527 m in je od turistič ne poti oddaljeno le 1 m. Kot najbolj znač ilne primere dviga temperature zraka in vsebnosti CO 2 smo izbrali tri obdobja (Božič –Novo leto 2009–2010; Božič –Novo leto 2010–2011; Kulturni praznik – 8. 2. 2011). To so tudi obdobja, ko se število obiskovalcev najbolj dvigne glede na sicer slabo – zimsko-turistič no obdobje leta. Na Veliki gori, ki je največ ja (240.000 m 3 ) podorna dvorana v tem jamskem sistemu, so temperaturna nihanja ob poveč anih obiskih minimalna (Slike 1, 2 in 3). Opaznejše 33 spremembe so v Lepih jamah, kjer je instrument za merjenje temperature bližje turistič ni poti kot npr. na Veliki gori. Dvig temperature zaradi poveč anega obiska se najbolj opazi v Koncertni dvorani (Sliki 2 in 3). Č eprav je tudi Koncertna dvorana več ja podorna dvorana (150.000 m 3 ), pa je treba poudariti, da instrument leži v bolj izoliranem robu dvorane v neposredni bližini vstopa obiskovalcev na podzemeljski turistič ni vlak, torej na mestu, kjer se obiskovalci zadržijo v skupini nekaj minut, ker č akajo na vkrcanje na vlak. Ob upoštevanju teh dejstev je tudi najvišji temperaturni dvig bolj razumljiv. Slika 2 - Temperatura zraka v Postojnski jami na treh toč kah (Velika gora, Lepe jame in Koncertna dvorana), koncentracija CO 2 v Lepih jamah, zunanja temperatura v °C in dnevno število obiskovalcev v obdobju od 21. 12. 2010 do 3. 1. 2011 V obdobju Božič –Novo leto 2009–2010 se je v Lepih jamah temperatura zraka dvignila za 0,25 °C, ko je število obiskovalcev naraslo s 526 na 2908 na dan (Slika 1). Koncentracija CO 2 v Lepih jamah je v obdobju od 25. 12. 2009 do 3. 1. 2010 narasla za 1100 ppm ( od 600 do 1700 ppm). Po maksimalnem številu obiskovalcev na dan (2908) so se vrednosti CO 2 v dveh dneh spustile za 800 ppm (od 1700 do 900 ppm), tako kot se je znižalo tudi število obiskovalcev, in sicer na okrog 200–400 na dan. Vrednosti CO 2 so po prvih dneh januarja 2010 ostale za okrog 150–200 ppm višje kot pred 25. 12. 2009, temperatura zraka pa se je vrnila na stanje pred Božič em 2009. Povišane vrednosti CO 2 in temperature zraka je potrebno pripisati antropogenemu vplivu na jamsko klimo. 34 Slika 3 - Temperatura zraka v Postojnski jami na treh toč kah (Velika gora, Lepe jame in Koncertna dvorana), zunanja temperatura v °C in dnevno število obiskovalcev v obdobju od 4. 2. 2011 do 11. 2. 2011 Č ez eno leto (Božič – Novo leto 2010–2011) smo dodali tudi meritve temperature zraka v Koncertni dvorani (Slika 2). Pokazalo se je, da se je temperatura v tej dvorani dvignila kar za 0,4 °C. Število obiskovalcev je naraslo z okrog 160 na 2100 na dan. CO 2 je kazal podobno gibanje kot v obdobju 2009–2010. V decembru 2010 so bile vrednosti CO 2 pred poveč animi obiski v jami okrog 700 ppm. Najvišje vrednosti so bile 27. 12. 2010, ko so dosegle 1600 ppm, kar ustreza številu 2169 obiskovalcev na dan. Z upadom števila obiskovalcev so se znižale tudi vrednosti CO 2 . Tretji primer je slovenski kulturni praznik 8. 2. 2011 (Slika 3). V enem dnevu se je število obiskovalcev s 198 povzpelo na 3562 in se nato znižalo na 72 obiskovalcev na dan. V Lepih jamah smo zaznali dvig temperature za 0,1 °C, v Koncertni dvorani pa za 0,55 °C, kar je maksimalni dvig temperature, ki smo ga zaznali zaradi moč no poveč anega obiska. 35 Zaključ ek Postojnski jamski sistem je najdaljša (20.570 m) in najbolj obiskana (približno 500.000 obiskovalcev na leto) kraška jama v Sloveniji. Gre za naravno vrednoto državnega pomena, zato je potrebno zagotavljati trajnostni razvoj rabe jame kot naravne vrednote. V letu 2011 je Postojnska jama sprejela 34. milijontega obiskovalca od zač etka modernega turizma leta 1818. Največ obiskovalcev je jamo obiskalo leta 1985, in sicer 940.000. Spremljanje temperature zraka in vrednosti CO 2 v obdobju poveč anih obiskov v jami je pokazalo naslednje rezultate: • Dvig temperature zraka in vrednosti CO 2 je povezan s poveč anim številom obiskovalcev. • Oba parametra (T in CO 2 ) se po upadu števila obiskovalcev povrneta na prvotno stanje. Dvig vrednosti CO 2 za 150–200 ppm pa smo tudi po znižanju števila obiskovalcev opazili pozimi 2009–2010 (Slika 1). Postojnska jama je izpostavljena vplivom zunanjih klimatskih razmer, saj je glavni vhod v jamo umetno odkopan od leta 1866 in je dovolj velika odprtina za izmenjavo zunanjih in jamskih zrač nih gmot daleč v notranjost jame. Jama je dobro prezrač ena, zato se tudi povišane vrednosti (T in CO 2 ) hitro povrnejo v vrednosti pred poveč animi obiski. • Vpliv turizma na jamsko mikroklimo je več ji pozimi kot poleti. • Dvig temperature zraka zaradi poveč anega števila obiskovalcev na Veliki gori in v Lepih jamah je nižji, kot so letna nihanja temperature na teh dveh lokacijah. Poleg spremljanja temperature zraka in CO 2 je raziskavo potrebno usmeriti tudi v razumevanje vpliva rasti lampenflore zaradi poveč anja števila obiskovalcev, v ogroženost jamske favne, v določ itev stopnje raztapljanja/izloč anja sige glede na povišan vnos antropogenega CO 2 v jamo, v analizo kvalitete zraka zaradi poveč anega obiska, v mikrobiološko analizo vnosa delcev, ki prihajajo v jamo z obiskovalci itd. Le tako bo možno zanesljivo ovrednotiti mejne vrednosti števila obiskovalcev, ki jih Postojnska jama lahko sprejme, ne da bi ogrozili trajnostno rabo jame kot naravne vrednote. Literatura Gabrovšek, F. in Mihevc, A. 2009. Cave climate. 17 th international karstological school “Classical Karst”, 15-20 th June 2009, Guide book & Abstracts, 15-17, Postojna. Gabrovšek, F., Knez, M., Kogovšek, J., Mihevc, A., Mulec, J., Perne, M., Petrič , M., Pipan, T., Prelovšek, M., Slabe, T., Šebela, S. in Ravbar, N. 2011. Development challanges in karst regions: sustainable land use planning in the karst of Slovenia. Carbonates and Evaporites 26, 365-380, Wien, New York. Šebela, S. 2011. Expert control and recommendations for management of Postojnska jama, climatic and biological monitoring. V: Prelovšek, M. in Zupan Hajna, N. (ur) Pressures and Protection of the Underground Karst – Cases from Slovenia and Croatia, ZRC SAZU, 74-82, Postojna. Šebela, S. in Turk, J. 2011. Local characteristics of Postojna Cave climate, air temperature, and pressure monitoring. Theoretical and Applied Climatology 105/3-4, 371-386, Wien, New York. Šebela, S., Turk, J. in Prelovšek, M. 2011. The influence of tourist visits on microclimate in the Postojnska jama cave system. V: Gostinč ar, P., Häuselmann, P., Prelovšek, M. in Zupan Hajna, N. (ur) 19. Mednarodna krasoslovna šola »Klasič ni Kras«, Varovanje podzemnega krasa, Splošne informacije, program, ekskurzije, povzetki predstavitev, Postojna, 20.-25. junij 2011, ZRC SAZU, 72-73, Postojna. 37 Idejni projekt za kombinirano geodetsko mrežo nič tega reda Sandi Berk 1 , Katja Bajec 2 , Dominik Fajdiga 3 , Dalibor Radovan 4 , Žarko Komadina 5 , Klemen Medved 6 , Tomaž Ambrožič 7 , Božo Koler 8 , Miran Kuhar 9 , Polona Pavlovč ič Prešeren 10 , Simona Savšek 11 , Oskar Sterle 12 in Bojan Stopar 13 Povzetek Predstavljen je idejni projekt kombinirane geodetske mreže Slovenije. Kombinirana geodetska mreža omogoč a združitev treh stebrov geodezije, ki obsegajo geokinematiko, težnost in rotacijo Zemlje. Na državnem nivoju bo pomenila kakovostni temelj sodobne geoinformacijske infrastruk- ture. Namenjena bo povezavi in zavarovanju obstoječ ih državnih geodetskih referenč nih ogrodij, ki se zaradi specifič nih zahtev različ nih geodetskih merskih tehnik delijo na klasič ne terestrič ne, nivelmanske, gravimetrič ne in GNSS-mreže. Te med seboj niso fizič no povezane. Permanentne in ponavljajoč e se meritve na toč kah kombinirane geodetske mreže omogoč ajo modeliranje č asovno odvisnih sprememb, kar je nujno za vzdrževanje kakovosti državnega geodetskega referenč nega sistema na dolgi rok. Takšno omrežje ponuja tudi dodatne možnosti interdisciplinarnih raziskav. Uvod V zadnjih dveh desetletjih se geodetska znanost in stroka sooč ata z dramatič nim izbolj- šanjem kakovosti in operativnosti geometrič ne določ itve položaja, zahvaljujoč predvsem satelitskim tehnologijam. GNSS nadomešč a klasič ne merske tehnologije določ itve polo- žaja v znanstvenih in praktič nih aplikacijah. V nasprotju s tem pa ni bilo podobnega napredka pri nalogah določ itve in modeliranja težnostnega polja Zemlje vse do pojava novih satelitskih misij v zadnjih petih letih. Podatki, pridobljeni iz satelitskih misij, namenjeni raziskovanju težnostnega polja Zemlje, kot so CHAMP, GRACE in GOCE, glej npr. (Rummel, 2011), v kombinaciji s ponovljenimi absolutnimi meritvami težnega pospeška omogoč ajo, da se ta razkorak med horizontalno in višinsko komponento položaja zmanjša. Nivelmanske meritve, ki še vedno omogoč ajo najnatanč nejšo določ itev višin oz. višinskih razlik, skupaj s podatki težnosti zagotavljajo kakovostno višinsko komponento koordinatnega sistema ter dajejo vpogled v njene č asovne spremembe. 1 Sandi Berk, univ. dipl. inž. geod. 2 Katja Bajec, univ. dipl. inž. geod. 3 Dominik Fajdiga, univ. dipl. inž. geod. 4 viš. pred. dr. Dalibor Radovan, univ. dipl. inž. geod. (vsi Geodetski inštitut Slovenije, Jamova cesta 2, 1000 Ljubljana) 5 Žarko Komadina, univ. dipl. inž. geod. 6 mag. Klemen Medved, univ. dipl. inž. geod. (oba Geodetska uprava Republike Slovenije, Zemljemerska ulica 12, 1000 Ljubljana) 7 izr. prof. dr. Tomaž Ambrožič , univ. dipl. inž. geod., univ. dipl. inž. rud. 8 doc. dr. Božo Koler, univ. dipl. inž. geod. 9 doc. dr. Miran Kuhar, univ. dipl. inž. geod. 10 asist. dr. Polona Pavlovč ič Prešeren, univ. dipl. inž. geod. 11 doc. dr. Simona Savšek, univ. dipl. inž. geod. 12 asist. mag. Oskar Sterle, univ.dipl. inž. geod. 13 prof. dr. Bojan Stopar, univ. dipl. inž. geod. (vsi Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Jamova cesta 2, 1000 Ljubljana) 38 Kombinacijo klasič nih geodetskih merskih postopkov (nivelman, gravimetrija) in satelitske tehnologije (GNSS in satelitske misije za spremljanje težnostnega polja Zemlje) je možno doseč i samo prek mreže skupnih toč k, kar imenujemo kombinirana geodetska mreža. Gre za združitev treh stebrov geodezije, ki obsegajo geokinematiko, težnost in rotacijo Zemlje, glej npr. (Plag in sod., 2009). Permanentne in ponavljajoč e se meritve na toč kah kombinirane geodetske mreže omogoč ajo modeliranje č asovno odvisnih sprememb zemeljskega površja, težnostnega polja Zemlje ter njene atmosfere in hidrosfere. Idejni projekt kombinirane geodetske mreže Slovenije, ki je predstavljen v nadaljeva- nju, je bil pripravljen kot CRP-projekt z naslovom Zasnova temeljne več namenske državne geoinformacijske infrastrukture. Snovanje kombinirane geodetske mreže Slovenije se zgleduje po nekaterih že vzpostavljenih državnih in regionalnih kombiniranih geodetskih mrežah, npr. v Švici (Brockmann in sod., 2006) in v Skandinaviji (Poutanen in sod., 2007), s težnjo po vključ itvi v Evropsko kombinirano geodetsko mrežo – ECGN, glej npr. (Ihde in sod., 2005) in (Ihde in sod., 2006). Izhodišč a za vzpostavitev kombinirane geodetske mreže 0. reda Slovenija ima nekaj geodetskih referenč nih omrežij: državno omrežje stalnih GNSS- postaj SIGNAL, astrogeodetsko mrežo, trigonometrič no mrežo, gravimetrič no mrežo in nivelmansko mrežo. Toč ke teh mrež in omrežij so stabilizirane na različ ne nač ine. Vsak poseg (zaradi gradnje, unič enja) v katerokoli toč ko kateregakoli omrežja pomeni poseg v referenč no geodetsko osnovo države. Prostorsko-č asovna stabilnost referenč ne osnove je neposredno povezana s č asovno stabilnostjo vseh geodetskih (referenč nih) toč k. Izhodišč e za kombinirano geodetsko mrežo, ki bi zajela č im več merskih tehnik na vsaki toč ki oz. postaji, je, da bo vsaka postaja omrežja tudi ustrezno geodetsko in pravno zavarovana. Tako bi lahko vzpostavili robustno omrežje, kjer kakršenkoli poseg v določ eno geodetsko toč ko ne bi pomenil posega v realizacijo državnega geodetskega referenč nega sistema. Kombinirana geodetska mreža bo zagotavljala kakovostno: • referenč no ogrodje državnega omrežja stalnih GNSS-postaj, • referenč no ogrodje državnega horizontalnega/terestrič nega referenč nega sistema, • referenč no ogrodje državnega višinskega referenč nega sistema, • referenč no ogrodje državnega gravimetrič nega referenč nega sistema ter • več namensko kalibracijsko mrežo tako za preverjanje kakovosti in ustreznosti merilnih instrumentov kot tudi metod in postopkov geodetske izmere. Zaradi navedenih vlog smo jo poimenovali kar kombinirana geodetska mreža 0. reda, saj so mreže 1. redov za posamezne referenč ne sisteme že vzpostavljene, mreža 0. reda pa jih bo na kakovosten nač in povezala v celoto. Namen vzpostavitve kombinirane geodetske mreže 0. reda je kontinuirano (nepre- kinjeno ali periodič no) izvajanje vseh možnih geodetskih opazovanj najvišje kakovosti za potrebe realizacije državnega geodetskega referenč nega sistema. Kot vemo, je treba za praktič no uporabnost koordinatni sistem fizič no vzpostaviti oziroma materializirati. V geo- deziji praktič no realizacijo referenč nega sistema izvedemo s fizič no postavitvijo toč k oz. postaj, na katerih in med katerimi izvajamo ustrezne geodetske meritve z namenom določ itve koordinat teh toč k v referenč nem sistemu. Praktič no realizacijo referenč nega sistema imenujemo referenč ni sestav. 39 Kakovostna geoinformacijska infrastruktura v obliki kombinirane geodetske mreže 0. reda bo ponudila tudi vrsto sekundarnih možnosti uporabe. Pomembna sta znanstveno- raziskovalni in aplikativni vidik, npr. pri geodinamič nih raziskavah, spremljanju vplivov globalnih sprememb ipd. Prav tako je takšna mreža zelo pomembna pri izvajanju različ nih inženirskih nalog, kot so spremljanje morebitnih horizontalnih in vertikalnih pomikov naravnega in grajenega okolja, in s tem pri zašč iti pred naravnimi nesreč ami. Zasnova kombinirane geodetske mreže 0. reda Idejni projekt kombinirane geodetske mreže 0. reda obsega: • analizo potreb za njeno vzpostavitev, in sicer za državno omrežje stalnih GNSS-postaj, za državni terestrič ni referenč ni sistem, za državni višinski referenč ni sistem, za državni gravimetrič ni sistem in za ostale predvidene funkcije mreže, ter • analizo možnosti za njeno vzpostavitev, ki se nanaša na možnost umestitve mreže, in sicer glede na obliko in velikost države, glede na reliefne danosti, glede na klimatske danosti in vegetacijo, glede na geološke, hidrološke in tektonske danosti ter glede na druge vplivne dejavnike. Na podlagi pripravljenih izhodišč in analiz sta bila izdelana: • predlog optimalnega števila toč k mreže in • predlog optimalne razporeditve toč k mreže. Predlaganih je 6 toč k kombinirane geodetske mreže 0. reda, njihove makrolokacije pa so določ ene s središč i krogov polmera 25 km (Slika 1). Slika 1: Makrolokacije šestih toč k kombinirane geodetske mreže 0. reda 40 Število toč k je bilo izbrano tako, da: • dobimo mrežo petih (Delaunayjevih) trikotnikov, ki vsebuje eno centralno in pet obod- nih toč k, in • je povpreč na dolžina stranic teh trikotnikov okoli 100 km. Makrolokacije so bile določ ene na podlagi kombiniranega predloga razporeditve šestih toč k mreže, ki je kompromis med dvema uporabljenima in delno nasprotujoč ima si geo- metrijskima kriterijema, in sicer: • da naj si bodo toč ke mreže č im bolj vsaksebi (tj. na kar največ jih medsebojnih oddaljenostih) in • da naj toč ke mreže č im bolj enakomerno pokrivajo celotno državno ozemlje, torej da naj bo poljubna toč ka državnega ozemlja č im manj oddaljena od najbližje toč ke mreže. Prvi kriterij izhaja iz vloge mreže kot referenč nega ogrodja (za realizacijo državnega geodetskega datuma), drugi kriterij pa je pomemben s stališč a zagotavljanja lokacijskih storitev za celotno državno ozemlje, kar nekoliko ublaži težnjo po postavitvi toč k na sami državni meji. Toč ka mreže Naselje v središč u 25 km kroga Mesta znotraj 25 km kroga severozahodna Kamno, Obč ina Tolmin Bovec, Tolmin jugozahodna Socerb, Obč ina Koper Izola, Koper, Piran, Sežana osrednja Litija, Obč ina Litija Domžale, Grosuplje, Hrastnik, Kamnik, Litija, Ljubljana (vzhodni del), Mengeš, Trbovlje, Trebnje, Višnja Gora, Zagorje ob Savi jugovzhodna Bedenj, Obč ina Č rnomelj Č rnomelj, Metlika osrednja severna Trbonje, Obč ina Dravograd Dravograd, Mežica, Prevalje, Ravne na Koroškem, Slovenj Gradec, Šoštanj severovzhodna Gibina, Obč ina Razkrižje Lendava, Ljutomer, Murska Sobota, Ormož Preglednica 1: Naselja znotraj krogov, ki opredeljujejo makrolokacije toč k mreže; krepko so označ ena mesta, ki so najbližje središč u kroga predvidene makrolokacije. Izvedena je bila analiza primernosti lokacij obstoječ ih geodetskih toč k znotraj krogov, ki opredeljujejo makrolokacije toč k kombinirane geodetske mreže 0. reda, in sicer: • trigonometrič nih toč k (astrogeodetske) mreže 1. reda, • stalnih GNSS-postaj omrežja SIGNAL, • reperjev nivelmanskih mrež visoke natanč nosti in 1. reda ter • toč k absolutne gravimetrič ne mreže. Poleg geodetskih pa so vsekakor zanimiva tudi nekatera sorodna omrežja, povezana z opazovanji dogajanj in pojavov na Zemlji kot planetu, njenem površju, notranjosti in atmosferi. Tako so bile v analizo vključ ene tudi: 41 • toč ke mreže potresnih opazovalnic ARSO, • toč ke mreže vremenskih opazovalnic ARSO, • astronomske opazovalnice in observatoriji ter • nekatere druge toč ke (npr. GEOSS – geometrič no središč e Slovenije). Morebitna delitev oz. združitev lokacij s toč kami teh omrežij bi lahko prinesla dodatne obojestranske koristi in možnosti interdisciplinarnega povezovanja. Primernost predlaganih obstoječ ih lokacij je bila ovrednotena po najbolj osnovnih krite- rijih, ki so: • lastništvo: v primeru odkupljenih parcel v lasti države, ministrstev, javnih agencij ipd.; • dostopnost: v primeru neproblematič nega dostopa do toč ke z osebnim vozilom in relativno majhne oddaljenosti od več jega naselja/mesta, zahtevana je možnost niveli- ranja – tj. priključ itve na nivelmansko mrežo; • infrastruktura: v primeru razpoložljivosti priključ itve na električ no in telefonsko omrežje oz. internetne povezave (pomembno za prenos podatkov); • geološka primernost: v primeru lokalne geološke stabilnosti, torej da ni posedanj, ni na plazovitem območ ju, ni na območ ju z več jimi nihanji podtalnice, ni v bližini več jih prometnic (tresljaji), ni na strehi stavbe ipd.; • možnost izvajanja meritev: v primeru lokacije z odprtim obzorjem (predvsem proti jugu), npr. na vrhu vzpetine ali prostrane ravnine, planote (brez visoke vegetacije), da v bližini ni ovir in virov elektromagnetnega sevanja ipd. Vse ocene so preliminarne, pridobljene brez terenskih ogledov in podrobnejših pre- verjanj. Dokonč ni izbor mikrolokacij bo odvisen od kriterijev idejnega projekta, hkrati pa bo zahteval podrobno preuč itev primernosti lokacij s terenskimi ogledi, testnimi meritvami (npr. kakovosti sprejema GNSS-signalov), geološkimi mnenji ipd. Stabilizacija toč k kombinirane geodetske mreže 0. reda Kombinirana geodetska mreža 0. reda mora izpolnjevati ustrezne mednarodne stan- darde, č e se bomo želeli vključ iti v mrežo ECGN in sodelovati v projektih za globalno spremljanje težnostnega polja Zemlje in modeliranje č asovno odvisnih sprememb v Zemljini skorji. Vsaka toč ka kombinirane mreže 0. reda je tako sestavljena iz naslednjih toč k (vsaka od teh toč k je namenjena različ nim geodetskim opazovanjem): • primarne toč ke, • referenč ne GNSS-toč ke, • referenč nega reperja za niveliranje, • referenč ne gravimetrič ne toč ke, • po možnosti referenč ne toč ke za mareografska opazovanja ter • toč k zavarovalne terestrič ne in nivelmanske mreže. Nač in stabilizacije mora omogoč ati tudi izvedbo astronomskih in geomagnetnih opazo- vanj. Različ ne referenč ne toč ke se lahko tudi združijo v eni sami toč ki (fizič no), izjema pa so seveda toč ke zavarovalne mreže. Primer enega izmed predlogov za stabilizacijo primarne toč ke je na Sliki 2. Možne so tudi drugač ne izvedbe, ki so pogojene predvsem z naravnimi danostmi (zaželena je stabilizacija na živi skali) pa tudi dodatnimi zahtevami na morebitni obstoječ i opazovalnici. 42 Toč ke zavarovalne mikromreže so razporejene v neposredni okolici primarne toč ke in so namenjene zavarovanju primarne in drugih referenč nih toč k (primer poškodbe, unič enja) ter spremljanju/ugotavljanju horizontalne in višinske stabilnosti primarne in referenč nih toč k na območ ju zavarovalne mreže. Zavarovalno mrežo naj bi sestavljale štiri toč ke, stabilizirane s talno stabilizacijo in ležeč e na oddaljenosti do 100 m od primarne toč ke. Toč ke zavarovalne mreže bodo stabilizirane z ustrezno temeljenim betonskim kvadrom velikosti vsaj 50 cm × 50 cm × 50 cm in z možnostjo prisilnega centriranja merilnih instrumentov. Poleg opisane zavarovalne mreže za spremljanje stabilnosti v horizontalnem smislu mora biti vzpostavljena tudi zavarovalna nivelmanska mikromreža. Sestavljajo jo štirje zavarovalni reperji, ki so lahko vgrajeni v istem betonskem temelju kot zavarovalne toč ke horizontalne mikromreže. Slika 2: Stabilizacija referenč ne toč ke z masivnim betonskim stebrom (Kogoj et al., 2009) Osnovne zahteve pri postavitvi toč ke kombinirane geodetske mreže 0. reda so: prido- bitev lastninske pravice na območ ju stabiliziranih referenč nih toč k (vsaj okoli 5 m × 5 m) in služnosti za toč ke zavarovalnih mrež v neposredni okolici, saj gre za trajne objekte državnega pomena. Toč ka mora biti dostopna z osebnim vozilom, zagotovljena mora biti možnost niveliranja. Na voljo mora biti ustrezna infrastruktura, kot je priklop na električ no omrežje in ustrezna telekomunikacijska povezava (za prenos podatkov). Lokacija mora biti geološko primerna. Pogoj pa je seveda tudi nemoteno izvajanje vseh predvidenih meritev, kar je povezano z ustrezno odprtim obzorjem brez moteč ih ovir, odsotnostjo moteč ih izvorov elektromagnetnega valovanja, moteč ih vibracij terena ipd. Poleg stebrov z refe- renč nimi toč kami je na lokaciji vsake toč ke predvidena tudi manjša uta z merilnim instru- mentarijem in komunikacijsko opremo. 43 Zaključ ek Idejni projekt kombinirane geodetske mreže 0. reda podaja izhodišč a ter na podlagi izvedenih analiz potreb in možnosti za izvedbo projekta podaja tudi predlog optimalnega števila in razporeditve toč k kombinirane geodetske mreže 0. reda. Predlaganih je šest toč k, njihove makrolokacije pa so določ ene z območ ji znotraj krogov polmera 25 km. Kombinirana geodetska mreža 0. reda bo eden izmed temeljev sodobne državne geo- informacijske infrastrukture. Povezala in zavarovala bo referenč na ogrodja državnega omrežja stalnih GNSS-postaj, horizontalnega/terestrič nega referenč nega sistema, višin- skega referenč nega sistema ter gravimetrič nega referenč nega sistema. Zaradi specifič nih zahtev posameznih omrežij bo iskanje ustreznih mikrolokacij zahtevno delo, ki bo vklju- č evalo podrobno analizo s terenskimi ogledi, testnimi meritvami, geološkimi mnenji in podobnim. Vsekakor bodo pri iskanju ustreznih mikrolokacij najprej preverjene toč ke obstoječ ih geodetskih mrež. Možna in s strani geodezije zaželena bi bila tudi delitev oz. združitev lokacij s toč kami sorodnih omrežij (npr. mrež potresnih ali vremenskih opazovalnic). Slednje bi lahko prineslo dodatne obojestranske koristi in možnosti združevanja različ nih prostorskih in okoljskih podatkov. Zahvala Naroč nik predstavljenega CRP-projekta (V2-1096) je Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije – ARRS, sofinancer pa Geodetska uprava Republike Slovenije – GURS. Literatura in viri Berk, S., Bajec, K., Fajdiga, D., Bitenc, M., Radovan, D., Ambrožič , T., Koler, B., Kuhar, M., Pavlovč ič Prešeren, P., Savšek, S., Sterle, O., in Stopar, B. (2012). Zasnova temeljne več namen- ske državne geoinformacijske infrastrukture. Konč no poroč ilo. Geodetski inštitut Slovenije, Ljubljana (v pripravi). Brockmann, E., Becker, M., Bürki, B., Gurtner, W., Haefele, P., Hirt, C., Marti, U., Müller, A., Richard, P., Schlatter, A., Schneider, D., in Wiget, A. (2006). Realization of a Swiss Combined Geodetic Network (CH-CGN). Report on the Symposium of the IAG Subcommission 1.3a Europe (EUREF). Bratislava, Slovaška, 2.–5. junij 2004. Reports of the EUREF Technical Working Group (TWG) – EUREF publication, št. 14. Verlag des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie, Frankfurt na Majni, 2006, 8 str. Ihde, J., Baker, T., Bruyninx, C., Francis, O., Amalvict, M., Kenyeres, A., Mäkinen, J., Shipman, S., Šimek, J., in Wilmes, H. (2005). Development of a European Combined Geodetic Network (ECGN). Journal of Geodynamics, letn. 40, št. 4–5, 2005, str. 450–460. Ihde, J., Baker, T., Bruyninx, C., Francis, O., Amalvict, M., Luthardt, J., Liebsch, G., Kenyeres, A., Mäkinen, J., Shipman, S., Šimek, J., in Wilmes, H. (2006). The implementation of the ECGN Stations – Status of the 1st Call for Participation. Report on the Symposium of the IAG Subcommission 1.3a Europe (EUREF). Bratislava, Slovaška, 2.–5. junij 2004. Reports of the EUREF Technical Working Group (TWG) – EUREF publication, št. 14. Verlag des Bundes- amtes für Kartographie und Geodäsie, Frankfurt na Majni, 2006, str. 49–58. Kogoj D., Marjetič A., Ambrožič T., Stegenšek B., Trlep D. (2009). Geodetske meritve stabilnosti odlagališč a rudniške jalovine Jazbec, nič elna meritev. UL FGG, Katedra za geodezijo, Ljubljana. 44 Plag, H.-P., Rothacher, M., Pearlman, M., Neilan, R., in Ma, C. (2009). The Global Geodetic Observing System. Solid Earth. Advances in Geosciences, letn. 13, 2009, str. 105–127. Poutanen, M., Knudsen, P., Lilje, M., Nørbech, T., Plag, H.-P., in Scherneck, H.-G. (2007). The Nordic Geodetic Observing System (NGOS). Dynamic Planet. Monitoring and Understanding a Dynamic Planet with Geodetic and Oceanographic Tools. IAG Symposium, Cairns, Avstralija, 22.–26. avgust 2005. International Association of Geodesy Symposia, letn. 130, zv. VI, 2007, str. 749–756. Rummel, R. (2011). Preface (GOCE – The Gravity and Steady-State Ocean Circulation Explorer). Journal of Geodesy, letn. 85, št. 11, 2011, str. 747. 45 Modeliranje ozona in delcev za območ je Slovenije z modelskim sistemom ALADIN-CAMx Marko Rus * , Rahela Žabkar * , Jože Rakovec * Povzetek Za potrebe modeliranja ozona in delcev na območ ju Slovenije je bil sestavljen modelski sistem, v katerem smo disperzijsko-fotokemič ni model CAMx povezali z meteorološkim modelom ALADIN. V modelski sistem so bili vključ eni tudi podroben opis antropogenih emisij na območ ju Slovenije in Evrope ter podatki o koncentracijah onesnaževal na stranskih robovih območ ja modeliranja iz globalnega fotokemijskega modela. V prispevku sta predstavljena opis modelskega sistema ter validacija modelskih rezultatov na dveh izbranih epizodah: v zimski epizodi so bile izmerjene povišane koncentracije delcev v zraku, v poletni epizodi pa povišane koncentracije ozona. Uvod Pri modeliranju onesnaženosti zraka moramo najprej dobro poznati vremensko stanje, v katerem rač unamo koncentracije onesnaževal. Z vetrovnim poljem določ imo advekcijo oz. transport primesi v zraku, razredč evanje teh primesi v zraku pa rač unamo s pomoč jo enač b, ki opisujejo turbulentno difuzivnost. Nekatere lastnosti ozrač ja (npr. temperatura, vlažnost, optič na debelina) dodatno vplivajo tudi na kemijske in fotokemijske pretvorbe snovi ali pa na bolj ali manj uč inkovito izloč anje snovi iz ozrač ja (npr. ob padavinah). Poleg dobrega opisa meteoroloških spremenljivk je potrebno dobro poznati emisije (toč kovne in ploskovne) posameznih onesnaževal ter kemijske zač etne in robne pogoje (koncentracije onesnaževal na zač etku zagona oziroma na robu rač unskega območ ja). Modeliranje onesnaženosti zraka je torej izrač unavanje č asovnih sprememb količ ine posameznih primesi v zraku v prostoru, ki nas zanima. V eulerskem nač inu je v vsakem volumskem elementu ozrač ja sprememba količ ine snovi rezultat vseh prej omenjenih dogajanj: od emisije, preko transporta in disperzije, do izloč anja snovi iz ozrač ja. Osnovna enač ba za vsako snov “l” v zraku je torej kontinuitetna enač ba in ob predpostavki o brezdivergentnem gibanju zraka izrač un koncentracije te snovi temelji na enač bi o ohranitvi te snovi c. Ker ni mogoč e obravnavati dogajanj, ki so manjša od prostorske loč ljivosti modela, se v enač bi za povpreč ne koncentracije snovi c l pojavi dodaten č len ∇ ∇ : = −∇∙ +∇ ∇ + + − (1) V gornji enač bi in K predstavljata hitrost vetra in turbulentno difuzivnost; oba se iz kraja v kraj in v č asu lahko tudi moč no spreminjata glede na vremenske pogoje. Torej je za to, da lahko povemo, kako se bo v nekem delu ozrač ja spreminjala koncentracija primesi v zraku ⁄ , potrebno poznati emisije (vire) in izpad (suho in mokro depozicijo) te snovi ter kemijske procese v zvezi z njo (nastajanje ali pretvorba v druge snovi). Kam bo veter zanašal snovi in kako se bodo razredč evale, pa je odvisno od vremenskih spremenljivk in K. Ker na kemijske pretvorbe vplivajo lahko tudi temperatura zraka, količ ina kemijsko * vsi trije: Univerza v ljubljani, Fakulteta za matematiko in fiziko, Jadranska ulica 19, 1000 Ljubljana 46 aktivnega sevanja (predvsem sonč nega, delno tudi IR), vlažnost zraka itd., se nabor vremensko odvisnih spremenljivk, ki jih je treba upoštevati, lahko tudi precej poveč a. Modelski sistem ALADIN-CAMx Za modeliranje ozona in delcev v atmosferi potrebujemo kompleksen model, ki vsebuje matematič en opis vseh procesov, ki pomembno vplivajo na koncentracije onesnaževal v ozrač ju. Eden takšnih modelov v svetu je model CAMx (Comprehensive Air quality Model with extensions; ENVIRON, 2011), ki je bil s strani US EPA (US Environmental Protection Agency) odobren za modeliranje ozona in delcev v različ nih č asovnih in krajevnih skalah. Model CAMx je disperzijsko-fotokemič ni model, ki rač una prenoss z vetrom, turbulentno difuzivnost, kemijske in fotokemijske pretvorbe snovi v ozrač ju ter izloč anje snovi iz ozrač ja. Za te izrač une potrebuje meteorološka polja, ki jih je potrebno simulirati loč eno z meteorološkim modelom, ter različ na druga vhodna polja (podatke o emisijah, geografske spremenljivke, podatke o skupni količ ini ozona v ozrač ju). V prispevku opisujemo modelski sistem ALADIN-CAMx, v katerem smo model CAMx povezali z operativnim meteorološkim modelom ALADIN in obenem vključ ili tudi podroben opis antropogenih emisij na območ ju Slovenije in sosednjih držav, ter opis koncentracij onesnaževal na robovih območ ij modeliranja iz globalnega fotokemijskega modela. Na ta nač in smo pripravili orodje, s katerim je mogoč e modelirati ozon in delce na območ ju Slovenije in sosednjih držav. Poenostavljeno shemo modelskega sistema prikazuje Slika 1. Slika 1 – Poenostavljena shema modelskega sistema ALADIN-CAMx Vhodna meteorološka polja Model CAMx za simuliranje zgoraj opisanih procesov potrebuje različ na polja meteoroloških spremenljivk: zrač ni tlak, temperaturo, veter, specifič no vlago, oblač no vodo, padavinsko vodo, snežno vodo, padajoč e ledene kristale, optič no debelino oblakov, koeficient vertikalne turbulentne difuzivnosti, temperaturo tal. Več ina od teh meteoroloških polj so neposredni izhodi meteorološkega modela ALADIN in jih je 47 preprosto vključ iti v model CAMx, nekatera polja (oblač na voda, optič na debelina oblaka, koeficient turbulentne difuzivnosti) pa je potrebno parametrizirati iz polj meteoroloških spremenljivk, ki so na voljo v modelu ALADIN. Pri parametrizaciji spremenljivk »oblač na voda« in »optič na debelina oblaka« so bila dodatno diagnosticirana oblač na polja na podlagi konvektivnih padavin in višine planetarne mejne plasti. Koeficient vertikalne turbulentne difuzivnosti pa je bil izrač unan po metodi (O'Brien, 1970), pri č emer je bilo kot vhodni podatek potrebno uporabiti tudi oceno višine planetarne mejne plasti. Maso padajoč ih ledenih kristalov smo na vseh modelskih nivojih nastavili na vrednost 0. Ta predpostavka je glede na to, da imamo zelo malo primerov, v katerih bi bilo dlje č asa v zraku veliko padajoč ih ledenih delcev oziroma bi njihova količ ina znatno vplivala na izrač un kemije, več inoma upravič ena. Dodatna vhodna polja potrebna za izrač un (foto)kemijskih reakcij Za izrač un fotokemijskih pretvorb in razmerij so bila v model CAMx vključ ena nekatera dodatna polja, prikazana v Tabeli 1. V našem primeru smo kot izvorne podatke o rabi tal uporabili podatke USGS s 24 razredi rabe tal, kar je bilo potrebno prekodirati v klasifikacijo z 11 razredi, ki jih uporablja model CAMx. Za oceno celotne količ ine ozona v stolpcu ozrač ja v model sproti vključ ujemo satelitske meritve, delež listne površine je privzet kot v modelu ALADIN, medtem ko je za motnost ozrač ja zaenkrat izbrana konstantna vrednost. Tabela 1: Vir dodatnih vhodnih polj, potrebnih za izrač un fotokemič nih procesov v modelu CAMx. Dodatna vhodna polja za model CAMx Vir raba tal podatki o »landuse« USGS UV-albedo iz vrednosti rabe tal motnost privzeta konstantna vrednost količ ina ozona v celotnem stolpcu ozrač ja http://toms.gsfc.nasa.gov/ozone/ozone.html delež listne površine (LAI) model ALADIN Območ je modeliranja V sedanji konfiguraciji modelskega sistema ALADIN-CAMx je območ je modeliranja prilagojeno obstoječ i konfiguraciji modela ALADIN/SI na Agenciji RS za okolje (v nadaljevanju ARSO). Zaradi č asovne zahtevnosti modela CAMx je bil uporabljen postopek gnezdenja, v katerem imamo dve rač unski območ ji (Slika 2). Horizontalna loč ljivost notranjega (gnezdenega) rač unskega območ ja s 185 x 167 rač unskimi toč kami je enaka loč ljivosti operativne konfiguracije modela ALADIN/SI (4,4 km), horizontalna loč ljivost zunanjega rač unskega območ ja s 145 x 135 rač unskimi toč kami pa je trikrat manjša (13,2 km). Modelske toč ke v notranjem rač unskem območ ju modela CAMx sovpadajo z modelskimi toč kami sedanje operativne konfiguracije modela ALADIN, medtem ko v zunanjem rač unskem območ ju modela CAMx toč ke sovpadajo z vsako tretjo toč ko modela ALADIN. Notranje rač unsko območ je med drugim vključ uje tudi industrializirano Padsko nižino, ki s svojimi emisijami ob določ enih vremenskih razmerah lahko vpliva na poveč ano koncentracijo nekaterih pomembnih onesnaževal tudi v Sloveniji. 48 Vertikalni modelski nivoji v sedanji konfiguraciji se ujemajo z vertikalnimi nivoji v modelu ALADIN, le da imamo v modelu CAMx vključ enih le spodnjih 34 nivojev (od skupno 43 nivijev v modelu ALADIN). Rač unanje disperzije onesnaževal in fotokemijskih pretvorb na zgornjih 9 nivojih namreč zaradi velike nadmorske višine teh nivojev za potrebe napovedovanja kvalitete zraka v plasti zraka blizu tal ni potrebno. Slika 2 – Območ je modeliranja v sedanji konfiguraciji modelskega sistema ALADIN-CAMx. Prikazano je tudi gnezdeno rač unsko območ je. Antropogene emisije Polja antropogenih emisij so bila pripravljena loč eno za območ je Slovenije in za druge evropske države. Za območ je Slovenije so bili pri teh prerač unih uporabljeni podatki, ki so jih pripravili na Agenciji RS za okolje (ARSO), za območ je izven Slovenije pa podatki pridobljeni v projektu MACC (Monitoring Atmospheric Composition and Climate, MACC a). V obeh primerih so bile urne vrednosti toč kovnih in ploskovnih virov emisij NOx, CO, NMVOC, NH3, SO2, CH4, PM10 in PM2.5 prerač unane iz letnih emisijskih vrednosti. Za območ je Slovenije je bila uporabljena emisijska baza za leto 2009, za druge evropske države pa za leto 2007. Pri izrač unu urnih vrednosti iz letnih emisij smo uporabili ocenjene letne, tedenske in dnevne č asovne poteke emisij. Poleg tega je bilo za potrebe modeliranja potrebno iz skupnih emisij NMVOC in delcev s pomoč jo pretvorbenih tabel loč eno po različ nih emisijskih virih pripraviti razdelitev emisij v posamezne podskupine med seboj podobnih organskih spojin oziroma delcev v skladu z zahtevami modela CAMx. Skupno količ ino emisij NMVOC smo tako za 24 različ nih tipov emisijskih virov razdelili med 49 osnovnih skupin spojin, skupne emisije delcev pa za 96 različ nih tipov emisijskih virov med 15 različ nih vrst delcev. Vsa emisijska polja so bila pripravljena v prostorski loč ljivosti 4,4 km, kar je izbrana loč ljivost izgrajenega modelskega sistema ALADIN- CAMx, medtem ko je prostorska loč ljivost originalnih letnih emisij za območ je Slovenije 100 m x100 m, za območ ja izven Slovenije pa 1/8° x 1/16°. Primer vhodnega polja antropogenih emisij za območ ja izven Slovenije v 4,4 km loč ljivosti je prikazan na Sliki 3. V modelski sistem zaenkrat še niso vključ ena polja biogenih emisij, zaradi č esar prič akujemo predvsem podcenjene vrednosti ozona v modelskih rezultatih. 49 Slika 3 – Polje ploskovnih emisij NOx v tonah/h v prostorski loč ljivosti 4,4 km na območ ju modeliranja (izvzeta je Slovenija) na nedeljo v mesecu avgustu ob 6 h zjutraj. Stranski kemijski robni pogoji Zač etna polja koncentracij onesnaževal v zraku modelski sistem prebere iz prejšnje simulacije, oziroma jih nastavi na nič elne vrednosti, č e je simulacija zač etna; tedaj mora od zač etnega zagona modela preteč i dovolj č asa, da lahko vpliv zač etnega stanja na rezultate simulacij zanemarimo. Koncentracije onesnaževal na stranskih robovih modelskega območ ja pa pridobivamo iz operativega globalega fotokemijskega modela MOZART (Model for OZone And Related chemical Tracers) v okviru MACC (MACC b). Horizontalna loč ljivost teh modelskih polj je 1,875° geografske dolžine in približno 1,93° geografske širine. Potreben pa je tudi prerač un koncentracij spojin modela MOZART v skupine spojin, ki jih obravnava model CAMx. Izbor kemijskega mehanizma Med kemijskimi mehanizmi, ki so na voljo v modelu CAMx (CB04, CB05, SAPRC99), smo izbrali mehanizem SAPRAC99 (Carter, 2000), ki vključ uje 114 različ nih kemijskih spojin oziroma skupin spojin, od tega 16 radikalov, 22 skupin delcev in 217 kemijskih reakcij. Rezultati simulacij Za osnovno validacijo modelskega sistema smo izbrali dve epizodi, eno zimsko in eno poletno. Med poletno epizodo so bile izmerjene povišane koncentracije ozona v plasti zraka pri tleh na nekaterih merilnih postajah po Sloveniji, med zimsko pa povišane koncentracije delcev. 50 Simulacija v primeru povišanih koncentracij ozona (12. 8. 2011 – 24. 8. 2011) V drugi polovici avgusta 2011 so bile temperature zraka visoke, dovolj je bilo sonč nega sevanja, dinamika v ozrač ju pa je bila šibka, zato so bili vremenski pogoji ugodni za tvorbo troposferskega ozona. Meritve ozona po Sloveniji so pokazale (Slika 4), da so dnevni maksimumi predvsem na primorskih merilnih postajah (Nova Gorica, Koper, Otlica) dosegali vrednosti tudi do okrog 180 µ g/m 3 (dne 22. 8.), medtem ko so bile drugod po Sloveniji maksimalne izmerjene gostote ozona praviloma (z nekaterimi izjemami, npr. v Ljubljani dne 27. 8.) nekoliko nižje. Slika 4 – Izmerjene urne gostote ozona (v µ /m 3 ) na merilnih postajah po Sloveniji v obdobju od 12. 8. do 27. 8. 2011 Primeri rezultatov simulacij na notranjem rač unskem območ ju loč ljivosti 4,4 km so za ozon prikazani na Sliki 5 Pri rezultatih za ozon je potrebno opozoriti, da so zaradi manjkajoč ih podatkov o biogenih emisijah simulirane vrednosti ozona podcenjene. Rezultati simulacij (Slika 5) kažejo, da je v obravnavanem obdobju nad območ jem severnega Jadrana, nad nekaterimi območ ji severne Italije, pa tudi nad Ligurskim morjem zahodno od Italije prišlo do akumulacije onesnažil v zrač nih masah. Obenem so bile meteorološke razmere ugodne za pospešeno fotokemijsko aktivnost onesnažil (visoke temperature, šibka dinamika v več jih skalah, dovolj sonč nega sevanja pri tleh), kar je nad temi območ ji vodilo v visoke koncentracije ozona. Vpliv na Slovenijo je imel v tem obdobju severnojadranski bazen onesnaženih zrač nih mas, kjer so bile najvišje simulirane vrednosti ozona v dneh 22. 8. in 23. 8. 2011. Zaradi znač ilnih obalnih zrač nih gibanj, ko vetrovi ponoč i nosijo zrak s kopnega proti morju, se lahko emisije iz obalnih virov akumulirajo v zrač nih masah, ki sicer bolj ali manj stagnirajo nad morjem. Po drugi strani pa podnevi vetrovi nosijo onesnažene zrač ne mase z morja proti kopnemu. V obravnavanem obdobju je do takšnega vpliva fotokemijskega onesnaženja iznad morja nad kopno prišlo dne 22. 8., ko so bile na vseh treh primorskih merilnih postajah (Koper, Nova Gorica, Iskrba, Slika 4) izmerjene gostote ozona okrog 180 µ g/m 3 . Obč asno so bile v 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0 180,0 200,0 12.8.2011 0:00 12.8.2011 14:00 13.8.2011 4:00 13.8.2011 18:00 14.8.2011 8:00 14.8.2011 22:00 15.8.2011 12:00 16.8.2011 2:00 16.8.2011 16:00 17.8.2011 6:00 17.8.2011 20:00 18.8.2011 10:00 19.8.2011 0:00 19.8.2011 14:00 20.8.2011 4:00 20.8.2011 18:00 21.8.2011 8:00 21.8.2011 22:00 22.8.2011 12:00 23.8.2011 2:00 23.8.2011 16:00 24.8.2011 6:00 24.8.2011 20:00 25.8.2011 10:00 26.8.2011 0:00 26.8.2011 14:00 Celje Hrastnik Iskrba Koper Krvavec Ljubljana Maribor Mobilna Murska Sobota Nova Gorica Otlica Trbovlje 51 obravnavanem obdobju nekoliko višje gostote ozona simulirane tudi lokalno na nekaterih območ jih po Sloveniji, vendar so bile vedno bistveno nižje od dovoljenih vrednosti (maksimumi obič ajno nekje do 150 µ g/m 3 ). V splošnem so bile simulirane vrednosti ozona po Sloveniji podcenjene, kar je med drugim vsaj deloma posledica že omenjenega problema z manjkajoč imi biogenimi emisijami. Slika 5 – Z modelskim sistemom ALADIN-CAMx simulirana onesnaženost zraka pri tleh z ozonom (v µ g/m 3 ) na notranjem modelskem območ ju z loč ljivostjo 4,4 km. Prikazano je polje za 22. 8. 2011 ob 15 UTC. Simulacija v primeru povišanih koncentracij delcev (18. 12. 2010 – 4. 1. 2011) V tem obravnavanem obdobju so bile izmerjene povišane koncentracije delcev v zraku. Najvišje urne koncentracije delcev so v Sloveniji več inoma izmerjene v zimskih mesecih v zgodnjih jutranjih urah, ko je temperaturna inverzija najizrazitejša. Obič ajno so preseganja izmerjena v več jih mestih. Zaradi nepoznavanja zač etnih koncentracij onesnaževal v ozrač ju (zač etni nič elni kemijski pogoji) smo modelirali dalj č asa, podrobneje pa analizirali modelske rezultate za zadnje dni obravnavanega obdobja. Na Sliki 6 so vidna obsežna območ ja poveč anih koncentracij delcev, ki se v obliki širokega pasu razprostirajo po Padski nižini od severozahoda proti jugovzhodu. V Sloveniji so koncentracije delcev poveč ane v okolici več jih mest, kot so Ljubljana, Celje, Maribor pa tudi Murska Sobota. Z višino se onesnaženost hitro zmanjšuje, nad višino temperaturne inverzije je mešanje zraka v vertikalni smeri dosti bolj uč inkovito, zato so tudi razlike koncentracij po višini bistveno manjše. Zanimivo sliko dobimo tudi, ko pogledamo vertikalni č asovni presek koncentracij v določ eni modelski toč ki, v našem primeru na območ ju Ljubljane (Slika 7). Lepo se namreč vidi, da so koncentracije delcev največ je v zgodnjih jutranjih urah, najmanjše pa 52 popoldne (ob dveh in treh), ko je ozrač je zaradi poveč anega sonč nega sevanja bolj labilno, posledič no vertikalno mešanje izrazitejše, ter višina planetarne mejne plasti zraka višja (Sliki 7 in 8). Primerjava modelskih rezultatov z meritvami pokaže, da model CAMx v povpreč ju sicer sledi urnim izmerjenim koncentracijam delcev, so pa modelske koncentracije v primerjavi z izmerjenimi podcenjene (Slika 9). Vzroki razhajanj so lahko v napaki primerjave med meritvijo v toč ki in modelsko vrednostjo, ki predstavlja povpreč no koncentracijo cele modelske celice (4,4 km x 4,4 km x debelina spodnje modelske plasti), ali v drugih virih modelskih napak (npr. negotovosti v emisijah). Poleg tega pa je tudi merilna negotovost urnih meritev koncentracij delcev velika, z zakonodajo predpisane največ je še dopustne merilne negotovosti koncentracij delcev so za povpreč ne dnevne vrednosti namreč kar 50 % (mi pa primerjamo urne koncentracije). Slika 6 – Z modelskim sistemom ALADIN-CAMx simulirana onesnaženost zraka pri tleh z delci (v µ g/m 3 ) na notranjem modelskem območ ju z loč ljivostjo 4,4 km. Prikazano je polje za 2. 1. 2011 ob 8. uri po lokalnem č asu. 53 Slika 7 – Vertikalni krajevni presek onesnaženosti zraka z delci iz smeri Postojna proti Murski Soboti preko Ljubljane, Celja in Maribora. Potek je prikazan za 2. 1. 2011 ob 8. uri po lokalnem č asu. Slika 8 – Č asovni potek onesnaženosti zraka z delci nad modelsko toč ko, ki je najbliže Ljubljani. Potek je prikazan za č as od 2. 1. 2011 ob 00 do 3. 1. 2011 ob 00. 54 Slika 9 – Primerjava izmerjenih vrednosti (rdeč a) in modelskih vrednosti (modra) količ ine delcev v zraku pri tleh (v µ g/m 3 ) za Ljubljano, pri č emer modelske vrednosti veljajo v modelski toč ki, ki je najbliže Ljubljani. Č asovni potek je prikazan za obdobje od 2. 1. 2011 ob 00 do 3. 1. 2011 ob 00. Zaključ ki Napovedovanje onesnaženosti zraka z ozonom in z delci z modelskim sistemom ALADIN/CAMx lahko ocenimo za dokaj uspešno. Pri tem je treba upoštevati prostorsko in č asovno kvalitativno in kvantitativno ujemanje z resnič nimi razmerami v ozrač ju. Pri tem je del težave ta, da modelska vrednost predstavlja povpreč je za celotni modelski volumen okrog vsake modelske toč ke, medtem ko je meritev reprezentativna za neko toč ko v prostoru in zgolj njeno bližnjo okolico. Pri delcih je del težave tudi č asovno zelo spremenljiva onesnaženost zraka z delci, zato so meritve onesnaženosti z delci za krajša obdobja tudi manj reprezentativne. Napoved za poletni primer, ko je bila marsikje po Sloveniji zabeležena poveč ana onesnaženost zraka z ozonom, je bila kvalitativno uspešna, kvantitativno pa so modelske vrednosti nekoliko prenizke glede na izmerjene. To delno lahko razložimo s tem, da zaenkrat še niso vključ ene biogene emisije predhodnikov ozona, katerih delež je lahko znaten. Za zimski primer poveč ane onesnaženosti zraka z delci se napoved kvantitativno in kvalitativno dokaj dobro ujema z izmerjeno onesnaženostjo. Literatura Agencija RS za okolje (ARSO): model ALADIN in podatki o emisijah za Slovenijo Carter, W. P. L., 2000: Documentation of the SAPRC-99 Chemical Mechanism for VOC Reactivity Assessment. Final Report to California Air Resources Board Contract No. 92-329, and 95-308. http://www.cert.ucr.edu/~carter/absts.htm#saprc99 55 ENVIRON, 2011: CAMx User's Guide, Comprehensive Air Quality Model With Extensions Version 5.40, ENVIRON International Corporation, Novato, California. MACC a: emisije za področ je Evrope, fp://macclient@neptunus.tno.nl/projects/TNO/beno/macc/ MACC b: kemijski robni pogoji, http://macc.icg.kfa-juelich.de:50080/access MOZART: kemijski robni pogoji: http://www.gmes-atmosphere.eu/d/services/gac/nrt/nrt_fields O’Brien, J. J, 1970: A Note on the vertical structure of the eddy exchange coefficient in the planetary boundary layer, J. Atmos. Sci., 27, 1213–1215. TOMS: http://toms.gsfc.nasa.gov/ozone/ozone.html USGS: raba tal iz podatkov modela WRF 57 Preizkusno obratovanje geomagnetnega observatorija Sinji vrh Rudi Č op, Damir Deželjin 1 Povzetek Pri preizkusnem obratovanju geomagnetnega observatorija Sinji vrh je bilo na zač etku največ č asa posveč enega magnetometrom, nato pa daljinskemu prenosu merilnih podatkov in njihovi grafič ni predstavitvi. Sprotno spremljanje sprememb zemeljskega magnetnega polja na observatoriju je omogoč ilo postopno odkrivanje njihovih izvorov in poveč evanje zanesljivosti delovanja tako merilnega sistema kot tudi telemetrije. Preizkusno obratovanje observatorija bo zaključ eno z organizacijo rednih absolutnih meritev in s postavitvijo vzporednega merilnega sistema za variabilne meritve (zaradi stalnega nadzora meritev) in vzporednega sistema za telemetrijo (zaradi poveč ane zanesljivosti prenosa merilnih podatkov). Podatke bo potrebno shranjevati na dveh popolnoma loč enih strežnikih. Preizkusno obratovanje Gradnja geomagnetnega observatorija Sinji vrh pod Sinjim vrhom nad Ajdovšč ino (v nadaljevanju observatorij) se je zaradi formalnih razlogov že na zač etku razdelila v dve fazi. Njegovo preizkusno obratovanje se je lahko zač elo potem, ko je bil dokonč an prvi del prve faze: ko je bil zgrajen instalacijski kolektor od zač etnega do glavnega jaška s povezavo do jaška ob baraki za meritve in ko je bila postavljena baraka za meritve skupaj z zač asnim mestom za senzor variometra. Ta gradbena in instalacijska dela so bila zaključ ena decembra 2010 s podpisom dokumenta o zač asnem priklopu observatorija na javno nizkonapetostno mrežo. V obdobju pred zač etkom in med samo gradnjo observatorija je bilo potrebno poiskati primerno mesto za postavitev observatorija, izdelati in predelati idejne zasnove in gradbene nač rte ter pridobiti dovoljenja za ureditev dostopne poti. Po izbiri izvajalcev del in po zaključ ku prvega dela prve faze gradnje observatorija pa se je nadaljevalo urejanje razmerij s sosedi na Gori. Na samem observatoriju smo postopoma izboljševali delovanje posameznih sestavnih delov in dopolnjevali merilni sistem in njegovo telemetrijo. Sistematič no se je poveč evala zanesljivost delovanja tako merilnih instrumentov kot tudi ostalih naprav za prenos, shranjevanje in obdelavo merilnih rezultatov (Slika 1). Zač etek gradbenih del drugega dela prve faze se je zavlekel vse do sredine avgusta 2011. Glede na ugodne vremenske razmere je bila več ina gradbenih del skupaj s polaganjem energetskih kablov konč ana še v decembru istega leta. Nad glavnim jaškom je bila za naprave za zajemanje in prenos merilnih podatkov zgrajena loč ena baraka za telemetrijo, zato da se je zmanjšal njen vpliv na magnetometre. Poleg glavnega jaška in jaška pri baraki za meritve sta bila izdelana dodatna loč ena jaška za akumulatorski bateriji. Zaradi galvanske loč itve posameznih delov merilnega sistema so se merilni podatki iz barake za meritve do barake za telemetrijo zač eli prenašati preko optič nih vlaken. Merilni rezultati so se zač eli dodatno obdelovati tako, da se izloč ajo rezultati nepravilnih meritev (Č op et al., 2011). Zaradi zagotovitve energetske avtonomije observatorija se vsi merilni instrumenti in celotna telemetrija na observatoriju napajajo iz 1 Visokošolsko središč e Sežana, Laboratorij za geomagnetizem in aeronomijo, Kraška ulica 2, 6210 Sežana 58 enosmernega omrežja napetosti 12 V. Zato je bil na to napajalno napetost dodatno predelan tudi triosni magnetometer fluxgate, model FGE verzije K. Slika1: Meritve spremembe vrednosti zemeljskega magnetnega polja F(t) [nT] v zadnjih treh dneh pred zač etkom geomagnetne nevihte 9. septembra 2011 Geomagnetne lastnosti področ ja, kjer je sedaj zgrajen observatorij, je potrebno še enkrat preveriti. S primerjalno meritvijo se bo potrdila pravilnost izbire kraja za observatorij ter primernost izbranih merilnih instrumentov. Pred zaključ kom vseh del na drugem delu gradnje observatorija od glavnega jaška do novih merilnic v vrtač i na parceli štev. 310/1 k.o. Kovk (Slika 2) je poleg tega potrebno še enkrat preveriti obstoječ i sistem napajanja, izmeriti upornost ozemljil, potencialne razlike posameznih toč k v sistemu napajanja in preveriti vpliv galvansko loč enega sistema na rezultate meritev. Preizkusna faza bo zaključ ena potem, ko bodo vzpostavljene redne absolutne meritve na observatoriju in postavljen vzporeden sistem variabilnih meritev in vzporeden sistem prenosa merilnih podatkov. Sedanjim meritvam absolutne vrednosti vektorja zemeljskega magnetnega polja F s protonskim magnetometrom in meritvam sprememb komponent zemeljskega magnetnega polja dX, dY, dZ z variometrom FGE bo predvidoma v marcu 2012 dodan še magnetometer fluxgate FLV1/A LAMA. Ta bo omogoč il meritev sprememb komponent dF, dD in dI in stalno primerjavo sedanjih variabilnih meritev. Napajalni sistem Observatorij je edinstvene oblike, ker je postavljen v območ ju Nature 2000 in v ožjem okoljevarstvenem območ ju Gore (Č op, 2010, 2011). Ker je bilo v prvi fazi njegove gradnje pridobljeno dovoljenje za gradnjo kot pomožni objekt za spremljanje stanja okolja, je observatorij raztresen po širšem območ ju parcel štev. 310/1 in 310/2 k.o. Kovk. Edini 59 možni izvor električ ne energije za napajanje observatorija je javna prostozrač na nizkonapetostna električ na mreža, ki se konč a na bližnji kmetiji. Dobavitelj električ ne energije je predlagal, da naj si za observatorij zagotovimo vsaj tridnevno avtonomijo. Priključ na moč merilnega in telemetrijskega sistema je bila ocenjena na 70 W. Slika 2: Merilnica za variabilne meritve tlorisne površine 5 m 2 na robu vrtač e pred ureditvijo njene okolice Električ na priključ na omarica za observatorij je namešč ena na novem betonskem stebru, tretjem po vrsti od priključ ka na vzhodni strani bližnje domač ije. Poleg stebra je zač etni jašek instalacijskega kolektorja, ki je vkopan v zemljo. Celoten instalacijski kolektor je od zač etnega do konč nega jaška dolg preko 190 metrov. Glavni jašek ga deli približno v razmerju 3 : 7, pri č emer je krajša razdalja od njega do zač etnega jaška. V glavnem jašku se odcepi še stranska veja dolžine 36 metrov do jaška poleg barake za meritve. Ozemljitev observatorija je dvojna. Za del, ki je neposredno priključ en na javno omrežje, je namenjeno trač no ozemljilo iz pocinkanega valjanca, na katerega so pritrjeni priključ ki ob vznožju betonskega stebra. Za galvansko loč en del je kot ozemljilo položena bakrena vrv preseka 75 mm 2 in dolžine 160 m, na katerega se lahko priključ uje v zač etnem in glavnem jašku. Za napajanje merilnih instrumentov in telemetrije je zgrajen dvojni galvansko loč en sistem. Prvi sega od priključ ne omarice do glavnega jaška, drugi pa od glavnega do konč nega jaška. Vsak on njiju je zgrajen iz dveh loč ilnih transformatorjev nazivne moč i 350 VA vezana v kaskado. Magnetometri, komunikacijski pretvorniki, dataloggerji in usmerjevalnik z modemom 2G so napajani iz enosmernega sistema napetosti 12 V. V ta namen so namešč eni akumulatorji 110 Ah v dodatnih jaških poleg glavnega jaška, pri baraki za meritve in poleg konč nega jaška. Telemetrija Skupaj z razvojem zamisli o postavitvi geomagnetnega observatorija na ozemlju Slovenije se je zač ela razvijati tudi zasnova sedanje telemetrije na observatoriju (Kraker et 60 al., 2008). Pred nadaljevanjem njenega razvoja je bilo potrebno določ iti osnovno obliko merilnega in ostalega informacijskega sistema, ki se ponovi za vsak magnetometer na observatoriju (Slika 3). Vse te elemente v sistemu za meritve in telemetrijo je med seboj uskladila ustrezno razvita programska oprema. Šele po tej uspešni uskladitvi je lahko sledila njena nadgradnja v več zaporednih fazah. Slika 3: Blokovna shema magnetometra vključ ena v sistem merjenja, zajemanje, shranjevanje in pošiljanje merilnih podatkov na Geomagnetnem observatoriju Sinji vrh Zaradi enostavnejše uporabe in modularne zasnove sistema je bilo odloč eno, da bo za zajem meritev vsakega instrumenta skrbel namenski rač unalnik. Izbran je bil namenski rač unalnik ALIX.3D3 proizvajalca PC Engines GmbH iz Švice (v nadaljevanju: data logger). Rač unalnik je zasnovan na kompatibilni arhitekturi i386, ima en vmesnik RS-232 (Recommended Standard 232) za priklop merilnega instrumenta in en mrežni vmesnik Ethernet ter druge standardne vmesnike. Je lahek in majhen, dimenzij 113 x 163 x 30 mm. Data logger poganja prilagojen operacijski sistem Linux, operacijski sistem pa poganja program za zajem izmerjenih podatkov iz vhoda RS-232. Zajeti podatki se najprej shranijo na lokalni polprevodniški pomnilniški disk, ob vzpostavitvi internetne povezave pa se prenesejo na oddaljen centralni strežnik. Za daljinsko spremljanje geomagnetnih meritev in njihov vpis v centralno relacijsko podatkovno zbirko je bil zasnovan in zgrajen robusten sistem prenosa merilnih podatkov na centralni strežnik. Omenjeni sistem sestavljajo: • komunikacijski kanal, ki temelji na internetnih tehnologijah, • programska oprema za prenos podatkov iz data loggerjev na centralni podatkovni strežnik, • in podatkovna zbirka ter pripadajoč a programska oprema za vpis in naknadno obdelavo (post processing) izmerjenih podatkov. Komunikacijski kanal med data loggerji in centralnim strežnikom temelji na internetnih tehnologijah. Zato je v observatoriju namešč en mrežni usmerjevalnik Digi ConnectPort WAN VPN. Ta uporablja Telekomov paketni prenos podatkov GSM 2G / GPRS (Global System for Mobile Communications, second generation / General Packet Radio services) za povezavo na internet. Sam prenos podatkov pa poteka po protokolu SCP (Security Copy), ki poskrbi za preverjanje integritete in potrjevanje prenosa podatkov. Rezultati daljinskega prenosa merilnih podatkov Sistem za zajemanje, prenos in prikaz merilnih podatkov v realnem č asu je omogoč il sprotno spremljanje, analizo in razlago sprememb zemeljskega magnetnega polja na 61 observatoriju. Pri tem so pomembni viri dodatnih informacij tako internet kot tudi poroč ila sosedov na Gori. S primerjanjem podatkov iz satelitov, ki delujejo kot solarni observatoriji (SOHO, 2011, SDO, 2011), je mogoč e napovedati nastanek geomagnetne nevihte v naslednjih 72 urah. Te napovedi je mogoč e toč neje potrditi nekaj ur vnaprej s pomoč jo meritev na satelitih vrste GEOS, več namenskih geostacionarnih satelitih za raziskavo magnetosfere. Podatki o planetarnem geomagnetnem indeksu Kp, ki jih sproti objavljajo na spletnih straneh za spremljanje in napoved vremena v vesolju (Philips, 2011, CSWC, 2011), pa služijo za prvo preverjanje meritev iz observatorija. Minutne rezultate meritev na njem se preverja s pomoč jo objav na spletnih straneh posameznih geomagnetnih observatorijev (Belsk, 2011). Najprimernejša oblika za primerjavo in izmenjavomerilnih rezultatov sosednih geomagnetnih observatorijev pa bi bila šele lokalna informacijska mreža za primerjavo sekundnih merilnih podatkov. V to mrežo bi bili poleg našega observatorija vključ eni lahko še: Tihany (THY) in Nagycenk (NCK) na Madžarskem, L'Aqula (AQU) v Italiji in Grocka (GCK) v Srbiji. V njej bi lahko sodelovali tudi raziskovalci iz Avstrije (geomagnetni observatorij Wien Kobenzl, WIK, vkluč en v Geomagnetic Data Master Catalogue)), Hrvaške in Makedonije. Sprememba vremena je naslednji pomemben izvor izjemnih sprememb zemeljskega magnetnega polja na observatoriju. Nanj izrazito moč no vplivajo prehodi vremenskih front in sprememba vlažnosti zraka. Za podrobnejšo analizo in za nadaljnjo korelacijo med ostalimi vremenoslovnimi podatki bi bilo potrebno na observatoriju ali v njegovi neposredni bližini postaviti avtomatsko vremenoslovno postajo. Prav tako bi bila potrebna primerjava med seizmološkimi meritvami in spremembami zemeljskega magnetnega polja. Nadaljnji razvoj Poleg boljše razlage merilnih podatkov je v naslednjem kratkoroč nem obdobju potrebno poskrbeti za samodejno obdelavo podatkov po priporoč ilih mednarodnih organizacij IAGA (Belsk, 2011) in INTERMAGNET (Jankowski & Suckdorff, 1996) ter za sekundarno shranjevanje merilnih podatkov. Pri tem bi želeli uporabiti že izdelano in preizkušeno programsko opremo, ki bi jo vključ ili v naš sistem meritev, zajemanja merilnih podatkov, njihovega prenosa, shranjevanja in obdelave. Za zanesljivo obratovanje geomagnetnega observatorija Sinji vrh je potrebno do konca razviti postopke za redno testiranje vseh naprav na observatoriju in za njihovo redno vzdrževanje. Razviti je potrebno tudi najprimernejše nač ine odstranjevanja napak ob izpadih posameznih merilnih sistemov, napajalnega sistema ali telemetrije. Literatura Č OP, Rudi. ed al. Zač etne meritve variacij geomagnetnega polja v Sloveniji. Elektrotehniški vestnik, 2011, vol. 78, n.3, p. 96-101. ISSN: 0013-5852 (Slovenska izdaja), 2232-3228 (English Edition), 2232-3236 (EV Online). Č OP, Rudi. Predlog nač ina gradnje Geomagnetnega observatorija Sinji vrh. Interno poroč ilo. Sežana: Visokošolsko Središč e Sežana; Laboratorij za geomagnetizem in aeronomijo, 25. julija 2010. Č OP, Rudi. Gradnja geomagnetnega observatorija pod Sinjim vrhom nad Ajdovšč ino. Urednik Miran Kuhar. Raziskave s področ ja geodezije in geofizike 2010 : zbornik predavanj. V Ljubljani: Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, 2011, str. 59-64. 62 KRAKER, Peter. et al. Telematic System for Geomagnetic Field Monitoring. International Scientific Conference on Magnetism – Geomagnetism –Biomagnetism MGB-2008. Abstract booklet. Sežana (SLO): Higher Education Centre Sežana; Laboratory for Geomagnetism and Aeronomy, 7th and 8th November 2008. ISBN: 9879619195512. Solar and Heliospheric Observatory SOHO [online]. SOHO is a projekt of international cooperetion between ESA and NASA. Last modification 18 November 2011 [cited 19-11- 2011]. Available from: . Solar Dynamics Observatory SDO [online]. Goddard Space Flight Center [cited 19-11-2011]. Available from: . PHILIPS, Tony. Spaceweather.com [online]. News and information about the SUN-Earth anvironment. Spaceweather.com, 2010 [cited 19-11-2011g. Available from: . Current Space Weather Conditions [online]. NOAA / National Weather Service Boulder (CO; US): NOAA/ National Weather Service; National Centers for Environmental Prediction; Space Weather Prediction Center, last modified: November 5, 2007 [cited 19-11-2011]. Available from: . Research group for geomegnetic observations [online]. Belsk (BEL). Belsk (P): Polish Academy of Science; Institute of Geophysics [cited 20-11-2011]. Available from: . JANKOWSKI, Jerzy. SUCKSDORFF, Christian . Guide for Magnetic Measurements and Observatory Practice. Boulder (CO, US): International Association of Geomagnetism and Aeronomy; NOAA Space Environment Center, 1996. ISBN: 0965068625. INTERMAGNET Technical Reference Manual. Version 4.5. Edited by: Douglas F. Trigg, Richard L. Coles. Prepared by: Diane Regimbald. Edinburgh (UK): British Geological Survey, 2011. 63 Vpliv zunanje temperature na koncentracijo radona v Postojnski jami Asta Gregorič * , Janja Vaupotič * in Stanka Šebela ** Povzetek Kontinuirne meritve koncentracije radona na dveh merilnih mestih, v Lepih jamah in na najnižji toč ki, kažejo v grobem na enoten letni ciklus z višjimi poletnimi (med okrog 4 in 6 kBq m –3 ) in nižjimi zimskimi koncentracijami radona (med 1 in 2 kBq m –3 ). Obe merilni mesti se razlikujeta po geomorfoloških znač ilnostih rovov, kar vpliva na lokalno gibanje zrač nih mas v različ nih letnih obdobjih. Največ ji vpliv na kroženje zraka v jami ima spreminjanje temperature zunanjega zraka. Uvod V Postojnski jami, ki je najdaljša in najbolj obiskana kraška jama v Sloveniji, potekajo meritve naravnega radioaktivnega plina radona (222Rn) že od leta 1995 (Vaupotič et al., 2001). Znano je namreč , da se radon zaradi slabe prezrač enosti kopič i v rudnikih in kraških jamah in je lahko potencialno zdravstveno tveganje predvsem za vodič e, ki se v jami zadržujejo največ č asa. Od leta 2005 merimo koncentracijo radona s kontinuirnimi merilniki na Veliki gori (P1) in v Lepih jamah (P2), od 2010 v Pisanem rovu in dodatno od zač etka leta 2011 na najnižji toč ki turistič nega dela jame (NT) (Gregorič in Vaupotič , 2011; Gregorič et al., 2011). Vzporedno z meritvami radona potekajo od leta 2008 tudi kontinuirne meritve temperature na merilnih mestih P1 in P2 (Šebela in Turk, 2011a). Zaradi velike dolžine rovov, velikih vhodov na različ nih višinah, ponora reke Pivke ter velikih nihanj zunanje temperature in padavin med letom, je Postojnski jamski sistem precej zapleten klimatski sistem (Slika 1, prikaz a). Kljub temu za vse toč ke v jami velja enoten letni ciklus z visokimi koncentracijami radona poleti in nizkimi koncentracijami tega plina v zimskem č asu. Pozimi je zrak v jami toplejši od zunanjega, zato je lažji in se dviga. S tem se sproži tako imenovani »efekt dimnika«. Topel zrak izhaja skozi vertikalne razpoke in manjše višje ležeč e odprtine, kar omogoč i vdor hladnega zunanjega zraka z nizkimi koncentracijami radona v jamski sistem skozi več je nižje ležeč e vhode (Slika 1, prikaz b). V poletnem č asu je ventilacija zraka obrnjena in šibkejša (Slika 1, prikaz c), zato se koncentracije radona v jami povišajo (Gregorič in Vaupotič , 2011). V pomladanskem in jesenskem č asu, ko se režim menja, pa lahko opazimo tudi dnevna nihanja koncentracije radona, ki so predvsem izrazita na merilnih mestih v Lepih jamah in na Najnižji toč ki. Razlike v letnem ciklu nihanja koncentracije radona opažamo lokalno zaradi geomorfoloških posebnosti, ki vplivajo na gibanje zraka. V prispevku primerjamo in analiziramo nihanje koncentracije radona na merilnih mestih P2 in NT v letih 2010 in 2011 in odvisnost le-te od gibanja zraka v različ nih obdobjih. Za razumevanje in interpretacijo gibanja zraka na merilnem mestu P2 so zelo pomembni tudi urni podatki temperature zraka na tej lokaciji. Opis meritev * Institut “Jožef Stefan”, Jamova cesta 39, SI-1000 Ljubljana ** ZRC SAZU, Inšitut za raziskovanje Krasa, Titov trg 2. SI-6230 Postojna Koncentracijo radona na merilnem mestu P2 merimo s kontinuirnim merilnikom Rad 5 WP (SMM Company, Č eška pa z merilnikom Barasol (MC meritvam v okoljih z višjimi koncentracijami radona in ima zato višjo detekcije in nekoliko manjšo natan Poleg radona na merilnem mestu P2 beleži instrumentom proizvajalca Van Essen (t. Merilno mesto P2 leži v umetno pove NT pa na najnižji toč ki turistič Slika 1 – a) tloris Postojnskega jamskega sistema z ozna NT; b) skica vzdolžnega preseka Postojnske jame, s puš zraka v zimskem č s pušč icami je n Skladno z znanim zimskim in pole radona višje v poletnem kot v zimskem poletna koncentracija radona 2010 5080 ± 1800 Bq m –3 , P2 primerljive, v povpreč radona na merilnem mestu NT hladnem delu leta. 64 Koncentracijo radona na merilnem mestu P2 merimo s kontinuirnim merilnikom Rad Č eška republika) (obč utljivost 50 Bq m –3 ), na merilnem mestu NT Barasol (MC-450, ALGADE, Francija), ki je namenjen ih z višjimi koncentracijami radona in ima zato višjo detekcije in nekoliko manjšo natanč nost. Merilnika shranjujeta podatke s frekvenco 1 h Poleg radona na merilnem mestu P2 beležimo temperaturo zraka a Van Essen (t. i. diver, temperaturna natanč nost Merilno mesto P2 leži v umetno poveč anem stranskem rovu v Lepih jamah č ki turistič nega dela jame. a) tloris Postojnskega jamskega sistema z označ enima merilnima mestoma P2 in NT; b) skica vzdolžnega preseka Postojnske jame, s pušč icami je nakazana smer v zimskem č asu; c) skica vzdolžnega preseka Postojnske jame, č icami je nakazana smer gibanja zraka v poletnem č Rezultati meritev Skladno z znanim zimskim in poletnim režimom ventilacije v jami radona višje v poletnem kot v zimskem č asu na obeh merilnih mestih (Slika 2). Povpre adona se na P2 v letih 2010 in 2011 izrazito razlikuje in je , leta 2011 pa le 2480 ± 970 Bq m –3 . Pozimi povpreč ju okrog 2000 Bq m –3 (Tabela 1). Povpreč radona na merilnem mestu NT je 4090 ± 720 Bq m –3 v toplem in 291 Koncentracijo radona na merilnem mestu P2 merimo s kontinuirnim merilnikom Radim ), na merilnem mestu NT ), ki je namenjen predvsem ih z višjimi koncentracijami radona in ima zato višjo spodnjo mejo Merilnika shranjujeta podatke s frekvenco 1 h –1 . zraka z avtomatskim č nost ± 0.1 °C). anem stranskem rovu v Lepih jamah, merilno mesto enima merilnima mestoma P2 in icami je nakazana smer gibanja asu; c) skica vzdolžnega preseka Postojnske jame, v poletnem č asu tnim režimom ventilacije v jami so koncentracije (Slika 2). Povpreč na izrazito razlikuje in je bila leta so koncentracije na (Tabela 1). Povpreč na koncentracija 2910 ± 1230 Bq m –3 v 65 Slika 2 – meseč na povpreč ja koncentracij radona na merilnem mestu P2 (C Rn P2 ) v letu 2010 in 2011 in na merilnem mestu NT (C Rn NT ) v letu 2011 Sezonsko nihanje temperature na merilnem mestu P2 je obratno kot nihanje temperature zunanjega zraka. Temperatura je najnižja in skoraj konstantna poleti (okoli 9,9–10 °C), v preostalih treh letnih č asih, ko zunanje temperature (vsaj del dneva) padejo pod jamsko temperaturo 10–11 °C, se prič ne temperatura zraka na P2 zelo spreminjati in je v povpreč ju izrazito višja kot poleti. Velika temperaturna nihanja v dnevnem ciklu, do katerih prihaja predvsem v prehodnih obdobjih spomladi in jeseni, so v glavnem posledica spreminjanja smeri gibanja lokalnih zrač nih mas v jami (Šebela in Turk, 2011b). Tabela 1 – srednja vrednost in standardni odklon koncentracije radona na merilnih mestih P2 in NT in temperature na merilnem mestu P2 za tople in hladne dele leta 2010 in 2011 ± april–september januar–marec, oktober–december 2010 2011 2010 2011 C Rn P2 / Bq m –3 5080 ± 1800 2480 ± 970 2010 ± 1580 1560 ± 920 C Rn NT / Bq m –3 / 4090 ± 720 / 2910 ± 1230 T P2 / °C 10,0 ± 0,2 10,0 ± 0,1 10,3 ± 0,1 10,2 ± 0,1 Nizke koncentracije radona v zimskem č asu (ko so zunanje temperature nižje od temperatur zraka v jami) so predvsem posledica vdorov svežega zunanjega zraka z nižjo koncentracijo radona skozi več je nižje ležeč e vhode (Slika 1, prikaz b). Toplejši jamski zrak je lažji in se zato dviguje in izhaja iz jame skozi razpoke in manjše odprtine. Na merilnem mestu P2 prihaja zrak iz glavnega rova Lepih jam in nižjih delov jame. Zato v obdobju z zimskim režimom ventilacije opažamo visoko korelacijo med koncentracijami radona na merilnih mestih P2 in NT (Slika 3), obenem pa tudi višje temperature zraka z več jimi nihanji na P2. Poleti, ko so temperature zunanjega zraka višje od temperatur v jami, je gibanje zraka poč asnejše, kar povzroč i kopič enje radona v jamskem zraku in zato višje koncentracije. Ta vzorec lahko opazimo na merilnem mestu na najnižji toč ki (NT) poleti, ko so koncentracije radona konstantno visoke, brez izrazitih nihanj. Slika 3 – primerjava č asovnih nizov temperature na P2 ( Drugač en ciklus gibanja zraka v koncentraciji radona znač se poleti temperatura izrazito razlikuje od temperature v kar kaže na lokalno spremembo gibanja zra Opažamo pa tudi, da so se koncentracije radona na P2 od obsežnejših poplav septembra 2010 znižale na najnižjo raven takrat dalje so koncentracije radona na P2 v Zaznati je tudi obč utno znižanje koncentracije režim ventilacije in je opazno znižanje temperature na P2 na poletni nivo (9,89 (Slika 4). Slika 4 – izsek č asovnega (C Rn NT ) , temperature na merilnem mestu 66 č asovnih nizov koncentracije radona na P2 (C Rn P2 temperature na P2 (T P2 ) od marca 2010 do oktobra 2011 gibanja zraka pa opažamo na merilnem mestu P2, kjer v koncentraciji radona znač ilna tudi za poletno obdobje (Slika 3). Na tem merilnem mestu izrazito razlikuje od temperature v drugih treh letnih kar kaže na lokalno spremembo gibanja zrač nih mas v tem delu jame. Opažamo pa tudi, da so se koncentracije radona na P2 od obsežnejših poplav septembra raven, kljub jesenskim temperaturam, ki so podobne jamskim. takrat dalje so koncentracije radona na P2 v vsem letu obč utno nižje k č utno znižanje koncentracije radona vsakokrat, ko se vzpostavi poletni režim ventilacije in je opazno znižanje temperature na P2 na poletni nivo (9,89 č asovnega niza koncentracije radona na merilnem mestu P2 ( merilnem mestu P2 (T P2 ), temperature zunanjega zraka ( povpreč ne temperature v jami (T j ) ) in NT (C Rn NT ) in do oktobra 2011 pa opažamo na merilnem mestu P2, kjer so več ja nihanja Na tem merilnem mestu treh letnih č asih (Slika 3), Opažamo pa tudi, da so se koncentracije radona na P2 od obsežnejših poplav septembra , kljub jesenskim temperaturam, ki so podobne jamskim. Od utno nižje kot v preteklih letih. vsakokrat, ko se vzpostavi poletni režim ventilacije in je opazno znižanje temperature na P2 na poletni nivo (9,89 °C) niza koncentracije radona na merilnem mestu P2 (C Rn P2 ) in NT , temperature zunanjega zraka (T z ) in 67 Zaključ ek Za Postojnski jamski sistem sta znač ilna izrazit zimski in poletni režim ventilacije, kar se odraža na visokih poletnih in nizkih zimskih koncentracijah radona. Največ ji vpliv na ventilacijo ima temperatura zunanjega zraka. V zimskem obdobju, ko prevladuje »efekt dimnika«, so koncentracije radona na obeh merilnih mestih, v Lepih jamah in na najnižji toč ki, primerljive, medtem ko opažamo izrazito nižjo korelacijo koncentracije radona med obema merilnima mestoma poleti. Takrat je prezrač evanje precej poč asnejše in so koncentracije radona na najnižji toč ki konstantno višje, brez izrazitih nihanj. Nasprotno pa so koncentracije radona v Lepih jamah poleti odvisne od dotoka zraka iz neznanega ozadja, kar hkrati vpliva tudi na znižanje temperature na najnižji nivo. Izrazito spremembo v koncentracijah radona lahko opazimo v Lepih jamah po poplavah septembra 2010, saj so od takrat dalje koncentracije na tem merilnem mestu izrazito nižje kot v prejšnjih letih. Možna razlaga bi bila, da se je v č asu poplav jeseni 2010 v delu jame, od koder doteka zrak med poletnim režimom ventilacije, odprl dodaten »prehod«, skozi katerega vdira zrak z nižjo koncentracijo radona. Literatura Gregorič , A., Vaupotič , J. 2011. Radon concentration and ventilation in two different passages in the Postojna Cave. European Geoscience Union, General Assembly 2011, Vienna, Austria, 03- 08 April 2011. Gregorič , A., Zidanšek, A., Vaupotič , J. 2011. Dependence of radon levels in Postojna Cave on outside air temperature. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 11, 1523–1528. Šebela, S., Turk, J. 2011a. Local characteristics of Postojna Cave climate, air temperature, and pressure monitoring. Theor. and Appl. Climatol., 1–16. Šebela, S., Turk, J. 2011b. Klimatske znač ilnosti Postojnskega jamskega sistema, v: Kuhar, M. (Ur.), Raziskave s področ ja geofizike in geodezije, 2010: zbornik predavan. Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, 7–11. Vaupotič , J., Csige, I., Radolić , V., Hunyadi, I., Planinić , J., Kobal, I. 2001. Methodology of radon monitoring and dose estimates in Postojna Cave, Slovenia. Health Phys. 80, 142–147. 69 Raziskave pretakanja padavin skozi vadozno cono Kraških vodonosnikov Janja Kogovšek * Povzetek Kraški vodonosniki dajejo v Sloveniji velik del pitne vode. Zato je zelo pomembna kakovost njihove vode. Dolgoroč no varovanje teh vodnih virov je možno le na osnovi dobrega poznavanja njihovega delovanja. Pogosto so kraški vodonosniki zelo kompleksni sistemi, ki se napajajo z infiltracijo padavin in s površinskimi vodnimi tokovi. Dinamika napajanja z vodnimi tokovi je že razmeroma dokaj dobro poznan proces, pretakanje infiltriranih padavin in z njimi prenos snovi neposredno s kraškega površja, pa je še slabo raziskano. Prispevek podaja raziskave pretakanja padavin skozi 100 m debelo vadozno cono Postojnske jame. Obsega rezultate zveznih meritev padavin na površju in pretokov curkov v jami v č asu štirih zaporednih hidroloških let, ki so pokazale dinamiko pretakanja padavin skozi vadozno cono ob različ nih kombinacijah pogojev na površju in v vadozni coni. Ugotovljeno je bilo, da prihaja v deževnih obdobjih ob dobro namoč eni prsti in relativno zapolnjeni vadozni coni do zveznega pretakanja po celotni hierarhiji razpok, medtem ko prihaja v sušnih obdobjih do pomembnih procesov shranjevanja vode v vadozni coni. Na dinamiko pretakanja vode pa je neposredno vezan tudi prenos kontaminantov. Uvod Okoli 12 % kontinentalnega dela našega planeta gradijo karbonatne kamnine, v Evropi 35 % in v Sloveniji okoli 44 %, in kar č etrtina svetovnega oz. polovica slovenskega prebivalstva se oskrbuje z vodo iz kraških vodonosnikov. Ti so pogosto obsežni in zelo heterogeni vodni sistemi, saj se poleg napajanja z infiltracijo padavin napajajo tudi z rekami ponikalnicami, vanje pa lahko zatekajo tudi vode z nekraškega sveta. Vsi ti viri napajanja pa pomenijo tudi možnost vnosa onesnaženja v vodonosnik. Vodni tokovi pomenijo hiter prenos onesnaženja, pomemben pa je tudi neposreden prenos onesnaženja s površja skozi vadozno cono vodonosnika, ki je bil do sedaj podcenjen. Raziskave vadozne cone v preteklosti so nakazovale, da se padavine, ki se sorazmerno hitro infiltrirajo v vadozno cono, lahko v tem delu vodonosnika zadržijo tudi daljši č as (Mangin, 1973, Bakalowicz et. al., 1974, Kogovšek in Habič , 1981, Williams, 1983, Kogovšek, 1982, 1983, 1984, 1990, 1994b, 1994a, 2000, Pezdič et al., 1984, Smart in Friedrich 1986, Klimchouk 1995, Stichler et al., 1997, Jeannin in Grasso 1995, Maloszewski et al., 2002, Perrin et al., 2003a, Trč ek 2003). To znanje je bilo pridobljeno z opazovanjem izvirov, z opazovanji v vadozni coni le krajši č as, ali pa dolgotrajnejše raziskave niso zajele curkov z bistveno različ no prepustnostjo zaledja, ki bi bili reprezentativni za celotno vadozno cono. Zato sem zasnovala lastne raziskave na območ ju Postojnske jame. V okviru več parametrskih raziskav, ki so temeljile na zveznih meritvah in analizah prek več zaporednih hidroloških let, sem spoznala tudi dinamiko pretakanja infiltriranih padavin in se posebej posvetila dogajanju v vodnih valovih po padavinskih dogodkih. * Inštitut za raziskovanje krasa ZRC SAZU, Titov trg 2, 6230 Postojna 70 Območ je raziskav in metode dela Raziskave pretakanja padavin skozi vadozno cono krasa so potekale v Postojnski jami z debelino vadozne cone 100 m. Debelina jamskega stropa oz. debelina vadozne cone je bila določ ena na osnovi stabiliziranega poligona v jami in prenosa poligonskih toč k na površje. Izmera elementov poligona je bila napravljena z elektronskim razdaljemerom NIKON DTM-A10 LG (Drole, 1992). Na površju nad raziskovalnim poligonom v jami so potekale meritve padavin z dežemerom s shranjevalnikom podatkov HOBO Event Logger RG2-M, podjetja ONSET, ki zabeleži vsakih 0,2 mm padavin (slika 2). Podatki padavin so bili osnova za izrač un efektivne infiltriracije. Izrač un je bil narejen po metodologiji, ki jo je opisala M. Petrič (2001, 2002). Soč asno so v jamskem rovu potekale meritve pretoka in fizikalnih parametrov več curkov. Za dolgotrajno zvezno spremljanje sem izbrala tri reprezentativne curke: več ji nestalen curek I s pretokom do 4000 ml/min, stalni curek J s pretokom do 130 ml/min (Slika 3) in stalni curek L s pretokom do 10 ml/min. Curek I doteka vrh kope, kjer smo naredili manjšo zajezitev z vgrajenim prelivom. Ob njem smo pritrdili sondo za merjenje nivoja za izrač un pretokov (Gealog S podjetja Logotronic). V neposredni bližini smo pritrdili še kombinirano sondo (YSI) za meritve temperature, specifič ne električ ne prevodnosti - EC. Vodo curka J smo speljali v posodo z majhnim iztokom, v kateri smo s sondo merili višino vode in EC vsakih 15 minut (Gealog S). Enako kot za curek I sem z obč asnimi vzporednimi roč nimi meritvami pretoka izdelala umeritveno krivuljo in izrač unala funkcijsko odvisnost pretoka od nivoja za izrač un pretokov. Pretok curka L oz. kapljanja sem merila najprej s prirejenim evaporimetrom z mehansko uro, kasneje pa z dežemerom s shranjevalnikom podatkov HOBO Event Logger RG2-M. Slika 1: Območ je raziskav (bela polna pušč ica), padavinska postaja (č rtkana bela pušč ica) in za orientacijo vhod v Postojnsko jamo (č rtkana siva pušč ica) 71 Slika 2: Meritve padavin na površju nad raziskovalnim poligonom v Postojnski jami Slika 3: Meritve pretoka, temperature in električ ne prevodnosti curka J v Postojnski jami, 100 m pod površjem Rezultati Letna količ ina padavin v hidrološkem letu 2003-04 je bila 1618,3 mm, letna količ ina efektivno infiltriranih padavin pa 1225,9 mm (75,8 %). Pozno jesenske in zgodnje zimske padavine dokaj dobro sovpadajo s količ ino efektivno infiltriranih padavin (I ef ). Več ja 72 odstopanja nastopajo v č asu snežnih padavin in nizkih temperatur, spomladi v č asu prebujajoč e se vegetacije s poveč ano transpiracijo in v toplih poletnih mesecih s poveč ano evapotranspiracijo (Slika 4). Obč asni curek I s pretokom do 4000 ml/min na dovolj izdatne padavine reagira najhitreje. V namoč enih obdobjih oblikuje vodne valove s hitrim narašč anjem pretoka, ko doseže pretok maksimalno vrednost v 6 do 60 urah, ob izostanku padavin pa hitro presahne. V jesensko-zimskem obdobju hidrološkega leta 2003-04 je 5-krat presahnil za 3 do 15 dni (Slika 4). V manjšem stalnem curku J s pretokom do 130 ml/min, kjer je letna iztekla količ ina več kot 20-krat manjša od curka I, prihaja do moč nega dušenja infiltriranih padavin. Curek prek leta nikoli ne presahne, na padavine pa reagira z več jimi č asovnimi zamiki v primerjavi s curkom I. Za njegove vodne valove je znač ilno poč asno narašč anje in upadanje pretoka. 0 20 40 60 80 100 Pcor, Ief (mm) Pcor Ief 0 1000 2000 3000 4000 5000 Q (ml/min) 0 100 200 300 Vsum (m 3 ) Q V sum Curek I 0 20 40 60 80 100 120 140 Q (ml/min) 0 2 4 6 8 10 12 14 Vsum (m 3 ) Q Vsum Curek J 0 50 100 150 200 250 24.9.03 13.11.03 2.1.04 21.2.04 11.4.04 31.5.04 20.7.04 Q (ml/h), Vsum (l) Q V sum Curek L Slika 4: Padavine (P cor ), efektivna infiltracija (I ef ) ter hidrogrami s kumulativno krivuljo (V sum ) opazovanih curkov I, J in L za hidrološko leto 2003-04 73 Po daljšem poletnem sušnem obdobju je konec oktobra 2003 na padavine reagiral 2,5 dni za curkom I (slika 5), v dobro namoč enih obdobjih pa je ta č asovni zamik opazno manjši. Hidrograma curkov I in J sta si v pojavljanju zaporednih vodnih valov dokaj podobna. Le ko curek I presahne za krajša obdobja, je pretok curka J v poč asnem upadanju in ne upade pod 10 ml/min, razen konec hidrološkega leta, ko dosega minimalne vrednosti. Največ ji vodni valovi SO nastopaLI pri curkih I in J v spomladanskem obdobju od srede marca dalje, č eprav je bila tedaj povpreč na dnevna efektivna infiltracija celo nekoliko manjša (4,3 mm/dan) kot v jesensko-zimskem obdobju (4,5 mm/dan). V spomladanskem obdobju je izteklo skozi curek I 1,6–krat več , skozi curek J pa 1,1-krat več vode kot v jesensko-zimskem obdobju, kar se vidi tudi iz kumulativnih krivulj iztekle prenikle vode. Primerjava kumulativnih krivulj obeh curkov nakazuje bolj enakomerno iztekanja infiltriranih padavin skozi curek J, kar pomeni več jo homogenizacijo v vadozni coni. To so potrdile tudi meritve drugih parametrov. Bistveno drugač en je hidrogram curka L (Slika 4). Na padavine po poletnem sušnem obdobju oktobra 2003 je minimalno reagiral, skoraj 3 dni za curkom J in 5 dni za curkom I. Izrazita reakcija je sledila šele konec novembra po naknadnih izdatnih padavinah (slika 5). V obdobju treh in pol mesecev je nato prišlo do poveč anega zveznega iztekanja vode z dvema izrazitima viškoma po najizdatnejših padavinah. Kasnejše več je padavine so se le minimalno odrazile v pretoku, ki je stalno poč asi upadal. To nakazuje, da je v danih razmerah prihajalo predvsem do shranjevanja vode v dokaj spraznjenem zaledju curka L. Le-to se zaradi slabe prepustnosti poč asneje zapolnjuje kot zaledje curkov z bolj prepustnimi prevodniki, ki se hitreje zapolni in tudi hitreje sprazni. 0 50 100 150 200 250 Q - J, Q - L 0 1000 2000 3000 4000 Q - I J (ml/min) L (ml/h) I (ml/min) 0 20 40 60 80 100 23.9.03 13.10.03 2.11.03 22.11.03 12.12.03 1.1.04 Pcor, Ief (mm) Pcor Ief Slika 5: Reakcija pretokov znač ilnih curkov I, J in L na padavine po daljšem sušnem poletnem obdobju. V sledeč ih dveh hidroloških letih so upadali letna količ ina padavin, količ ina efektivno infiltriranih padavin in delež infiltracije. V hidrološkem letu 2004-05 in v zač etku 74 hidrološkega leta 2005-06 smo tako beležili skromnejše vodne valove pri curkih v jami, šele nato pa so se zopet oblikovali izdatnejši (Slika 6). Tudi potek EC je bil vzporedno bistveno drugač en. Vse to nakazuje drugač en nač in infiltracije, pomembne procese shranjevanja in posledič no drugač no iztekanje vode iz zaledja. 0 50 100 Ief (mm) 0 1000 2000 3000 4000 5000 Q (ml/min) Curek I 0 20 40 60 80 100 120 140 Q (ml/min) Curek J 0 100 200 300 400 13.7.02 9.1.03 8.7.03 4.1.04 2.7.04 29.12.04 27.6.0 5 24.12.05 22.6.06 Q (ml/h) Curek L Slika 6: Dnevna efektivna infiltracija in hidrogrami opazovanih curkov 100 m pod površjem v obdobju štirih zaporednih hidroloških let Posamezni tipi curkov v vadozni coni so prispevali v globlje dele kraškega vodonosnika v zaporednih hidroloških letih različ ne količ ine vode. Po letni količ inski izdatnosti, ob upoštevanju treh hidroloških let, so curki, kot je curek I, v povpreč ju 23-krat izdatnejši od curkov, kot je curek J, in curki, kot je curek J, kar 80-krat izdatnejši, kot so curki, ki jih predstavlja curek L. Pri tem je potrebno upoštevati tudi pogostost posameznih tipov pretakanja. Č e so curki tipa L 80-krat pogostejši kot curki tipa J, bi pomenilo, da v sušnih obdobjih, ko so curki, kot je curek I, obič ajno suhi, prispevajo v kraški vodonosnik vsaj 75 enako pomemben del vode kot curki tipa J, obč asno pa je prispevek curka L lahko več ji, kot je bilo poleti 2006 (Sslika 6). Razmerje med količ ino vode, ki sta jo v zaporednih hidroloških letih prispevala curka I in J, kaže na vse več ji delež stalnega, manjšega curka J. To pomeni, da v bolj sušnih letih z manj padavinami, ko je posledič no tudi količ ina infiltriranih padavin vse manjša, pomembnejši prispevek vode v vodonosnike dajejo manjši stalni curki (kot je curek J) oz. se vodonosniki napajajo predvsem z dotokom vode po mreži manj prepustnih razpok. Sklepi Na osnovi rezultatov zveznih meritev padavin na površju ter pretokov v jami smo prišli do pomembnih spoznanj. Dinamika iztekanja vode iz vadozne cone krasa je neposredno vezana na dotok sveže vode, a ni odvisna le od intenzivnosti in količ ine efektivno infiltraranih padavin, temveč tudi od vsakokratne namoč enosti prsti ter zapolnjenosti vadozne cone. Le ob dobri namoč enosti prsti in ustrezni zapolnjenosti vadozne cone prihaja do zveznega iztekanja po celotni hierarhiji različ no prepustnih razpok v vadozni coni. Ob slabi namoč enosti prsti, predvsem v sušnih obdobjih, se padavine infiltrirajo le po bolj prepustnih prevodnikih skozi prst in vstopajo po prepustnejših razpokah v vadozno cono, kjer se pretežno shranjujejo. Primerjava dnevne efektivne infiltracije na obravnavanem poligonu in hidrogramov opazovanih curkov v štirih zaporednih hidroloških letih je pokazala na bistveno različ no pretakanje po različ no prepustnih razpokah v vadozni coni (Slika 6). Največ ji, nestalni curek I (maksimalni pretok okoli 4 l/min) po padavinah hitro odvaja v zaledju shranjeno vodo, s katero se v zač etnem delu vodnih valov ob največ jih pretokih mešajo tudi sveže infiltrirane padavine. Vendar pa je delež teh v vodnih valovih dosegal le do največ 18 % (meritve električ ne prevodnosti). Manj izdatni curki, ki so stalni, kot je curek J (maksimalni pretok 130 ml/min), reagirajo na padavine z določ enim č asovnim zamikom za več jim curkom I (od 1/2 do 2 dni). Njihova zgradba zaledja omogoč a dobro homogenizacijo infiltriranih padavin, kar se je odrazilo tako v pretoku kot v drugih merjenih parametrih. Izotopske analize baznega toka curka J so pokazale, da je povpreč ni zadrževalni č as več kot eno leto, medtem ko je za curek I le 2,5 meseca. Stalno kapljanje L, z maksimalnim pretokom le nekaj ml/min, ima popolnoma svoj vzorec iztekanja. Do zveznega izdatnega praznjenja njegovega pretežno slabo prepustnega zaledja in oblikovanja obsežnega vodnega vala, ki traja do več mesecev, prihaja obč asno (ne vsako leto), šele ko je njegovo zaledje dovolj zapolnjeno in prst namoč ena, da izdatne in intenzivne padavine potisnejo shranjeno vodo iz njegovega zaledja. Tudi ta tip prevodnikov, č eprav je količ insko zelo skromen, je pa pogost, lahko poleg curkov, kot jih predstavlja curek J, pomembno prispeva vodo v kraške izvire v sušnih obdobjih, ko so bolj prepustni prevodniki suhi (kot je curek I). Vendar pa taki dobro prepustni prevodniki v deževnih obdobjih hitro odvajajo velike količ ine vode, ko prihaja do uč inkovitega spiranja širših zaledij kraških izvirov, saj omogoč ajo tudi hiter prenos morebitnih kontaminantov ob več jih razredč itvah. V poletnih sušnih obdobjih, ki trajajo od 2,5 do 6 mesecev, se tudi več ja količ ina manj intenzivnih padavin (do 390 mm padavin oz. do 180 mm efektivno infiltriranih padavin) pretežno shranjuje v zaledje curkov in prihaja le do minimalnega iztoka iz vadozne cone ali pa ta celo izostane. Tako iz vadozne cone minimalno izteka le že predhodno shranjena voda. 76 Na osnovi izrač unov celoletnih količ in infiltriranih padavin in iztekle vode skozi opazovane curke v vadozni coni v treh zaporednih hidroloških letih sledi, da prihaja zaradi razlik v infiltraciji (različ na razporeditev, intenzivnost in količ ina padavin) ter zaradi različ nih razmer na površju, v prsti in v vadozni coni, do bistveno različ nega razmerja med letno količ ino vode, ki se infiltrira v zaledje, in tisto, ki izteka skozi vadozno cono in napaja globlje dele vodonosnika. Zvezne in intenzivnejše padavine v č asu hidrološkega leta pogojujejo dobro namoč eno prst in dobro zapolnjenost vadozne cone ter zvezno iztekanje vode iz celotne hierarhije povezanih razpok. Pri tem prihaja do iztekanja tudi iz najslabše prepustnih delov vadozne cone, ki se sicer prazni le obč asno ob ustreznih pogojih (hidrološko leto 2003-04). Zato pa se padavine, ki sledijo takemu obdobju, v več ji meri porabljajo za zapolnjevanje dokaj spraznjenega zaledja in je posledič no iztok predhodno shranjene vode iz vadozne cone šibkejši (celo hidrološko leto 2004-05 in vse do februarja 2006). To potrjujejo tudi meritve EC z bistveno drugač nim potekom, ki nakazuje iztekanje pretežno shranjene vode. Zahvala Raziskave so potekale v okviru programa Raziskovanje krasa (ARRS) in ob podpori Slovenske nacionalne komisije za UNESCO - IHP program. Literatura Bakalowicz, M., Blavoux, B., Mangin, A. 1974. Apport du traçage isotopique naturel à la connaissance du fonctionnement d'un système karstique – teneurs en oxygène-18 de trois systèmes des PyrenØes, France. Journal of Hydrology, 23, 1-2: 141-158. Drole, F. 1992: Poroč ilo o prenosu koordinat jamskega poligona Pisanega rova Postojnske jame na površje.- Arhiv IZRK, 2 str. + 3 priloge, Postojna. Jeannin, P.-Y., Grasso, A.D. 1995. Recharge respective des volumes de roche peu permØable et des conduits karstiques, rôle de l'Øpikarst. Bulletin d'Hydrologie, 14, 95-111. Klimchouk, A. 1995. Karst Morphogenesis in the epikarstic zone. Inter. Symp. on changing karst environments, Oxford and Huddersfield. Cave and karst science, 21, 2: 45-50. Kogovšek, J., Habič , P. 1981. Preuč evanje vertikalnega prenikanja vode na primerih Planinske in Postojnske jame. Acta carsologica. 9: 129-148. Williams, P.W. 1983: The role of the subcutaneous zone in karst hydrology. Journal of Hydrology, 61: 45-67. Kogovšek, J. 1982. Vertikalno prenikanje v Planinski jami v obdobju 1980/81. Acta carsologica, 10: 110-125. Kogovšek, J. 1983. Prenikanje vode in izloč anje sige v Pisanem rovu Postojnske jame. Acta carsologica, 11: 63-76. Kogovšek, J. 1984. Vertikalno prenikanje v Škocjanskih jamah in Dimnicah. Acta carsologica.12: 49-65. Kogovšek, J. 1990. Znač ilnosti pretakanja padavin skozi strop Taborske jame. Acta carsologica, 19: 139-156. Kogovšek, J. 1994a. Kombinirano sledenje skozi strop Pivke jame. Naše jame, 36: 58-66. Kogovšek, J 1994b. Prenikajoč a voda v jamah primorskega krasa. Annales, 4, 4: 149-154. Kogovšek, J. 2000. Ugotavljanje nač ina pretakanja in prenosa snovi s sledilnim poskusom v naravnih razmerah. Annales, 10, 1=19: 133-142. Mangin, A., 1973: Sur la dyinamique des transferts en aquifère karstique. Proc. of the 6th Inter. Cong. of Speleology, Olomuc, 4: 157-162. Perrin, J, Jeannin, P.-Y., Zwahlen, F. 2003a: Epikarst storage in a karst aquifer: a conceprual model based on isotopic data, Milandre test site, Switzerland. Journal of Hydrology, 279, 1: 106-124. 77 Pezdič , J., Leskovšek-Šefman, H., Dolenec, T., Urbanc, J. 1984. Isotopic study of karst water. Final Report on IAEA Research Contract No.2845/RB. J.Stefan Institute, 47p, Ljubljana. Petrič , M. 2001. The role of accurate recharge estimation in the hydrodinamic analysis of karst aquifers. Acta carsologica, 30, 1:69-84. Petrič , M. 2002. Characteristics of recharge-discharge relations in Karst aquifer. (Zbirka Carsologica). Založba ZRC SAZU, 154 p, Postojna-Ljubljana, Smart, P.L., Friedrich, H. 1986: Water movement and storage in the unsaturated zone of a maturely karstified carbonate aquifer, Mendip Hills, England, In: Proceedings of the Conference on environmental problems of karst terranes and their solutions, National Water Well Association, 59-87, Dublin. Stichler, W., Trimborn , P., Maloszewski, P., Rank, D., Papesch, W., Reichert, B. 1997. Isotopic investigations. Acta carsologica 26,1. In: Kranjc A.(Ed) Karst Hydrogeological Investigations in South-Western Slovenia, 213-235, Ljubljana. Trč ek, B. 2003. Epikarst zone and the karst aquifer behaviour. A case study of the Hubelj catchment, Slovenia. Geološki zavod Slovenije, 100 p, Ljubljana. 79 Vplivi dogajanj na Soncu na določ itev položaja z enofrekvenč nimi kodnimi GNSS-instrumenti: priprava na vrh 24. Sonč evega cikla Oskar Sterle 1 , Bojan Stopar 2 in Polona Pavlovč ič Prešeren 3 Povzetek V prispevku posredno nač in predstavljamo dogajanja na Soncu v č asu več je in manjše intenzitete prejšnjega 23. in trenutnega 24. Sonč evega cikla. Sonč eva aktivnost sledi periodi enajstih let, intenzivnost dogajanj pa med drugim opišemo s številom Sonč evih peg in s številom različ nih izbruhov na Soncu. Dogajanja na Soncu vplivajo tudi na spremembo števila prostih elektronov v plasti ionosfere, kar naprej vpliva na spremembo razširjanja radijskih valov, to je tudi GNSS- opazovanj. V obdelavi GNSS-opazovanj moramo vpliv upoštevati in ga odstraniti ali zmanjšati z uporabo ustreznih modelov. Vpliv plasti ionosfere na razširjanje GNSS-opazovanj je različ en za različ ne tipe opazovanj. Poznamo različ ne pristope modeliranja in upoštevanja vpliva ionosferske refrakcije na GNSS-opazovanja. V prispevku je opisan nač in uporabe GNSS-tehnologije za spremljanje dogajanj v ionosferi, saj nam konkretno izvedena GNSS-opazovanja lahko služijo za modeliranje dogajanj v ionosferi. Tako pridobljen potek dogajanj v ionosferi lahko primerjamo s podatki o Sonč evih pegah, ki so pridobljeni z drugimi metodami. Glavni namen prispevka je pokazati, kako neupoštevanje ali pomanjkljivo upoštevanje vpliva ionosfere na razširjanje GNSS- opazovanj vpliva na toč nost in natanč nost določ itve položaja na Zemlji. Predstavljene so prednosti in slabosti modeliranja ionosferske refrakcije. Iz podatkov opazovanj iz prejšnjega Sonč evega cikla so prikazane situacije, ko več ja nenadna aktivnost na Soncu lahko povzroč i več metrsko spremembo določ itve položaja, č e le-ta temelji na obdelavi enofrekvenč nih kodnih opazovanj. Uvod V decembru 2008 smo prešli v 24. Sonč ev cikel, katerega vrh prič akujemo v maju 2013. V tem č asu bo poveč ana intenzivnost dogajanja na Soncu. Dogajanje na Soncu merimo s številom Sonč evih peg in pojavom več jih izbruhov različ nih tipov (izbruhi X, F, ...). Sonč eva aktivnost ima ciklus (periodo) enajstih let, zato nam študija dogajanj v prejšnjih ciklih lahko služi kot pomoč pri razumevanju dogajanj v trenutnem ciklu. Pojavi na Soncu vplivajo na spremembe v plasti ionosfere, kar vpliva na razširjanje radijskih signalov v okviru GNSS (angl. Global Navigation Satellite System) in posledič no na določ itev položaja na Zemlji ali v njeni bližini. Uporabnik GNSS-tehnologije dogajanj na Soncu direktno ne zazna oziroma jih zazna šele v primeru izgube GNSS-signala in posledič no v nezmožnosti določ itve položaja. To pomeni, da tudi v primeru več jih nenadnih sprememb v ionosferi položaj na Zemlji še vedno lahko določ amo, vendar je le-ta slabše kakovosti. Podatka o kakovosti določ itve položaja pa uporabnik enofrekvenč nih GNSS-instrumentov nima na razpolago. V prispevku podrobneje obravnavamo dogajanja na Soncu v prejšnjem 23. Sonč evem ciklu in ugotavljamo, kako nenadne spremembe v ionosferi vplivajo na določ itev položaja pri uporabi enostavnih navigacijskih GNSS-sprejemnikov. To je tistih GNSS- sprejemnikov, ki temeljijo izključ no na določ itvi absolutnega položaja iz kodnih opazovanj ene frekvence. Za študijo dejanskih opazovanj v zadnjem obdobju poveč ane Sonč eve 1 asist. mag. Oskar Sterle, univ.dipl. inž. geod 2 prof. dr. Bojan Stopar, univ. dipl. inž. geod., 3 asist. dr. Polona Pavlovč ič Prešeren, univ. dipl. inž. geod., (vsi Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Jamova cesta 2, 1000 Ljubljana) 80 aktivnosti smo kot osnovo privzeli parametre modelov ionosferske refrakcije, ki so bili na voljo v realnem č asu ali pridobljeni iz že opravljenih opazovanj, in jih nadalje primerjali z dejansko opravljenimi opazovanji. Na ta nač in lahko pokažemo, da vpliv ionosferske refrakcije na opazovanja lahko zmanjšamo tudi v č asu intenzivnejšega dogajanja v ionosferi. Iz konkretno izvedenih GNSS-opazovanj pa lahko pokažemo, kako ionosferska refrakcija vpliva na konč no določ itev položaja v različ nih obdobjih Sonč evega cikla. Iz konkretnih opazovanj lahko zaključ imo, da določ anje položaja z GNSS-tehnologijo v primeru intenzivnega dogajanja v ionosferi, ki ima daljšo periodo, ni tako problematič no kot situacije, ko se zgodijo hitre in nenadne spremembe v ionosferi, katerih rezultat je izguba satelitskega signala za določ eno č asovno obdobje. V prispevku nato pokažemo, da lahko določ itev položaja z enofrekvenč nimi kodnimi instrumenti izboljšamo z metodo diferencialnega GPS-a. Vpliv ionosfere na razširjanje signala Po odstranitvi t. i. motnje omejene dostopnosti (angl. Selective Aviability) v okviru GPS (angl. Global Positioning System) v letu 2000 ima ionosferska refrakcija največ ji vpliv na kakovost določ itve položaja na Zemlji. Velikost vpliva je odvisna od števila prostih elektronov v plasti ionosfere kot tudi od frekvence valovanja; višja kot je frekvenca, manjši je ionosferski vpliv. Znano je, da v primeru opazovanj GPS ionosfera povzroč i prehitevanje faze nosilnega valovanja in zakasnitev moduliranega signala (PRN- kode in navigacijskega sporoč ila). Ionosferski refrakcijski koeficient predstavimo z vrsto (Hofmann-Wellenhof et al., 2001): =1+ + + +⋯ kjer so koeficientii odvisni od števila elektronov vzdolž poti razširjanja signala . predstavlja gostoto oz. število elektronov vzdolž poti razširjanja signala (enota: elektroni/m 3 ). Drugi č len v gornjem izrazu ( ) podaja največ ji delež vpliva ionosferske refrakcije, tretji č len pa opisuje nekajcentimetrski vpliv na podaljšanje/skrajšanje poti razširjanja signalov iz smeri zenita. Č e upoštevamo le največ ji del vpliva ionosferske refrakcije, lahko pokažemo, da je vpliv ionosfere na fazna ( ) in modulirana opazovanja ( ) enak po velikosti, vendar nasprotnega predznaka: =1− ,∙ , =1+ ,∙ Število prostih elektronov (angl. Total Electron Content - TEC) vzdolž poti razširjanja signala s izrač unamo kot: TEC= ! Za predstavitev količ ine prostih elektronov največ krat uporabljamo število prostih elektronov nad toč ko v navpič nem stolpcu, katerega površina znaša 1 m # . TECU (angl. TEC unit) predstavlja 10 %& elektronov/m # . Sprememba vrednosti za eno enoto TECU povzroč i podaljšanje/skrajšanje poti razširjanja signala za 0,163 m za opazovanja na frekvenci L1 (1575,42 MHz) in 0,267 m spremembo poti za opazovanja na frekvenci L2 (1227,60 MHz), č e signal prihaja iz zenita. Č e tako primerjamo opazovanja na različ nih frekvencah, lahko dogajanje v ionosferi, to je vrednost TEC, določ imo iz GNSS-kodnih opazovanj (Dyrud et al., 2006): 81 TEC = ρ (# −ρ (% 0,104 m ∙TECU +% kjer sta ρ (% and ρ (# opazovani psevdorazdalji na frekvencah L1 in L2. Enako lahko določ imo vrednost TEC iz faznih opazovanj na dveh frekvencah (ϕ (% and ϕ (# ) (Dyrud et al., 2006): TEC = −ϕ (# +ϕ (% 0,104 m ∙TECU +% Modeliranje ionosferske refrakcije Ker več ina enostavnih GNSS-sprejemnikov omogoč a sprejem signalov le na eni frekvenci, vpliva ionosferske refrakcije ne moremo modelirati na nač in, kot je opisan zgoraj, ampak moramo v obdelavo GNSS-opazovanj do konč ne določ itve položaja privzeti modeliran vpliv ionosferske refrakcije. Taki modeli/algoritmi so npr. Klobuchar, Bent, IRI, ICED, FAIM, NEQUICK (slednji je model, katerega koeficiente bo vključ evalo navigacijsko sporoč ilo tehnologije GALILEO). Klobucharjev model V praksi najbolj uporabljen model ionosferske refrakcije je Klobucharjev model. Uporaben je zaradi preproste strukture (predstavljen je z osmimi spreminjajoč imi se koeficienti: - . in / . , kjer je n = 1, 2, 3, 4), enostavnosti algoritma, predvsem pa zato, ker ga lahko v primeru tehnologije GPS uporabimo v realnem č asu. Klobucharjev model temelji na predpostavkah (Klobuchar, 1987): • da so prosti elektroni skoncentrirani v plasti, ki se nahaja na višini 350 km in katere debelina je enaka 0; • najvišjo vrednost TEC doseže ob 14.00 uri po lokalnem č asu; • vrednost TEC je konstantna med 22.00 in 6.00 uro in znaša 9,24 enot TECU. GPS-navigacijsko sporoč ilo vsebuje koeficiente Klobucharjevega modela, tako da je uporabniku enofrekvenč nih instrumentov omogoč eno upoštevati vpliv ionosferske refrakcije v realnem č asu. Znano pa je, da s pomoč jo uporabe Klobucharjevega modela in koeficientov iz navigacijskega sporoč ila lahko odpravimo le 50 do 60 % vpliva (Komjathy, 1997), kar je odvisno od stopnje Sonč eve aktivnosti kot tudi od položaja opazovališč a ter letnega in dnevnega č asa opazovanj. Klobucharjev model namreč vključ uje geomagnetno širino toč ke, kjer naj bi se prič ela plast ionosfere. Ker je le-ta odvisna tako od letnih č asov in geomagnetnega polja kot tudi od Sonč eve aktivnosti, se v č asu spreminjajo tudi vrednosti koeficientov Klobucharjevega modela. V okviru sistema GPS so koeficienti Klobucharjevega modela določ eni na podlagi dveh kriterijev, in sicer (Ovstedal, 2002): • č asa opazovanj: v glavni kontrolni postaji eno leto razdelijo na 37 intervalov, vsakemu izmed teh pa priredijo niz koeficientov Klobucharjevega modela; • srednje vrednosti aktivnosti Sonca, izrač unane iz vrste zaporednih petih dni, vključ ujoč tudi zadnji dan. Trenutno Sonč evo aktivnost uvrstijo v tabelo z 10 82 stopnjami, nadalje koeficiente Klobucharjevega modela določ ijo glede na uvrstitev Sonč eve aktivnosti v tabeli. Koeficienti Klobucharjevega modela so posredovani GPS-satelitom, le-ti pa podatke preko navigacijskega sporoč ila posredujejo uporabnikom. Odvisni so od uvrstitve č asa opazovanj v enega izmed 37-ih intervalov in nadalje popravljeni glede na jakost Sonč eve aktivnosti (določ ena z 10 stopnjami), ne vključ ujejo pa nenadnih sprememb v ionosferi, č eprav se le-te v č asu poveč ane aktivnosti Sonca pogosto dogajajo. Koeficienti Klobucharjevega modela v navigacijskem sporoč ilu vključ ujejo netoč nosti, katerih perioda trajanja lahko znaša tudi 10 dni (Weiss et al., 2002). Č etudi uporabljamo podatke preciznih efemerid in natanč ne podatke satelitovih ur, je konč na določ itev položaja z uporabo koeficientov Klobucharjevega modela iz navigacijskega sporoč ila vezana na natanč nost določ itve položaja velikosti nekaj metrov (Ovstedal, 2002). Boljša možnost zmanjšanja vpliva ionosfere je uporaba podatkov, posredovanih uporabniku v okviru t. i. SBAS (angl. Satellite Based Augmentation System) satelitov. Takšna sistema sta npr.: WAAS (angl. Wide Area Augmentation System) ali EGNOS (angl. European Geostationary Navigation Overlay Service), katerih navigacijsko sporoč ilo vsebuje izboljšane vrednosti koeficientov Klobucharjevega modela. V tem primeru mora imeti instrument možnost sprejema signalov WAAS oziroma EGNOS. Alternativa temu je uporaba koeficientov Klobucharjevega modela, ki jih posreduje služba CODE (angl. Center for Orbit Determination in Europe). Ta od julija 2000 preko spleta ponuja koeficiente Klobucharjevega modela, izrač unane na podlagi GPS-opazovanj na postajah IGS, ki so razporejene po celotni Zemlji. Modeliranje ionosferske refrakcije so precej izboljšali, saj so za osnovo naknadne določ itve privzeli tudi podatke iz datotek IONEX, vendar je bilo sprva koeficiente mogoč e pridobiti šele z zakasnitvijo nekaj dni. Problem č asovne zakasnitve pridobitve parametrov so v službi CODE rešili in tako je danes mogoč e pridobiti tudi vnaprej napovedane vrednosti koeficientov Klobucharjevega modela, vendar njihova kakovost ne dosega kakovosti naknadno pridobljenih. Slika 1: Č asovna vrsta velikosti vpliva ionosferske refrakcije na GNSS-opazovanja, izrač unana s Klobucharjevim modelom. 83 Slika 2: Č asovna vrsta izbruhov X na Soncu (SunSpotWatch.com) Med č asovno vrsto vpliva ionosferske refrakcije, predstavljene s Klobucharjevim modelom (uporaba koeficientov iz navigacijskega sporoč ila) za obdobje 1997 do sredine 2011 (Slika 1), in Sonč evo aktivnostjo, ki so jo spremljali z drugimi metodami (Slika 2), obstaja funkcijska odvisnost. Tako lahko iz izrač unane č asovne vrste vidimo, da je bil vrh 23. Sonč evega cikla vezan na zač etek leta 2002. Model IONEX Različ ne GNSS-službe podajajo podatke o stanju v atmosferi v obliki IONEX (angl. IONosphere Map Exchange) (Schaer et al., 1997). Podatki so določ eni na osnovi več postaj, razporejenih po celotni Zemlji (primer službe CODE: podatke določ ijo na podlagi 200 postaj GPS/GLONASS). Drugač e kot pri Klobucharjevem modelu, kjer je ionosferska refrakcija predstavljena v obliki funkcije, gre v primeru IONEX za nač in modeliranja v pravilni mreži. Podatki o stanju v ionosferi so podani s sfernimi harmonič nimi koeficienti ter s č asovno loč ljivostjo 2 uri in s prostorsko loč ljivostjo 5° (geografska širina) in 2,5° (geografska dolžina). Služba CODE konč ne vrednosti podatkov posreduje z zakasnitvijo treh dni; hitrejše, vendar manj natanč ne podatke pa z zakasnitvijo 12 ur. Dodatno nudijo tudi predvidene podatke za en oziroma dva dni vnaprej. Služba IGS (angl. International GNSS Service) konč ne podatke v obliki datotek IONEX podaja s č asovno zakasnitvijo 11 dni. Ionosferska refrakcija vpliva na kodna opazovanja tako, da izmerjene psevdorazdalje med satelitom in sprejemnikom podaljša. Vpliv na položaj (t. j. na koordinate toč ke) je določ en z razliko med izmerjeno vrednostjo razdalje satelit–sprejemnik in izrač unano vrednostjo razdalje satelit–sprejemnik iz koordinat. Spodnja slika prikazuje velikost vpliva ionosferske refrakcije na koordinate toč k v omrežju SIGNAL, č e vpliv modeliramo s podatki IONEX. 84 Slika 3: Modeliran vpliv ionosferske refrakcije (iz datotek IONEX) na koordinate 6-ih stalnih postaj omrežja SIGNAL na dan 31. 7. 2011 Zgornje slike prikazujejo 6 toč k omrežja SIGNAL (Bodonci (BODO), Brežice (BREZ), Ljubljana (GSR1), Koper (KOPE), RADO (Radovljica) in Slovenj Gradec (SLOG)) in odstopanje izrač unanega od pravega položaja. Izrač unani položaj je bil določ en brez upoštevanja vpliva ionosferske refrakcije (212. dan leta 2011). Vidi se, da ionosferska refrakcija vpliva predvsem na višinsko komponento položaja (DH: višinska komponenta), vpliv na horizontalni položaj (DN: smer sever–jug in DE: smer vzhod–zahod) je bistveno manjši. Vidno je tudi, da je vpliv ionosferske refrakcije za vse prikazane toč ke zelo podoben, kar kaže na to, da je vpliv ionosfere moč no prostorsko koreliran (ionosfera se lokalno bistveno ne spreminja). Iz narave vpliva ionosferske refrakcije (podaljšanje in/ali skrajšanje razdalj satelit–sprejemnik) sledi, da je največ ji vpliv ionosferske refrakcije pri relativni določ itvi položaja povezan z merilom baznega vektorja ali geodetske mreže. Pri kodnih opazovanjih ionosferska refrakcija povzroč i poveč anje merila, pri faznih opazovanjih pa zmanjšanje merila baznega vektorja oziroma geodetske mreže. Del vpliva se sicer prelije tudi na popravek ure sprejemnika, vendar ta ne vpliva na popravke koordinat, zato problema v tem prispevku ne obravnavamo. Vpliv ionosferske refrakcije je 85 tako vezan samo na spremembo merila geodetske mreže. Kot že omenjeno, pa se največ ji vpliv ionosfere pri absolutni dloč itvi položaja odraža v višinski določ itvi položaja. Modeliranje ionosferske refrakcije z linearno kombinacijo P3 Pri obdelavi GNSS-kodnih opazovanj na dveh frekvencah lahko sami modeliramo vpliv ionosferske refrakcije in sicer z linearno kombinacijo kodnih opazovanj na nosilnih valovanjih L1 in L2, ki je (skoraj) neobč utljiva na vpliv ionosfere: 0 , 1 = 2 2 + ∙0 ,% 1 − 2 + ∙0 ,# 1 ≈2.5457∙0 ,% 1 − 1.5457∙0 ,# 1 V zgornji enač bi sta 8 % in 8 # frekvenci nosilnih valovanj L1 in L2 v okviru GPS. Oznaki 0 ,% 1 in 0 ,# 1 predstavljata kodna opazovanja med satelitom j in stojišč em i; oznaki 1 oziroma 2 pa določ ata, da gre za opazovanja na nosilnem valovanju L1 oziroma L2. 0 , 1 označ uje linearno kombinacijo P3. S sestavo linearne kombinacije P3 odstranimo vpliv ionosferske refrakcije 2. reda (č len ), ostali vplivi na opazovanja, tudi vplivi ostalih nadaljnjih č lenov (3., 4. …) v vrsti za ionosferski refrakcijski koeficient v linearni kombinaciji, ostanejo, vendar so velikostnega reda cm, tako da jih pri obdelavi kodnih opazovanj lahko zanemarimo. Vpliv upoštevanja ionosferske refrakcije na določ itev položaja Ionosferska refrakcija v č asu manjše Sonč eve aktivnosti precej manj vpliva na konč no določ itev položaja kot v č asu poveč ane Sonč eve aktivnosti. V č asu največ je aktivnosti Sonca je vpliv ionosferske refrakcije na določ itev položaja 4-krat več ji kot v č asu manjše intenzivnosti dogajanj (v t. i. »tihih obdobjih«). Ionosferska refrakcija najbolj vpliva na višinsko komponento položaja; v č asu največ je intenzivnosti dogajanj na Soncu vpliv na višinsko komponento lahko znaša več deset metrov (v našem primeru 18 m), medtem ko v č asu manjše intenzivnosti precej manj (v našem primeru do 4 m), č e ionosferske refrakcije v obdelavi GNSS-opazovanj ne upoštevamo oziroma modeliramo. Rezultati izrač una veljajo za stalno postajo v Gradcu (GRAZ (j = 47°04'01,56''S, l = 15°29'36,60''V )) (Slika 4). Slika 4: Odstopanje položaja od pravega za stalno postajo v Gradcu (oznaka GRAZ) zaradi nemodeliranega vpliva ionosferske refrakcije (65. dan leta 2002 (velik vpliv) in za 111. dan leta 2007 (majhen vpliv) 86 Spodnja slika prikazuje odstopanje položajev (v koordinatnih komponentah) za šest stalnih postaj omrežja SIGNAL in za primer, ko v obdelavi nismo upoštevali vpliva ionosferske refrakcije: Slika 5: Odstopanje položajev toč k zaradi neodstranjenega vpliva ionosferske refrakcije na GNSS-opazovanja: izrač un za 6 stalnih postaj omrežja SIGNAL na dan 31. 7. 2011. Vidi se, da so slike izredno podobne Slikam 3, kjer smo s pomoč jo podatkov IONEX modelirali vpliv ionosferske refrakcije na toč ke omrežja SIGNAL. Ionosferska refrakcija najbolj vpliva na višinsko komponento položaja; v danem primeru so odstopanja do 7 m. Č e v obdelavo vključ imo upoštevanje vpliva ionosferske refrakcije (model IONEX), konč no določ itev položaja precej izboljšamo; odstopanja v višinski komponenti položaja znašajo največ 3 m (Slike 6). Iz slik se vidi, da z uporabo podatkov IONEX odpravimo vpliv ionosferske refrakcije na opazovanja, vendar ne v celoti. S sestavo linearne kombinacije kodnih opazovanj P3 pa vpliv v več ji meri odstranimo. 87 Slika 6: Ocenjeni popravki koordinat stalnih postaj omrežja SIGNAL, č e ionosfersko refrakcijo modeliramo s podatki iz datotek IONEX. Slike 7 prikazujejo popravke koordinat toč k omrežja SIGNAL, ki so dobljene na osnovi obdelave opazovanj z linearno kombinacijo P3. Razpršenost posameznih koordinat okoli njihove srednje vrednosti ima zelo naključ en videz, kar kaže na dejstvo, da so iz opazovanj odstranjeni vsi sistematič ni vplivi (do reda velikosti 0,3 m) in so prisotni samo še sluč ajni vplivi (odboja signala od objekta tu nismo upoštevali). 88 Slika 7: Ocenjeni popravki koordinat stalnih postaj omrežja SIGNAL, č e vpliv ionosferske refrakcije odstranimo z linearno kombinacijo P3. Vpliv ionosferske refrakcije se v več ini prelije v ocenjene neznanke, to so koordinate toč k, in popravke ure sprejemnika, manj pa na popravke psevdorazdalj po izravnavi. Slika 8 prikazuje ocenjene vrednosti standardnega odklona aposteriori (rač unanega iz popravkov psevdoopazovanj) za stalno postajo v Kopru (oznaka KOPE) in za različ ne nač ine upoštevanja ionosferske refrakcije. Leva slika prikazuje vrednosti standardnega odklona aposteriori, č e ionosferske refrakcije ne upoštevamo v obdelavi, srednja slika prikazuje vrednosti standardnega odklona aposteriori, č e ionosfersko refrakcijo modeliramo z modelom IONEX, in zadnja, desna slika, vrednosti standardnega odklona aposteriori, č e ionosfersko refrakcijo odstranimo z linearno kombinacijo P3. Slika 8: Ocenjene vrednosti referenč nega standardnega odklona aposteriori za posamezne ocenjene položaje, č e ne modeliramo ionosferske refrakcije (levo), č e ionosfersko refrakcijo modeliramo z modelom IONEX (sredina) in č e modeliramo ionosfersko refrakcijo z linearno kombinacijo P3 (desno). Vidi se, da se vrednosti standardnega odklona a-posteriori ne zmanjšajo bistveno z odpravljanjem vpliva ionosferske refrakcije iz opazovanj. Iz največ je vrednosti okoli 0,5 m 89 preidemo na okoli 0,2 m. Iz tega je razvidno, da je vpliv ionosferske refrakcije sistematič en in vpliva na toč nost veliko bolj kot na natanč nost ocenjenih koordinat in popravkov ure sprejemnika. Zaključ ek Iz študije lahko zaključ imo, da je v procesu obdelave GNSS-opazovanj eden najpomembnejših faktorjev, ki vpliva na konč no določ itev položaja, korektno upoštevanje vpliva ionosferske refrakcije na GNSS-signal, in sicer za vsa obdobja v Sonč evem ciklu. Pristopi k modeliranju ionosferske refrakcije so različ ni, vendar se ti pri uporabi enofrekvenč nih kodnih GNSS-instrumentov pri absolutni določ itvi položaja in brez možnosti komunikacije z drugim instrumentom (metoda diferencialnega GPS-a) omejijo zgolj na uporabo modelov ionosferske refrakcije in koeficientov, ki so sestavni del navigacijskega sporoč ila (ali pa so pridobljeni preko interneta). Glede na to, da so študije pokazale, da se vpliv ionosferske refrakcije lokalno ne spreminja v veliki meri, bi lahko stalne GNSS-postaje uporabniku nudile dodatne podatke za izboljšanje določ itve položaja tudi v č asu več jih in nenadnih sprememb v ionosferi. Stalno delujoč e GNSS-postaje imajo namreč možnost izvajanja kodnih in faznih opazovanj na dveh nosilnih valovanjih L1 in L2, zato je v tem primeru mogoč e vrednotiti vpliv ionosfere v realnem č asu. Obstajata dve možnosti, kako bi stalne GNSS-postaje lahko uporabniku nudile podatke v realnem č asu: prva možnost, to je določ itev izboljšanega niza koeficientov modela ionosferske refrakcije (npr. Klobucharjevega), bi bila primerna za uporabnike tistih GNSS-instrumentov, katerih programska oprema omogoč a spreminjanje koeficientov modela. Č e je programska koda v GNSS-instrumentu zaprtega tipa, bi uporabili drugo možnost, kjer bi uporabnik GNSS- instrumentov spremembe v ionosferi upošteval na indirekten nač in tako, da bi stalna GNSS-postaja nudila podatke o popravkih posamezne komponente določ itve položaja zaradi dogajanj v ionosferi. Uporabnik GNSS-tehnologije bi te podatke vključ il v konč no določ itev položaja tako, da bi koordinatne komponente popravil za velikost posredovane vrednosti. Uč inek upoštevanja popravkov koordinat referenč ne toč ke na položaj sprejemnika uporabnika bi bilo izboljšanje toč nosti in natanč nosti položaja sprejemnika uporabnika. Zahvala Študija je nastala v okviru temeljnega raziskovalnega projekta “Določ itev in ocena vplivov izrednih Sonč evih aktivnosti na satelitsko določ anje lokacije”, katerega naroč nik je Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije – ARRS. Literatura CODE: http://aiuws.unibe.ch/ionosphere/#cgim Dyrud, L., Bhatia, N., Ganguly, S. in Jovancevic (2006), Performance nalysis of software based GPS receiver using a generic scintillation model, 19th International Technical meeting, Satellite Division of the Institute of Navigation, Forth Worth, Texas, ZDA. Hofmann-Wellenhof, B., Lichtenegger H., in Collins J. (2001). GPS Theory and Practice, Springer Verlag, 370 str. IGS: ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/products/ionex/ Klobuchar, J.A. (1987), Ionospheric time-delay algorithm for single-frequency GPS users, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. AES-23, No.3, str. 325-331. 90 Komjathy, A. (1997), Global Ionospheric Total Electron Content Mapping Using the Global Positioning System, doktorska disertacija, Department of Geodesy and Geomatics Engineering Technical Report NO. 188, University of New Brunswick, Fredericton, New Brunswick, Kanada, 248 str. Ovstedal O. (2002), Absolute positioning with single-frequency GPS receivers, GPS Solutions, 5, str. 33-44. Schaer, S., Gurtner, W. in Feltens, J. (1997), IONEX: The IONosphere Map EXchange Format Version 1, February 25, 1998, in Proceedings of the 1998 IGS Analysis Centers Workshop, ESOC, Darmstadt, Nemč ija, str. 233-247. SunSpotWach.com: Radio Propagation: Space Weather: Sunspot Cycle Information: http://prop.hfradio.org/ Weiss, M., Zhang, V., Jensen, M., Powers, E., Klepczynski, W. in Lewandowski, W. (2002) , Ionospheric models and measurements for common-view time transfer.IEEE lntemational Frequency Control Symposium and PDA Exhibition. 91 Novi višinski sistem Slovenije in testni izrač un geoida Božo Koler * , Tilen Urbanč ič * , Klemen Medved ** , Nuša Vardjan ** , Sandi Berk *** , Ove Christian Dahl Omang **** , Dag Solheim **** , Miran Kuhar * Povzetek V okviru projekta "Vzpostavljanje evropskega prostorskega referenč nega sistema v Sloveniji" je bil izdelan tudi projekt novega višinskega sistema v Sloveniji. Del tega projekta sta je zasnova nove nivelmanske mreže Slovenije, ki je delno že izmerjena, in testni izrač un novega modela geoida. V prispevku sta predstavljeni analiza opravljene nivelmanske izmere in primerjava določ itve geoidnih višin iz uradnega modela geoida iz leta 2000 in testnega modela geoida iz leta 2010. Z izrač unom ploskve testnega geoida smo pridobili možnost predhodne analize kvalitete bodoč ega geoida, ki je zelo pomembna za izvajanje GNSS-višinomerstva v geodetski praksi. Uvod Kakovost geodetskih in prostorskih podatkov je odvisna tudi od natanč nosti določ itve nadmorskih višin toč k. S sodobnimi geodetskimi merskimi tehnikami, kot so GNSS in LIDAR, dobimo geometrič ne oz. elipsoidne višine posnetih toč k. Obič ajno višinam toč k določ imo t. i. nadmorske oz. fizikalne višine, ki so določ ene v različ nih višinskih sistemih (normalne, ortometrič ne, normalne ortometrič ne višine) in so vezane na težnostno polje Zemlje. Za kvaliteten prehod iz elipsoidnih višin v nadmorske višine oziroma za uporabo GNSS-višinomerstva v praksi, pa sta nujna dobro določ en sodoben višinski sistem in kvaliteten model geoida. Sodoben višinski sistem temelji na nivelmanski in gravimetrič ni izmeri reperjev, ki so povezani v nivelmanske mreže. Višine toč k obstoječ e temeljne geodetske višinske mreže Republike Slovenije niso določ ene na osnovi gravimetrič ne izmere, saj so podane v normalnem ortometrič nem sistemu višin, ki je zastarel in se je uveljavil v 19. stoletju, ko so se na območ ju Evrope izvajale prve obsežne izmere nivelmanskih mrež. Temeljijo na določ enih predpostavkah brez dejanskih meritev težnostnega polja Zemlje. Višine tako niso določ ene glede na geoid, kot je to v primeru ortometrič nih višin, ali kvazigeoid, ki je izhodišč na ploskev za normalne višine. Strategija vzpostavitve novega višinskega sistema Slovenije predvideva uvedbo normalnih višin, ki so definirane kot količ nik geopotencialne kote in srednje vrednosti normalnega težnega pospeška vzdolž normale (normalne težišč nice). Za uporabo GNSS-višinomerstva v praksi potrebujemo tudi kvalitetno določ eno in vpeto ploskev geoida v višinski sistem. Kvalitetno določ ena geoidna višin je osnova, ki povezuje ploskev elipsoida z geoidom, oziroma povezava geometrič nih višin, ki so rezultat izmere GNSS, s fizikalnimi višinami, ki so rezultat nivelmanske in gravimetrič ne izmere. * UL FGG, Jamova cesta 2, 1000 Ljubljana ** Geodetska uprava R Slovenije, Zemljemerska 12, 1000 Ljubljana *** Geodetski inštitut Slovenije, Jamova cesta 2, 1000 Ljubljana **** Statens kartverk, Kartverksveien 21, NO-3507 Hønefoss, Norveška 92 Analiza in ocena natanč nosti merjenih višinskih razlik Na osnovi zasnove nove nivelmanske mreže, ki je rezultat projekta "Vzpostavljanje evropskega prostorskega referenč nega sistema v Sloveniji", je bilo do konca leta 2011 izmerjeno približno 45 % nivelmanskih linij, ki so vključ ene v 8 nivelmanskih zank. Zanki 1 in 9 nista vključ eni v analizo nivelmanske izmere (Slika 1), saj je merjene višinske razlike potrebno še obdelati (upoštevati moramo temperaturni popravek, srednjo vrednost popravka dolžine para nivelmanskih lat in razliko petih nivelmanskih lat). Na Sliki 1 je predstavljena nova nivelmanska mreža Slovenije. Dolžine nivelmanskih zank, ki so vključ ene v analizo, znašajo od 134 km do 213 km. Povpreč na dolžina izmerjene nivelmanske zanke znaša 176 km. Izmerjenih in obdelanih je bilo 751 nivelmanskih linij, katerih povpreč na dolžina znaša 750 m. 4/7.7 mm 3/72.1mm 6/38.6 mm 5/0.1mm 1 7/-26.4mm 2/-83.4mm 10 8 12 11 OP 506 19 FR 1014 A107 MN 3 2054 58 ML VIII 31a/6 C152 2870 2879 6+ 7/12.2 mm CP 412 7 ML VII MN 101 2+ 3/-11.3 mm 9 Legenda Nač rtovane izmere 13 14 Ni vključ eno v analizo Vključ eno v analizo 14 Oznaka nivelmanske zanke OP 506 Oznaka reperja Slika 1 – Odstopanja pri zapiranju nivelmanskih zank Pri izmeri preciznega nivelmana se višinske razlike merijo obojestransko (naprej in nazaj) in se obič ajno razlikujejo. Dovoljeno odstopanje (razlika naprej in nazaj) je predpisano s Pravilnikom o tehnič nih normativih za mreže temeljnih geodetskih toč k (RGU, 1981). Dovoljeno odstopanje je preseženo v 12 nivelmanskih linijah, kar znaša 1.6 % vseh, ki so vključ ene v analizo. V Preglednici 1 so zbrani podatki o primerjavi odstopanja obojestransko merjenih višinskih razlik (D) z dovoljenim odstopanjem (D dov ). Iz Preglednice 1 vidimo, da je 76 % odstopanj manjših od 50 % dovoljenega odstopanja in 44 % odstopanj manjših oziroma enakih 25 % predpisanega dovoljenega odstopanja. Le 8 % nivelmanskih linij ima odstopanje, ki se uvrsti v zadnjo č etrtino dovoljenega odstopanja. Opravljena analiza kaže, da je izmera opravljena kvalitetno. 93 D/D dov (%) Odstotek nivelmanskih linij do 25 44 % 25 do 50 32 % 50 do 75 16 % 75 do 100 8 % Preglednica 1 – Primerjava velikosti dejanskega odstopanja z dopustnim odstopanjem za posamezne nivelmanske linije Č e želimo med seboj primerjati odstopanja posameznih nivelmanskih linij, ki so različ ne dolžine, jih moramo prerač unati na utežno enoto oziroma na 1 km (Lyszkowicz in Bernatowicz, 2010). Prerač unana odstopanja na km nivelmanske linije smo nanesli na Diagram 1. Iz Diagrama 1 lahko vidimo, da se prerač unana odstopanja na km izmerjene nivelmanske linije normalno porazdelijo. Srednja vrednost odstopanja znaša 0,64 mm/km in standardni odklon 1,07 mm/km. 0 5 10 15 20 25 30 do -3 , 5 - 3 ,5 do - 3 -3 do -2,5 -2 , 5 do -2 - 2 do - 1, 5 - 1,5 d o-1 -1 do- 0 ,5 -0,5 d o 0 0 d o 0, 5 0 , 5 do 1 1 do 1, 5 1,5 do 2 2 d o 2 ,5 2, 5 do 3 3 do 3, 5 Odstopanje obojestransko merjenih višinskih razlik prerač unano na km (v mm) Odstotek nivelmanskih linij Diagram 1 - Odstopanje obojestransko merjene višinske razlike prerač unano na km nivelmanske linije Na osnovi odstopanj obojestransko merjenih nivelmanskih linij in odstopanj pri zapiranju nivelmanskih zank lahko naredimo analizo natanč nosti merjenih višinskih razlik. V analizo je bilo vključ enih 739 nivelmanskih linij, ki so vključ ene v 16 nivelmanskih poligonov (izmera med vozlišč nimi reperji nivelmanske mreže) dolžine od 6 km do 129 km, s povpreč no dolžino 38 km. Standardni odklon niveliranja 1 km nivelmanske linije v obe smeri znaša od 0,23 mm do 0,61 mm in povpreč na vrednost 0,42 mm. Z analizo odstopanj pri zapiranju nivelmanskih zank smo ugotovili, da je odstopanje v nivelmanski zanki 2 in 3 bistveno več je od dovoljenega odstopanja (glej Sliko 1 in Preglednico 2), ki je določ eno po enač bi za zapiranje nivelmanskih zank nivelmana visoke natanč nosti (RGU, 1981). Razlog za tako veliko odstopanje je najverjetneje v nivelmanskem 94 poligonu od Godovič a do Ajdovšč ine, ki je bil problematič en že pri prejšnjih prerač unih nivelmanske mreže in se ni ponovno izmeril. Č e združimo nivelmanski zanki 2 in 3, je odstopanje v združeni nivelmanski zanki manjše od dovoljenega. Odstopanje je na meji dovoljenega tudi v zanki 6 in dokaj veliko v zanki 7 (glej Sliko 1 in Preglednico 2), zato je tudi ocena natanč nosti niveliranja na osnovi zapiranja nivelmanskih zank slaba (1,66 mm). Najverjetneje je napaka v nivelmanskem poligonu MN101 – 31a/6 (Ljubljana–Kalce), ki ga bo potrebno podrobneje analizirati. Za nadaljnjo analizo smo zanki 6 in 7 združili. Tako se je bistveno poveč ala tudi natanč nost ocenjena na osnovi odstopanj pri zapiranju nivelmanskih zank (0,61 mm). Številka zanke d (km) f (mm) ∆ Dov (mm) 2 f d 2 154,486 -83,35 33,30 / 3 168,081 72,09 36,03 / 2+3 200,037 -11,27 42,43 0,6347 4 213,050 7,71 45,04 0,2787 5 134,067 0,12 29,21 0,0001 6 186,529 38,59 39,73 7,9849 7 145,359 -26,43 44,25 4,8072 2 f d       13,7056 Z σ 1,66 mm 6+7 265,652 12,16 55,57 0,5565 2 f d       1,4700 Z σ 0,61 mm Preglednica 2 - Statistič ni podatki in analiza natanč nosti izmerjenih nivelmanskih zank Analizo natanč nosti lahko naredimo tudi na osnovi popravkov merjenih višinskih razlik, ki jih dobimo po izravnavi nivelmanskih zank in poligonov. Poleg tega dobimo še oceno natanč nosti določ itve višine reperjev. Merjene višinske razlike smo izravnali z rač unalniškim programom VimWin v. 4.1, ki smo ga razvili na Fakulteti za gradbeništvo in geodezijo Univerze v Ljubljani (Ambrožič in Turk, 2004). Izravnana so vozlišč a nivelmanskih zank z navezavo na fundamentalni reper FR 1014, ki je stabiliziran v Č rnuč ah. Standardni odklon utežne enote znaša 0,852 mm. V Preglednici 3 so zbrani podatki o izravnanih nadmorskih višinah vozlišč nih reperjev in a posteriori ocena natanč nosti določ itve nadmorske višine reperjev. Reper H (m) σ H (mm) Reper H (m) σ H (mm) 7 800,59492 6,97 MLVII 464,14315 6,44 OP506 461,09780 6,12 MLVIII 536,22846 6,79 19 357.32095 4,09 C152 440,36085 7,33 CP412 302,29423 0,99 2870 182,45429 5,99 MN101 298,00659 2,27 2879 509,50123 5,76 A107 346,30284 4,48 31a_6 495,10007 6,61 58 509,73419 5,79 Preglednica 3 - Nadmorske višine vozlišč nih reperjev z oceno natanč nosti 95 Zaključ imo lahko, da so odstopanja pri zapiranju nivelmanske zanke in izrač unane natanč nosti opravljenih izmer v prič akovanih mejah, glede na uporabljen instrumentarij in metodo izmere. Po izravnavi nivelmanskih zank smo izravnali še posamezne nivelmanske poligone. Standardni odkloni po izravnavi višinskih razlik znašajo od 0.025 mm (Rakek–Kalce) do 0.795 mm (Most na Soč i–Kranjska gora) in povpreč na vrednost 0,35 mm. Ocena natanč nosti določ itve nadmorske višine posameznih reperjev znaša od 0,02 do 3,81 mm. Povezava elipsoida, (kvazi)geoida z višinsko referenč no ploskvijo Z GNSS-višinomerstvom določ amo nadmorske višine toč k na osnovi izmerjenih elipsoidnih/geometrijskih višin in interpoliranih geoidnih višin iz ustreznega modela geoida. Elipsoidne višine se nanašajo na ploskev elipsoida in jih ni možno uporabiti v geodetski praksi niti v vsakdanjem življenju, ker niso določ ene v težnostnem polju Zemlje. Elipsoidne (h) in nadmorske višine – ortometrič ne (H) ali normalne višine (H N ) – povezuje znana enač ba (Slika 2): h = H + N h = H N + z pri č emer je N geoidna višina in z kvazigeoidna višina. Za kakovostno GNNS- višinomerstvo potrebujemo model geoida (kvazigeoida), ki je enakovredne natanč nosti, kot je natanč nost določ itve elipsoidnih višin. Slika 2 - Elipsoidna višina h, nadmorska višina H in geoidna višina N V geodeziji loč imo fizič no in teoretič no površino Zemlje. Prvo določ ajo lastnosti Zemljine zunanje površine (reliefa), to je prostora, v katerem živimo. Druga je podana z obliko, ki jo približno ponazarjata umirjena površina morske gladine ter navpič na smer težišč nice, to pa je geoid. Geoid je po Gaußu ekvipotencialna ploskev zemeljskega telesa ponazorjena s srednjo gladino svetovnih morij in v mislih podaljšana pod celinami, ki pa ni v nobenem primeru analitič na ploskev, saj se ukrivljenost geoida neprestano spreminja s spremembo reliefa in gostote zemeljske notranjosti. Določ anje geoida pomeni določ anje oblike Zemlje oz. določ itev ene izmed nivojskih ploskev Zemljinega težnostnega polja. Geoid, kot ekvipotencialna ploskev, poteka deloma zunaj, deloma znotraj Zemlje, zato je njegova določ itev brez poznavanja razporeditve gostote v notranjosti Zemlje izjemno težka naloga. Določ itev geoida je možna samo posredno, z 96 redukcijo merjenih vrednosti težnosti na geoid in uvedbo predpostavk o gostoti zemeljskih mas v njeni notranjosti. Več ina današnjih "rešitev" so kvazigeoidi, saj podatkov, ki jih uporabljamo za izrač un (merjene vrednosti težnosti in odklonov navpič nic), ne reduciramo v notranjost Zemlje na nič elno nivojsko ploskev (geoid), temveč jih uporabljamo v obliki, v kakšni so določ ene, tj. na površini Zemlje (Solheim, 2000). Vendar, č e želimo tako ploskev, ki je rezultat nekega numerič nega postopka, uporabiti praktič no, to je v povezavi z GNSS-določ enimi elipsoidnimi višinami, je nujen prerač un (transformacija) v lokalni/državni višinski sistem. Tako "prerač unana" ploskev ni več (kvazi)geoid temveč "višinska referenč na ploskev", ki pa vsebuje vpliv nezanesljivega izrač una (kvazi)geoida (pogreški metode, vhodnih podatkov), pogreške določ itve elipsoiodnih višin in tektonske vertikalne premike na območ ju izrač una. Ne glede na to lahko omenjeno ploskev uspešno uporabimo za izrač un višin (predvsem v manj dostopnih krajih) z metodo t. i. GNSS-višinomerstva. Prerač un (transformacijo) je potrebno izpeljati s č im več jim številom toč k, enakomerno razporejenih na celotnem območ ju, ki imajo znane elipsoidne (GNSS) in nadmorske višine. Takšne toč ke v geodetski terminologiji obič ajno imenujemo GNSS/nivelmanske toč ke. Trenutno se v Sloveniji uporablja geoidna ploskev iz leta 2000, ki jo je v okviru doktorske disertacije izrač unal profesor Boško Pribič ević z Geodetske fakultete v Zagrebu (Pribič ević , 2000). Ploskev je bila izrač unana s tehniko kolokacije po metodi najmanjših kvadratov. Za izrač un je bilo uporabljenih 99 toč k z merjenimi odkloni navpič nice, od tega 51 v Sloveniji, 23 na Hrvaškem, 20 v Avstriji in 5 na Madžarskem. Uporabljenih je bilo tudi 4.605 toč kastih vrednosti anomalij težnosti. Izrač unana ploskev je bila vpeta na 163 GNSS/nivelmanskih toč k, ki so dokaj enakomerno razporejene po celotnem ozemlju Slovenije, vendar je bila višina več ine toč k določ ena s trigonometrič nim višinomerstvom, ki po kakovosti ne dosega geometrič nega nivelmana. Nekatere toč ke ležijo na ozemlju Hrvaške in so bile tudi vključ ene v izrač un, saj naj bi se nanašale na isti višinski datum. Razpon geoidnih višin na območ ju Slovenije je med 44,140 m in 48,724 m, pri č emer je povpreč na geoidna višina 46,453 m. V okviru projekta "Vzpostavljanje evropskega prostorskega referenč nega sistema v Sloveniji" je bil oktobra leta 2010 opravljen izrač un novega, testnega modela geoida za območ je Slovenije. Tokrat je rešitev gravimetrič na, kar pomeni, da so uporabljene izključ no vrednosti težnega pospeška, ki je bil izmerjen na skoraj 12.000 toč kah. Ploskev je bila izrač unana z numerič no integracijo Stokesove enač be po metodi hitre Fourierjeve transformacije (Omang, 2000). Višinska referenč na ploskev je bila izrač unana z vpetjem geoidne ploskve na 24 GNSS/nivelmanskih toč k, na katerih sta obe višini določ eni z najvišjo možno natanč nostjo. Na vseh teh toč kah so se GNSS-opazovanja (elipsoidna višina) izvajala neprekinjeno vsaj 36 ur s statič no metodo. Z geometrič nim nivelmanom so te toč ke navezane tudi na nivelmanske poligone višjega reda (nadmorska višina). Razpon geoidnih višin na območ ju Slovenije je med 41,972 m in 49,837 m, pri č emer je povpreč na geoidna višina 45,930 m. Glede na obstoječ o rešitev iz leta 2000 so pri novem, testnem modelu uporabljeni novejši in izboljšani vhodni podatki. Uporabljena sta dva nova digitalna modela višin za območ je izrač una, kjer se položaji toč k nanašajo na koordinatni sistem ETRS89 (Berk in sod., 2009; Oven in sod., 2010). Poleg obstoječ ih gravimetrič nih podatkov na ozemlju Slovenije je bilo v izrač un vključ enih nekaj č ez 700 merjenih vrednosti težnega pospeška, ki jih je Geodetska uprava Republike Slovenije (GURS) določ ila v zadnjih treh letih. GURS je v okviru izmenjave podatkov z Avstrijo pridobil podatke, ki pokrivajo mejno območ je držav južno od 47° vzporednika. Gre za skoraj 4000 merjenih vrednosti težnega pospeška. V izrač unu so bile izloč ene toč ke iz Italije, saj je analiza teh podatkov pokazala preveliko odstopanje od prič akovanih vrednosti. 97 Analiza natanč nosti modelov geoida Analiza natanč nosti ploskev geoida Slovenije je opravljena s primerjavo geoidnih višin, ki jih dobimo kot razlike merjenih elipsoidnih in nadmorskih višin ("merjene geoidne višine"), in tistih, ki jih interpoliramo iz modelov. GURS je v zadnjih letih sistematič no opravljal GNSS-meritve na reperjih višjih redov državne nivelmanske mreže. Na reperjih se je izvajala RTK-metoda izmere z 2 ponovljenima meritvama in vsaj 200 sekundnim intervalom merjenja. Tako je nastala obsežna baza GNSS/nivelmanskih toč k, ki trenutno obsega več kot štiristo toč k in je bila uporabljena za analizo natanč nosti obeh modelov geoida. Analiza natanč nosti je bila opravljena na 345 GNSS/nivelman kontrolnih toč kah (rumeni krogci na Sliki 3). Na sliki je z zelenimi krogci označ eno 24 toč k, ki so uporabljene za vpetje testnega geoida iz leta 2010. Slika 3 - Število in razporeditev GNSS/nivelman toč k V Preglednici 4 so podani statistič ni kazalci izrač unani na podlagi analize odstopanj na 345 kontrolnih toč kah. Preglednica 4 - Izrač unani statistič ni kazalci model geoida sredina [m] maks. odstopanje [m] min. odstopanje [m] std. odklon [m] rešitev 2000 –0,108 0,099 –0,290 0,082 rešitev 2010 –0,002 0,094 –0,100 0,035 98 Pri obeh modelih so odstopanja normalno porazdeljena, pri rešitvi iz leta 2000 je sredina odstopanj –0,108 m, pri modelu iz leta 2010 pa –0,002 m. Rezultati analize kažejo na medsebojni zamik modelov za okoli 10 cm v višinskem smislu. Odstopanja na posameznih kontrolnih toč kah v obeh modelih so prikazana na Slikah 4 in 5. Iz preglednice in slik vidimo, da so odstopanja za model geoida iz leta 2010 bistveno manjša kot za model geoida iz leta 2000. Rezultati so izpolnili prič akovanja, saj so bili za vklop ploskve geoida 2010 uporabljeni kvalitetnejši podatki. Slika 4 - Odstopanja na posameznih kontrolnih toč kah (model 2000) Slika 5 - Odstopanja na posameznih kontrolnih toč kah (model 2010) 99 Histograma frekvenc odstopanj za obe rešitvi sta prikazana na Diagramih 2 in 3. Diagram 2 - Histogram frekvenc odstopanj za rešitev iz leta 2000 Diagram 3 - Histogram frekvenc odstopanj za rešitev iz leta 2010 Prav tako smo opravili primerjavo gridov obeh rešitev. Izrač unali smo razlike v gridnih toč kah. Histogram frekvenc razlik je prikazan na Diagramu 4. Ker so razlike podane v pravilni mreži smo lahko tudi izrisali plastnice (Slika 6). Največ ja odstopanja so na mejah Slovenije, moramo pa poudariti, da so vrednosti v gridu modela iz leta 2000 podane samo na ozemlju Slovenije. Razpon razlik je relativno velik (med -0,741 m in 0,283 m), ni pa opaziti sistematič nih odstopanj. Diagram 4 - Histogram frekvenc razlik v gridnih toč kah 100 Slika 6 - Prikaz odstopanj v gridnih toč kah Zaključ ek Trenutni rezultati pri uvajanju sodobnega višinskega sistema v Sloveniji, skupaj s prerač unom ploskve geoida in vklopom ploskve geoida v višinski sistem Slovenije, kažejo, da bomo dobili višinski sistem, ki bo omogoč al bolj kvalitetno, natanč no in zanesljivo uporabo GNSS-višinomerstva v praksi. V okviru projekta "Vzpostavljanje evropskega prostorskega referenč nega sistema v Sloveniji" je bil izdelan projekt nove nivelmanske mreže Slovenije, ki je v 45 % izmerjenih nivelmanskih poligonov že realiziran. Glede na dejstvo, da je bil izmerjen zahodni hriboviti/gorski del Slovenije, za katerega so znač ilne velike višinske razlike med vozlišč nimi reperji, lahko ugotovimo, da so trenutni rezultati odlič ni. Tako je okoli 76 % odstopanj obojestransko merjenih višinskih razlik manjših od polovice predpisanega dovoljenega odstopanja. Ocena natanč nosti niveliranja 1 km nivelmanske linije v obe smeri, ki smo jo izrač unali na osnovi zapiranja nivelmanskih zank, znaša 0,61 mm in na osnovi popravkov merjenih višinskih razlik po izravnavi 0,85 mm. Podobno velja tudi za doseženo natanč nost po izravnavi nivelmanskih poligonov, saj je pri 87 % (13) nivelmanskih poligonov ocena natanč nosti boljša od 0,5 mm. Dobre rezultate dobimo tudi pri oceni natanč nosti določ itve nadmorskih višin reperjev. Tako so nadmorske višine vozlišč nih reperjev določ ene z natanč nostjo od 0,99 mm do 7,33 mm. Prič akovano so boljši rezultati doseženi pri oceni natanč nosti določ itve nadmorskih višin reperjev v nivelmanskih poligonih, kjer so nadmorske višine določ ene z natanč nostjo do 3,81 mm. Z izrač unom testnega modela geoida in njegovo analizo smo korak bližje k novemu slovenskemu geoidu, ki bo z ustrezno kakovostjo zadovoljil potrebe uporabnikov. Analiza je pokazala, da imamo probleme predvsem na mejnem območ ju z Italijo, ki so rešljivi s pridobitvijo bolj kakovostnih podatkov iz Italije. V nadaljnjih letih bo zgošč ena tudi mreža 101 kvalitetnih GNSS/nivelmanskih toč k, ki bodo služile za vpetje geoida v nov višinski sistem Slovenije. Prav tako bo poveč ana tudi baza t. i. GNSS/nivelmanskih toč k, ki bodo kontrolne toč ke za oceno natanč nosti nove višinske referenč ne ploskve. Zahvala Č lanek je nastal na podlagi rezultatov projekta "Vzpostavljanje evropskega prostorskega referenč nega sistema v Sloveniji". Projekt je bil podprt z donacijo Norveške na podlagi Norveškega finanč nega mehanizma – Sporazum o dodelitvi nepovratnih sredstev SI0004- SGN-00085-E-V3-NFM. Literatura Ambrožič , T., Turk, G. (2004). Navodila za uporabo programa Win ViM. Ljubljana, UL FGG, Oddelek za geodezijo. Berk, S., Bajec, K., Triglav Č ekada, M., Fajdiga, D., Mesner, N., Arh, I., Žagar, T., Janežič , M., Fabiani, N., Radovan, D., Stopar, B., Koler, B., Kuhar, M., Sterle, O., Pavlovč ič Prešeren, P., Ambrožič , T., Kogoj, D., Savšek, S. (2009). Razvoj DGS 2009. Prehod na nov koordinatni sistem. Konč no poroč ilo projekta. Geodetski inštitut Slovenije, Ljubljana. Lyszkowicz, A., Bernatowicz, A. (2010). Accuracy evaluation of the successive campaigns of the precise levelling in Poland. Technical Sciences, no. 13. Omang, O. C. D. (2000). The challenge of precise geoid determination – applied to Norwegian extremeties: glaciers, fjords and mountains. Doktorska disertacija. Institutt for kartfag, Norges Landbrukshøgskole, Scientific report, št. 4, ¯s, Norveška. Oven, K., Berk, S., Bajec, K., Pegan Žvokelj, D., Klanjšč ek, M., Demšar, J., Vrabič , R., Drošč Æk, B., Zore, M., Fabiani, N., Janežič , M., Radovan, D., Stopar, B., Koler, B., Kuhar, M., Sterle, O., Pavlovč ič Prešeren, P., Ambrožič , T., Kogoj, D., Savšek, S. (2010). Razvoj DGS 2010. Prehod na nov koordinatni sistem. Konč no poroč ilo projekta, Geodetski inštitut Slovenije, Ljubljana. Pravilnik o tehnič nih normativih za mreže temeljnih geodetskih toč k (1981). Ljubljana. Republiška geodetska uprava. Pribič ević , B. (2000). Uporaba geološko-geofizič nih in geodetskih baz podatkov za rač unanje ploskve geoida Republike Slovenije. Doktorska disertacija. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Ljubljana. Solheim, D. (2000). New height reference surfaces for Norway. V: J. A. Torres in H. Hornik (ur.). Report on the Symposium of the IAG Subcommission for Europe (EUREF), Tromsø, 22.–24. junij 2000. Veröffentlichungen der Bayerischen Kommission für die Internationale Erdmessung, Astronomisch-Geodätische Arbeiten, zv. 61, str. 154–158. Bayerische Akademie der Wissenschaften, München. 103 Razvoj sistema za napovedovanje hidroloških razmer na poreč jih Save in Soč e Sašo Petan * , Nejc Pogač nik * , Mojca Sušnik * , Janez Polajnar * , Gregers Jørgensen ** Povzetek Agencija Republike Slovenije za okolje je v okviru projekta Nadgradnja sistema za spremljanje in analiziranje stanja vodnega okolja izvedla nadgradnjo in širitev sistema za napovedovanje hidroloških razmer, ki je bil leta 2006 vzpostavljen za poreč je Mure v okviru regijskega sodelovanja s hidrološko službo avstrijske Štajerske. V prispevku so opisani zasnova in zgradba prognostič nega hidrološkega sistema na poreč jih Save in Soč e, kalibracija hidrološkega in hidrodinamič nega modela, operativno delovanje sistema in prikaz njegovih rezultatov, trenutne omejitve sistema in predviden razvoj v prihodnosti. Uvod V okviru projekta River Basin Agenda Alpine Space, ki ga je podprla iniciativa EU INTERREG IIIB, je bil leta 2006 izdelan sistem za napovedovanje hidroloških razmer na reki Muri. To je bil prvi konceptualni hidrološki prognostič ni sistem, ki sta ga hidrološki službi Slovenije in avstrijske Štajerske vpeljali v svoje operativno delo. Ker se je takšno operativno orodje izkazalo kot zelo koristno in nepogrešljivo pri opravljanju vsakodnevnih nalog prognostič nih služb, so se prav kmalu pojavile tudi potrebe po širitvi prognostič nega sistema na druga poreč ja in tudi njegovi nadgradnji, kar bi še dodatno poveč alo operativno uč inkovitost hidrološke prognostič ne službe v Sloveniji. Tako je Agencija Republike Slovenije za okolje (ARSO) že leta 2006 prič ela s pripravo projekta Nadgradnja sistema za spremljanje in analiziranje stanja vodnega okolja ali BOBER (Boljše opazovanje za boljše ekološke rešitve), s katerim je kandidirala na razpisu Evropskega kohezijskega sklada - Operativni program razvoja okoljske in prometne infrastrukture za obdobje 2007–2013 in pozneje tudi pridobila sredstva za njegovo izvedbo. V okviru projekta BOBER je bila pripravljena naloga širitve in nadgradnje obstoječ ega prognostič nega sistema za poreč ji Save in povodje Soč e. S to nalogo je bil zač rtan razvoj Oddelka za hidrološko prognozo na Agenciji RS za okolje med letoma 2010 in 2015. Širitev in nadgradnja sistema za napovedovanje hidroloških razmer Sistem za napovedovanje hidroloških razmer se je v okviru projekta BOBER razširil na poreč je reke Save do zadnje vodomerne postaje na slovenskem ozemlju – Jesenice na Dolenjskem, in celotno povodje reke Soč e, skupaj z italijanskimi pritoki, do izliva v Jadransko morje. Nadgradnja prognostič nega sistema je poleg razvoja kontrolnega orodja in izboljšane uporabniške izkušnje obsegala še naslednje tri bistvene sklope: • vključ itev dodatnih meteoroloških modelov, katerih napovedi služijo kot vhodni podatek za simulacije hidroloških modelov prognostič nega sistema, * Agencija RS za okolje, Vojkova 1b, SI-1000 Ljubljana ** DHI, Agern AllØ 5, DK-2970 Hørsholm, Danska. 104 • navezavo sistema na sistem za opozarjanje širše javnosti pred poplavno nevarnostjo Hidroalarm, • izdelavo spletne strani, ki je namenjena prikazu modelskih rezultatov hidrološkega prognostič nega sistema zainteresiranim uporabnikom. Modelski območ ji poreč ij Save in Soč e zajemata 53 % oz. 11 % površine Slovenije. Tako lahko Oddelek za hidrološko prognozo pri napovedovanju hidroloških razmer v Sloveniji sedaj uporablja rezultate hidrološkega prognostič nega sistema, ki obsega cca 70 % slovenskega ozemlja na poreč jih Mure, Save in Soč e. Zasnova hidrološkega prognostič nega sistema Osnovna ideja pri izgradnji hidrološkega prognostič nega sistema je bila zasnovati tak sistem, ki bo omogoč al enoten, enostaven in hiter pregled hidrološkega stanja in napovedi v izbranih prognostič nih profilih na poreč jih Save, Soč e in Mure. Zato smo se odloč ili za ohranitev modelskega jedra sistema – programskega paketa MIKE11 skupine DHI, ki je že bilo uporabljeno na poreč ju Mure. Hidrološki prognostič ni sistem smo želeli v največ ji meri zgraditi okoli že obstoječ ih hidroloških, meteoroloških in prostorsko-informacijskih baz podatkov na ARSO. Izgradnja sistema se je tako usmerila k pridobivanju podatkovnih virov oz. pregledu njihovega stanja, pripravi potrebnih vhodnih podatkov in parametrov za potrebe modeliranja, zasnovi kontrolnega orodja sistema in pregledovalnika modelskih rezultatov ter njihovega shranjevanja za potrebe poznejših analiz. Slika 1: Delitev poreč ij Save in Soč e na podporeč ja glede na izbrane prognostič ne profile hidrološkega prognostič nega sistema Na poreč ju Save (10 843 km2) smo izbrali 40, na povodju Soč e (3 426 km2) pa 31 vodomernih postaj za prognostič ne profile znotraj sistema (Slika 1). Območ ji obeh poreč ij smo razdelili na prispevna območ ja izbranih prognostič nih profilov. Tako smo določ ili 105 izhodišč a za hidrološka modela Save in Soč e, ki smo ju zastavili v osnovni komponenti paketa MIKE11 – NAM. Gre za deterministič en in konceptualen hidrološki model, ki s semi-empirič nimi matematič nimi izrazi poenostavljeno opisuje komponente hidrološkega kroga pri tleh. NAM določ a površinskih odtok iz prispevnih območ ij prognostič nih profilov, ki so znotraj modela obravnavana kot posamezne rač unske enote. Z vključ itvijo enostavnega snežnega modula pa model upošteva tudi akumulirano vodo v snegu na različ nih višinskih conah prispevnih območ ij. Za izgradnjo enodimenzijskega hidrodinamič nega modela, ki služi kinematič ni propagaciji valov površinskega odtoka vzdolž poenostavljene hidrografske mreže, smo zbrali razpoložljive preč ne profile vodotokov in informacije o več jih hidrotehnič nih objektih na vodotokih (pregrade in akumulacije hidroelektrarn, jezovi in talni pragovi). Pri operativnem delovanju je sistemu dodan še modul za korekcijo napovedanih pretokov in vodostajev. Ta modul znotraj hidrodinamič nega modela popravi modelirane pretoke in vodostaje z izmerjenimi vrednostmi ob upoštevanju eksponentne funkcije približevanja k napovedanim vrednostim. Kalibracija hidrološkega in hidrodinamič nega modela Po opravljeni delitvi poreč ij Save in Soč e na podporeč ja oz. rač unske enote hidrološkega modela so bili pripravljeni vsi potrebni podatki za kalibracijo: 10-letni nizi (1998–2007) urnih podatkov o temperaturah in padavinah iz meteorološke mreže merilnih postaj, pretokih in vodostajih na vodomernih postajah hidrološke merilne mreže in potencialne evapotranspiracije na rač unskih enotah (dnevni podatki). Hidrološki model je bil pripravljen za kalibracijo po izrač unu uteži za določ itev srednje vrednosti padavin in temperature na posamezno rač unsko enoto, določ itvi površin 100-metrskih višinskih pasov znotraj rač unskih enot in izbiri temperaturnih in padavinskih gradientov po višini. Glavni kriteriji pri kalibraciji hidrološkega modela so bili naslednji: ujemanje vodne bilance, visokovodnih konic, padajoč ih delov hidrogramov in baznega odtoka znotraj 10-letnega obdobja kalibracije. Kalibracija parametrov hidrološkega modela je bila opravljena predvsem roč no z obč asnimi zagoni modula za avtokalibracijo. Pri tem smo ponekod naleteli na težave predvsem zaradi slabše raziskanih ali določ enih razvodnic na kraških območ jih. Konč ni rezultat kalibracije je bil zelo odvisen od kakovosti podatkov o padavinah in pretokih. Kalibriran hidrološki model je bil nato povezan s hidrodinamič nim modelom. Zaradi preredke mreže znanih preč nih prerezov na vodotokih je bila kalibracija hidrodinamič nega modela opravljena predvsem v izbranih prognostič nih profilih tako, da so bili dodani bistveni elementi, ki opredeljujejo hidrodinamič ne razmere na obravnavanih odsekih. Tako smo pri različ nih vodnih stanjih dosegli odstopanje simuliranega vodostaja od izmerjenega znotraj intervala ± 20 cm. V model so vstavljeni tudi glavni hidrotehnič ni objekti s pravili obratovanja regulacijskih naprav. Operativna postavitev sistema za napovedovanje hidroloških razmer Hidrološki model znotraj operativnega hidrološkega prognostič nega sistema vzame kot vhodne podatke izmerjene količ ine padavin in temperature na avtomatskih meteoroloških postajah, ki so vključ ene v mreže hidroloških in meteoroloških opazovanj Slovenije in tudi sosednjih držav, ter napovedane količ ine padavin in temperature z različ nimi meteorološkimi modeli. Hidrološki prognostič ni sistem izdela napoved pretokov in 106 vodostajev v izbranih prognostič nih profilih za 72 in 144 ur vnaprej glede na kombinacijo merjenih in z različ nimi meteorološkimi modeli napovedanih količ in padavin in temperatur. Tako znotraj sistema obratujejo štiri različ ne postavitve hidroloških modelov, ki jih prikazuje Preglednica 1. Posebnost druge postavitve je ta, da meteorološki model INCA-CE za zelo kratkoroč no napovedovanje, ki izdeluje napovedi v polurnih intervalih, vsebuje tudi analizo meteoroloških razmer za pretekle pol ure glede na meritve avtomatskih meteoroloških postaj in vremenskega radarja. Ob tem se vhodni č asovni nizi meteoroloških spremenljivk kreirajo vsako uro tako, da se analize predhodnih napovedi INCA-CE ohranjajo. Č etrta postavitev hidrološkega modela je eksperimentalne narave, saj služi testiranju določ enih rešitev zaradi slabšega poznavanja dejanske porazdelitve merjenih padavin v prostoru ali pravil obratovanja hidrotehnič nih objektov, ki so vključ eni v hidrodinamič ni model. Preglednica 1: Različ ne postavitve hidroloških modelov znotraj sistema za napovedovanje hidroloških razmer na poreč jih Save in Soč e Hidrološki prognostič ni sistem se avtomatič no zažene vsako uro in izdela napovedi pretokov in vodostajev, ki jih korigira glede na izmerjeno hidrološko stanje na avtomatskih vodomernih postajah v zadnji uri. Ob zač etku simulacije hidrološkega in hidrodinamič nega modela sistem razbere robne pogoje oz. njihovo zač etno stanje iz predhodne simulacije. Napredno pregledovanje rezultatov in krmiljenje hidrološkega prognostič nega sistema omogoč a orodje Flood Watch Online (Slika 2), ki ga je izdelal, nadgradil in dopolnil izvajalec naloge glede na zahteve in potrebe hidrološke prognostič ne službe ARSO. V sistemu so na prognostič nih profilih prikazane tudi opozorilne vrednosti pretokov in vodostajev, ki so usklajene s sistemom za opozarjanje pred visokimi vodami Hidroalarm. Tako je omogoč eno tudi povezovanje obeh sistemov in delne avtomatizacije procesov opozarjanja pred visokimi vodami. Orodje Flood Watch Online omogoč a tudi vpogled v pretekle simulacije hidrološkega prognostič nega sistema in simulacijo scenarijev hidroloških dogodkov, ki jih merilni instrumenti niso zaznali ali pa jih meteorološki modeli niso predvideli: po opravljenem posvetovanju med dežurnim hidrologom in meteorologom lahko zelo hitro izvedemo novo simulacijo z roč no korigiranimi vrednostmi izmerjenih ali napovedanih količ in padavin. INCA-CE za prihodnjih 12 ur NMM za prihodnjih 72 ur ALADIN/SI za prihodnjih 72 ur ECMWF za prihodnjih 144 ur SAVA1/SOČ A1 ● ● ● SAVA2/SOČ A2 ○ ● ● SAVA3/SOČ A3 ● ● SAVA4/SOČ A4* ● ● * eksperimentalna postavitev meritve avtomatskih merilnih postaj zadnjih 120 ur napovedi meteorološkega modela postavitev hidrološkega modela 107 Slika 2: Orodje za pregledovanje rezultatov in krmiljenje hidrološkega prognostič nega sistema – Flood Watch Online. Levo – simulacija pretokov na v. p. Sava Hrastnik; desno – prikaz izmerjenih in napovedanih padavin na prispevnem območ ju v. p. Vipava Vipava. Verifikacija sistema za napovedovanje hidroloških razmer S testnim operativnim obratovanjem hidrološkega prognostič nega sistema smo prič eli aprila 2011. Hidrološki model znotraj operativnega sistema se poganja s padavinami in temperaturami, ki so izmerjene na avtomatskih meteoroloških postajah in napovedane z meteorološkimi modeli. Parametri hidrološkega modela so bili v č asu kalibracije določ eni iz podatkov, ki so bili izmerjeni na merilnih mestih najširše meteorološke mreže, in se razlikujejo od tistih znotraj operativnega sistema. Zato nač rtujemo izvedbo verifikacije kalibriranega hidrološkega modela na operativnem izboru avtomatskih meteoroloških postaj. V okviru projekta je bila zgrajena tudi podatkovna baza simulacij hidrološkega prognostič nega sistema, ki bo uporabljena za analizo kakovosti simulacij in verifikacijo napovedanih pretokov v posameznih prognostič nih profilih. Tovrstno verifikacijo predvidevamo, ko se bo v podatkovni bazi nabral statistič no zadosten vzorec visokovodnih valov. Bistvena ugotovitev, ki se poraja iz testnega obratovanja sistema je ta, da je trenutna mreža avtomatskih merilnih postaj padavin preredka za podrobnejši zajem precej razgibane prostorske porazdelitve padavin v Sloveniji. Tako so simulacije hidroloških modelov v posameznih primerih dokaj negotove. Kombinacija omenjene ugotovitve in nač ina delovanja modula za korekcijo napovedanih pretokov in vodostajev privede do omejenih napovedi hidrološkega prognostič nega sistema, ki zahtevajo kritič no presojo hidrologa prognostika. Prič akujemo, da se bo to stanje precej izboljšalo v prihodnjih letih s postavitvijo novih avtomatskih merilnih postaj in vremenskega radarja v okviru projekta BOBER ter z nadaljnjim razvojem hidrološkega prognostič nega sistema. Prikaz rezultatov sistema za napovedovanje hidroloških razmer V okviru projekta BOBER je bila izdelana spletna stran, ki prikazuje rezultate hidrološkega prognostič nega sistema in je trenutno dostopna vsem uporabnikom na ARSO, 108 saj so rezultati sistema uporabni tudi pri optimiziranju delovanja drugih strokovnih služb, npr. s področ ja kakovosti voda in hidrometrije. V prihodnje bo dostop do rezultatov sistema omogoč en tudi zunanjim zainteresiranim uporabnikom, vendar v omejenem obsegu in pod določ enimi pogoji, saj je za pravilno interpretacijo rezultatov sistema potrebna kritič na hidrološka presoja. Spletni prikaz rezultatov prognostič nega sistema (Slika 3) temelji na prostorskem prikazu modelskih poreč ij s podporeč ji oz. rač unskimi enotami in lokacij prognostič nih profilov na obstoječ ih geografskih podlagah, ki jih omogoč ajo dostopni spletni servisi. Spletna stran omogoč a vpogled v rezultate hidrološkega prognostič nega sistema: • v prognostič nih profilih, kjer so prikazani č asovni nizi napovedanih pretokov in vodostajev ter predviden potek gladine v preč nem prerezu, ter • na prispevnih območ jih posameznih prognostič nih profilov, kjer so prikazani č asovni nizi izmerjenih in napovedanih padavin in temperatur zraka, izrač unanih deležev vode v tleh in vodnega ekvivalenta snežne odeje. Na diagramih č asovnih nizov so ob napovedanih prikazani tudi merjeni vodostaji in pretoki ter pripadajoč e opozorilne vrednosti, ki so skladni s sistemom Hidroalarm. Slika 3: Spletni prikaz rezultatov hidrološkega prognostič nega sistema. Levo – simulacija vodostajev na v. p. Savinja Celje s prikazom preč nega prereza in opozorilnih vrednosti vodostajev v barvni kodi Hidroalarma; desno – simulacija pretokov na v. p. Vipava Dolenje s prikazom opozorilnih vrednosti pretokov. Na spletni strani je poleg modelskih rezultatov v vsakem prognostič nem profilu na voljo tudi dokument, ki vsebuje izbor metapodatkov o pripadajoč i vodomerni postaji iz katastra vodomernih postaj, informacije o trenutno delujoč ih merilnih instrumentih, aktualni pretoč ni krivulji in preč nem prerezu, povezavo do morebitne spletne kamere na postaji ter izbor hidroloških znač ilnosti, kot so povratne dobe malih in velikih pretokov, obdobne letne statistike pretokov in temperatur ter kratek opis razmer ob treh najvišjih zabeleženih vodah. 109 Zaključ ki Hidrološke napovedi so v preteklih letih temeljile na subjektivnih ocenah hidrologa prognostika in enostavnih regresijskih modelih. Z razvojem kompleksnejših numerič nih modelov in avtomatizacijo meteoroloških in hidroloških merilnih mrež so hidrološke napovedi postale tehnič no bolj objektivne. Ob upoštevanju znanih omejitev in nezanesljivosti modelov je mogoč e zgraditi dovolj kakovosten hidrološki prognostič en sistem, ki bo omogoč al pravoč asno in natanč nejše opozarjanje pred visokimi vodami. Sistem za napovedovanje hidroloških razmer je sodobno orodje, ki je izrednega pomena za hidrološko prognostič no službo in tudi druge strokovne službe na Agenciji RS za okolje pri opravljanju vsakodnevnih nalog. Z njegovim razvojem so omogoč eni enoten, enostaven in hiter pregled hidrološkega stanja in napovedi pretokov in vodostajev v izbranih prognostič nih profilih na poreč jih Save, Soč e in Mure. Sistem izdela hidrološke napovedi na osnovi simulacij razvoja vremena različ nih meteoroloških modelov. Hidrološki prognostič ni sistem je v svojem temelju zasnovan za napovedovanje poplavnih dogodkov. Tako lahko pri manjših in zmernih porastih rek prihaja do relativno velikih odstopanj med napovedanim in pozneje izmerjenim hidrološkim stanjem v posameznih prognostič nih profilih. Lahko nastanejo tudi nelogič ne napovedi prognostič nega sistema kot posledica delovanja modula za korekcijo napovedanih pretokov in vodostajev z merjenimi vrednostmi. Zato je za pravilno interpretacijo rezultatov sistema nujno potrebna kritič na in strokovna presoja hidrologa prognostika. Glavne omejitve hidrološkega prognostič nega sistema izhajajo predvsem iz pomanjkljivosti vhodnih podatkov ali relativno preprostih modulov, ki so vključ eni znotraj sistema. Zaradi relativno redke mreže preč nih prerezov, ki je vključ ena v hidrodinamič ni model sistema, lahko pride do nestabilnosti in neprič akovanih nihanj simuliranih pretokov in vodostajev, predvsem pri visokih in izredno nizkih hidroloških stanjih. Trenutna mreža avtomatskih merilnih postaj padavin je preredka za natanč en zajem precej razgibane prostorske porazdelitve padavin v Sloveniji. Tako so simulacije hidrološkega modela v posameznih primerih dokaj negotove. Snežni modul, ki je trenutno vključ en v hidrološki model sistema, uporablja relativno enostavno rač unsko metodo, ki daje nezanesljive rezultate predvsem na območ jih z razgibanim reliefom. V našem primeru modelske napovedi o vodnem ekvivalentu snežne odeje odstopajo od dejanskega poteka akumulacije in taljenja snega. Hidrološka prognostič na služba upošteva vse zgoraj omenjene omejitve pri operativnem delovanju sistema. Tako se bodo z operativnim delovanjem sistema nabirale izkušnje, ki bodo omogoč ale pripravo izboljšav hidrološkega prognostič nega sistema kot celote. Že v okviru projekta BOBER se bosta do leta 2015 zgostili mreži avtomatskih meteoroloških in tudi hidroloških merilnih mest. Tako bomo hidrološki model sistema poganjali s prostorsko bolje porazdeljenimi padavinami in korigirali napovedane pretoke v več prognostič nih profilih. To pomeni, da bo sistem omogoč al toč nejše napovedi, delovanje sistema pa bo stabilnejše. Nač rtujemo tudi zamenjavo snežnega modula z bolj kompleksnim, ki bo ravno tako prispeval k boljšim napovedim sistema. Prihodnje analize modelskih rezultatov pri izjemnih hidroloških dogodkih bodo omogoč ile izboljšanje kalibracije tako hidrološkega kot tudi hidrodinamič nega modela. Že v prihodnjih mesecih pa bomo hidrološkemu prognostič nemu sistemu dodali še hidrološke napovedi na osnovi skupinskih numerič nih napovedi razvoja vremena z meteorološkim modelom ALADIN in izvedli povezavo s sistemom Hidroalarm ter tako dosegli višjo stopnjo avtomatizacije procesov pri opozarjanju pred visokimi vodami. 110 Literatura Arhiv Agencije RS za okolje. DHI Software, 2009. Mike 11, A modelling system for rivers and channels, User manual (http://www.dhigroup.com/Software/WaterResources/MIKE11.aspx) Pogač nik, N., Gosar, L., Ruch, C., 2008. Hidrološki prognostič ni sistem : uporaba prostorskih podatkov. V: PERKO, D. (ur.), Geografski informacijski sistemi v Sloveniji 2007-2008, (GIS v Sloveniji, 9), Ljubljana, str. 129-141. Pogač nik, N., Petan S., Sušnik, M.,Jorgensen, G., Polajnar, J., Ruch, C.: Development of a flood forecasting system on the Sava river in Slovenia, XXVth Conference of the Danubian Countries, 16-17 June 2011 – Budapest, Hungary. Ruch, C., Jørgensen, G., Polajnar, Sušnik, M., Hornich, R., Schatzl, R., Pogač nik N. 2006: Trans - boundary forecasting system on Mur river. 23. Conference of the Danubian countries on the hydrological forecasting and hydrological basis of water management, 28.-31, August 2006, Belgrade. 111 Vpliv različ nih vrst substrata na strukturo hitrosti vodnega toka na primeru potoka Glinšč ica Maja Koprivšek * Povzetek Prispevek obravnava vpliv različ nih vrst substrata in morfološke spremenjenosti struge na strukturo hitrosti vodnega toka. Poudarek je na merjenju hitrosti vodnega toka tik ob dnu, kjer živi več ina vodnih organizmov, predvsem makroinvertebratov. Predstavljene so meritve hitrosti vodnega toka nad različ nimi vrstami substrata, ki smo jih izvajali na potoku Glinšč ica v Ljubljani poleti 2010. Uporabljali smo Dopplerjev merilnik pretoč nih hitrosti FlowTracker Handheld ADV proizvajalca SonTek. V rezultatih pri različ nih vodostajih primerjamo vertikalne profile hitrosti po širini preč nih prerezov nad različ nimi naravnimi substrati in umetnim substratom. Na morfološko različ nih odsekih struge primerjamo še gostoto turbulentne kinetič ne energije. Ocenjen je tudi vpliv življenjskih združb na hitrosti vodnega toka in vpliv vodnega toka na organizme. Uvod Vodni tok je najpomembnejši abiotski dejavnik v lotič nih sistemih, saj na vodne organizme vpliva na najrazlič nejše nač ine. Neposredno vpliva nanje z odnašanjem dolvodno, s silo upora, prinašanjem hrane in plinov ter odnašanjem metabolitov, posredno pa vpliva nanje z določ anjem velikosti delcev in strukture substrata, morfologije struge vodotoka in preskrbo s kisikom. Hitrost in struktura vodnega toka pa pomembno vplivata tudi na odnose med organizmi, med njimi najbolj oč itno na kompeticijo in predatorstvo. Ker se vodni tok v naravnih vodotokih krajevno in č asovno zelo spreminja, je potrebno za določ itev dejanskega vpliva vodnega toka na vodne organizme zelo natanč no izmeriti smer in hitrost vode na mestih, kjer se organizmi zadržujejo. Povpreč na hitrost vodnega toka na posamezni vertikali preč nega profila nam namreč ne pove nič esar o hitrostnih razmerah tik ob posteljici dna, kjer se zadržuje največ vodnih organizmov. Prav merjenje hitrosti tik ob dnu pa predstavlja velik problem, saj tehnologija za merjenje hitrosti v naravnih vodotokih ni prilagojena za merjenje tako blizu dna. Nove raziskave v zadnjih dveh desetletjih so namreč pokazale, da je laminarna mejna plast na kamnih v vodotoku velika le nekaj 100 mikrometrov in s tem mnogo premajhna za zavetje vodnih nevretenč arjev (makroinvertebratov). Kot zavetje ta plast služi le mikroorganizmom, makroinvertebrati pa se vodnemu toku umikajo ali prilagajajo na različ ne nač ine. Da bi razumeli, kakšnim razmeram so vodni organizmi podvrženi in kako se nanje prilagajajo, je bistvenega pomena poznavanje dinamike tekoč in v naravnih vodotokih kot tudi ekologije. V prispevku primerjamo vertikalne profile hitrosti, ki so bile izmerjene nad različ nimi vrstami substrata ob različ nih vodostajih na potoku Glinšč ica (Koprivšek, 2011). Na vsakem merilnem mestu smo izbrali več preč nih prerezov, na vsakem od njih pa več karakteristič nih merilnih toč k, na katerih smo z Dopplerjevim merilnikom hitrosti merili hitrosti vodnega toka v vzdolžni, preč ni in navpič ni smeri na različ nih oddaljenostih od dna. Iz varianc hitrosti smo izrač unali še gostoto turbulentne kinetič ne energije. Na odseku z betonskim koritom smo izmerili tudi pretoke in ovrednotili vpliv obrasti na pretoč no * UL, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Jamova 2, SI-1000 Ljubljana 112 krivuljo. Rezultate smo nato primerjali z rezultati predhodno izvedenih študij združb makroinvertebratov in perifitona na istem potoku. Metodologija Najprej smo izvedli dve preliminarni meritvi hitrosti vodnega toka, s katerima smo primerjali rezultate, pridobljene s hidrometrič nim krilom Valeport model 104, in rezultate, pridobljene z Dopplerjevim merilnikom hitrosti vodnega toka FlowTracker Handheld ADV proizvajalca SonTek. Namen teh meritev je bil ugotoviti, kateri izmed razpoložljivih instrumentov omogoč a natanč nejše meritve hitrosti č im bližje dnu struge, bregovom in elementom substrata (več ji kamni v strugi). Hkrati smo želeli tudi preveriti, ali napravi dajeta primerljive rezultate, saj je bilo v predhodnih raziskavah, ki so zajemale tudi raziskave perifitona in makroinvertebratov, več inoma uporabljeno hidrometrič no krilo. Meritve smo izvajali na morfološko različ nih odsekih potoka. Izbrali smo precej zarašč en odsek, reguliran s pragovi, tik pred betonsko strugo, in togo reguliran odsek z betonskim koritom. Podobno kot De Doncker (2008) smo ugotovili, da je za meritve blizu dna ter v bližini objektov v strugi primernejši Dopplerjev merilnik, saj ne potrebuje prostora za vrtenje krila, pri njem pa je tudi manjša verjetnost izpada zaradi ovijanja alg in trave kot pri hidrometrič nem krilu, kjer se krilce hitro zamaši z algami, ki jih prinaša vodni tok. V nadaljevanju smo merili le z Dopplerjevim merilnikom. Meritve hitrosti so potekale na merilnih mestih, sestavljenih iz različ nega števila preč nih prerezov, odvisno od karakteristik posameznega merilnega mesta. Na vsakem preč nem prerezu smo zbrali vsaj tri karakteristič ne toč ke (npr. ob robu struge, pred kamnom, za kamnom, na zarašč enem delu, na golem delu struge) in v teh toč kah merili na različ nih višinah po vertikali: na vodni gladini, na dveh desetinah globine, šestih desetinah globine (povpreč na vrednost vertikale), osmih desetinah globine in pri dnu. Ob dovolj nizkem vodostaju (do približno 30 cm) je bila meritev ob dnu od posteljice dna oddaljena le 0,5 cm, ker smo sondo sneli s stojala in jo roč no držali na dnu, pri višjih vodostajih pa se je meritev približala dnu na 1,6 cm, saj je to najmanjša razdalja od dna, na kateri lahko merimo z uporabo stojala. Interval merjenja hitrosti je bil 60 sekund na posamezni toč ki, saj je to minimalni č as merjenja, ki ga potrebujemo, č e želimo zajeti potek nastajanja turbulentnih vrtincev (Buffin-BØlanger in Roy, 2005). Izjemoma smo interval merjenja skrajšali na 40 sekund, v primerih, ko smo želeli ujeti podobne pogoje med prehodom visokovodnega vala na č im več merilnih mestih. Merilna mesta Meritve so potekale na vodotoku Glinšč ica v Ljubljani. Vodotok je primeren zaradi različ nih stopenj reguliranosti na različ nih odsekih in raznolikega substrata, kot tudi zaradi velikosti, ki omogoč a merjenje z roč nim merilnikom ADV SonTek ter ne nazadnje bližine, ki omogoč a merjenje ob pravem č asu glede na potek poplavnega vala. Za raziskavo smo si izbrali 6 merilnih mest na odseku med Biološkim središč em in ljubljansko obvoznico (slika 1). Merilna mesta smo poimenovali z oznakami od GL1 do GL6 od najbolj dolvodnega proti najbolj gorvodnemu. Prva tri mesta smo izbrali na odseku z betonsko strugo (4. razred po ekomorfološki kategorizaciji), č etrto merilno mesto je bilo na prehodu iz betonske struge v klasič no regulirano strugo z naravnim substratom, zadnji dve vzorč ni mesti pa sta bili na odseku klasič no regulirane struge z naravnim substratom (2. - 3. razred 113 po ekomorfološki kategorizaciji). Odsek z betonsko strugo je trapezne oblike s poglobljenim osrednjim delom za prevajanje sušnega odtoka. Ta del je poglobljen za 0,25 m glede na dno struge, širok pa je en meter. Utrjevanje struge je izvedeno z betonskimi plošč ami, velikosti 0,5 m × 0,5 m in debeline 0,1 m. Tlakovanje se v naklonu 1:10 navezuje na obstoječ e brežine ali zidove oz. do regulacijske širine dna, ena vrsta plošč pa je položena tudi na brežino, katere nagib se spreminja od 1:1,5 do 1:2. Brežine so nad betonskimi plošč ami zatravljene, višina brežin glede na osrednjo kineto pa znaša od 2,3 do 2,5 m (Rusjan, 2003). Slika 1 - Položaj merilnih mest na potoku Glinšč ica (Vir: ARSO) a) b) 114 c) d) e) f) Slika 2 - Merilna mesta: a) GL1; b) GL2; c) GL3; d) GL4; e) GL5; f) GL6 Rezultati Več ina merilnih mest je bila sestavljena iz več preč nih prerezov. Primerjali smo hitrosti vzdolž različ nih preč nih prerezov na različ nih globinah in ob različ nih vodostajih. Zaradi velike količ ine podatkov prikazujemo v prispevku le primerjave ob najnižjem in najvišjem vodostaju, in sicer le na najzanimivejših merilnih mestih: GL2, GL4 in GL6. Na merilnem mestu GL2 smo primerjali povpreč ne hitrosti in hitrosti pri dnu med preč nima prerezoma na zarašč enem in nezarašč enem betonskem koritu (sliki 3 in 4). Povpreč na hitrost celotnega preč nega prereza je bila seveda več ja na nezarašč enem delu betonskega korita, saj je bil koeficient hrapavosti struge tam manjši. Zanimivo pa je, da je bila največ ja hitrost na 6/10 globine izmerjena na zarašč enem delu struge. Razlog je v tem, da zarašč enost ni bila enakomerna, pač pa je bil del prereza ob desnem bregu (4/10 preč nega prereza) bistveno bolj zarašč en od preostalih 6/10 preč nega prereza (slika 2b). Obrast, ki so jo predstavljali predvsem mahovi, je prekrivala približno 80% površine na bolj zarašč enem delu prereza in okrog 30 % površine na manj zarašč enem delu prereza. Tako je glavnina vodnega toka tekla po manj zarašč enem delu preč nega prereza in posledič no so bile hitrosti na tem delu bistveno več je kot na bolj zarašč enem delu. 115 Slika 3 - Primerjava hitrosti nad nezarašč enim (levo) in zarašč enim (desno) betonskim koritom pri nizkem vodostaju (GL2) Z več anjem pretoka se je zaradi odtrganja obrasti zmanjšala obrašč enost zarašč enega dela betonskega korita, zato so se razlike v hitrostih v glavni strugi med zarašč enim in nezarašč enim delom zmanjšale (slika 4). Obrašč enost z mahovi v glavni, poglobljeni, strugi ni več imela bistvenega vpliva, velik vpliv pa so imele trave, ki rastejo iz špranj na zunanjem delu betonskega korita. Zaradi tega so bile hitrosti v matici struge na 6/10 globine še vedno opazno več je kot na nezarašč enem delu struge. Hitrosti na oddaljenosti 1,6 cm od dna so bile zaradi manjše zarašč enosti z mahovi v glavni strugi precej podobne na obeh preč nih prerezih, do velikih razlik pa je prišlo na zunanjem delu betonskega korita, kjer so se na zarašč enem preč nem prerezu pojavljale tudi protitoč ne hitrosti. Slika 4 - Primerjava hitrosti nad nezarašč enim (levo) in zarašč enim (desno) betonskim koritom pri visokem vodostaju (GL2) Slika 5a prikazuje primerjavo povpreč ne hitrosti zarašč enega in nezarašč enega preč nega prereza. Pri zelo nizkih vodostajih, pod 10 cm, ko je bila gostota obrasti največ ja, so bile 0 0,1 0,2 0,3 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 hitrost [m/s] oddaljenost od desnega brega [m] hitrost na 6/10 globine hitrost na 0,5 cm od dna 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 globina [m] globina vode = 6,5 cm 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 hitrost [m/s] oddaljenost od desnega brega [m] hitrost na 0,6 globine hitrost na 0,5 cm od dna hitrost na 0,2 globine 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 globina [m] globina vode = 8 cm 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 hitrost [m/s] oddaljenost od desnega brega [m] hitrost na 0,6 globine hitrost na 1,6 cm od dna 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 globina [m] globina vode = 59 cm -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 0,5 1 1,5 2 2,5 hitrost [m/s] oddaljenost od desnega brega [m] hitrost na 0,6 globine hitrost na 1,6 cm od dna 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 globina [m] globina vode = 56 cm 116 povpreč ne hitrosti okrog 20% manjše od tistih na nezarašč enem delu struge. Pri višjih vodostajih se ta odstotek sicer nekoliko zniža in znaša od globine 20 cm dalje približno 12%, saj je bila takrat tudi gostota obrasti manjša. Pri vodostajih od 50 cm dalje vrednosti niso več primerljive, saj sta se vodostaja pri merjenju na enem in drugem prerezu že precej razlikovala zaradi hitrega upada visokovodnega vala med izvajanjem meritev. a) b) Slika 5 - a) Povpreč na hitrost v odvisnosti od vodostaja; b) Pretoč na krivulja nad zarašč enim in nezarašč enim betonskim koritom Na merilnem mestu GL2, sestavljenem iz nezarašč enega in zarašč enega preč nega prereza, smo merili tudi pretoke in primerjali pretoč ni krivulji na obeh prerezih (slika 5b). Pri enakem vodostaju se pretoki seveda zmanjšajo za enak odstotek kakor hitrosti vode. Naše meritve pretokov so potekale neposredno ena za drugo, in sicer smo vedno najprej merili na nezarašč enem in nato na zarašč enem prerezu, zato sta bila ob stabilnih pretoč nih razmerah pretoka na obeh mestih enaka, zaradi zmanjšane povpreč ne hitrosti pa se je na zarašč enem prerezu povišal vodostaj. Pri višjih vodostajih se je pretok pri merjenju na zarašč enem prerezu že znižal glede na meritve na nezarašč enem prerezu in smo tako pri približno enakem vodostaju izmerili nižje hitrosti in manjši pretok. Merilno mesto GL4 smo si izbrali na prehodu iz struge s seminaravnim substratom in betonskim koritom, in sicer tako, da je bil en preč ni prerez postavljen na seminaravnem substratu 2,5 m gorvodno od zač etka betonskega korita, drugi pa 1,8 m dolvodno od zač etka betonskega korita. Vmes je nizek prag iz več jih kamnov, zato prihaja na seminaravnem prerezu do zajezitve. Pri nizkem vodostaju so zato hitrosti na tem delu bistveno manjše, struga pa je širša in globlja kakor na dolvodnem odseku z betonskim koritom (slika 6). Na prerezu z betonskim koritom (slika 6, desno) se lepo vidi vpliv kamnov v strugi dolvodno od preč nega prereza. Ob desnem bregu so bili ti kamni višji, zato so hitrosti vodnega toka bistveno več je ob levem bregu. Zanimivo je tudi to, da so bile na prerezu s seminaravnim substratom bistvene razlike med hitrostmi na različ ni oddaljenosti od dna struge, medtem ko so bile hitrosti nad betonskim koritom po vertikali praktič no konstantne, kar pomeni, da so bile na betonskem koritu že hitrosti na oddaljenosti 0,5 cm od dna precej velike. Po drugi strani pa so bile na betonskem koritu bistveno več je razlike med posameznimi toč kami na preč nem prerezu, medtem ko so bile na seminaravnem substratu hitrosti precej izenač ene po celotnem preč nem prerezu. 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 vodostaj [m] v [m/s] nezaraščen profil zaraščen profil 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 h [m] Q [m 3 /s] Pretočna krivulja nezaraščen profil zaraščen profil 117 Slika 6 - Primerjava hitrosti nad seminaravnim substratom (levo) in umetnim substratom (desno) pri nizkem vodostaju (GL4) Pri najvišjem vodostaju, pri katerem smo merili, sta se vodostaja na prerezu s seminaravnim substratom in na prerezu z betonskim koritom že popolnoma izenač ila, širina struge pa je bila še vedno za dobro polovico več ja na prerezu s seminaravnim substratom. Hitrosti na vseh globinah so bile na prerezu z betonskim dnom približno dvakrat več je (slika 7). Razlika v hitrosti vodnega toka med obema prerezoma se torej manjša z narašč anjem vodostaja, še vedno pa ostaja tudi pri izenač enem vodostaju še kar velika zaradi zajezitve s kamnitim pragom, ki omogoč a širši omoč en prerez struge na gorvodnem prerezu. Slika 7 - Primerjava hitrosti nad seminaravnim substratom (levo) in umetnim substratom (desno) pri visokem vodostaju (GL4) -0,02 -0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 v [m/s] oddaljenost od desnega brega [m] 2/10 globine 6/10 globine 1,6 cm od dna 0,5 cm od dna 0,00 0,25 0,50 globina [m] globina vode = 27 cm 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 v [m/s] oddaljenost od desnega brega [m] 2/10 globine 6/10 globine 1,6 cm od dna 0,5 cm od dna 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 globina [m] globina vode = 18,5 cm 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 v [m/s] oddaljenost od desnega brega [m] 2/10 globine 6/10 globine 1,6 cm od dna 0,0 0,5 1,0 globina [m] globina vode = 50 cm -0,5 0 0,5 1 1,5 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 v [m/s] oddaljenost od desnega brega [m] 2/10 globine 6/10 globine 1,6 cm od dna 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 globina [m] globina vode = 48 cm 118 Na merilnem mestu GL6 smo primerjali seminaravno brzico in tolmun. Na vsakem od prerezov smo merili v treh toč kah, enakomerno porazdeljenih po preč nem prerezu. Struga je bila na območ ju tolmuna nekoliko širša kot na območ ju brzice, posebno ob nižjih vodostajih. Na sliki 8 prikazujemo vertikalne profile hitrosti na sredini struge ob različ nih vodostajih. Razlike v hitrosti vode kakor tudi v vodostaju se med brzico in tolmunom manjšajo z narašč anjem vodostaja oz. poveč evanjem pretoka. Posebej v tolmunu (slika 8, levo), kjer so hitrosti ob nizkem vodostaju majhne, se lepo vidi narašč anje hitrosti ob narašč anju vodostaja, in to po celotni vertikali. Na brzici (slika 8, desno) je že hitrost pri najnižjem vodostaju nekoliko več ja, od vodostaja 13 cm naprej pa se ne poveč uje več bistveno, zato se krivulje hitrosti ob zadnjih treh vodostajih prepletajo. Slika 8 - Primerjava vertikalnih profilov hitrosti na sredini struge v odvisnosti od vodostaja v tolmunu (levo) in na brzici (desno) (GL6) Primerjali smo še hitrosti pri dnu in hitrosti na 6/10 globine v odvisnosti od vodostaja na seminaravni brzici in tolmunu ter dodali še primerjavo z betonskim koritom. Iz slike 9a vidimo, da hitrosti ob dnu v tolmunu kažejo lepo eksponentno korelacijo z vodostajem, medtem ko meritve na brzici sploh ne kažejo statistič ne soodvisnosti med hitrostjo pri dnu in vodostajem. Razlog za to je predvsem neravno dno na območ ju brzice, pri č emer smo lahko največ je vrednosti hitrosti ob dnu izgubili na območ jih med izbranimi vertikalami, saj je matica toka med posameznimi vodostaji vidno spreminjala položaj. Seveda najlepšo eksponentno soodvisnost med hitrostmi pri dnu in vodostajem izkazujejo hitrosti nad betonskim koritom, kjer je hidravlič na hrapavost dna najmanjša. Iz slike 9a vidimo tudi, da so hitrosti na oddaljenosti 1,6 cm od dna najmanjše v tolmunu. Nekoliko več je, vendar ne več kot dvakrat, so vrednosti hitrosti ob dnu na brzici, bistveno več je pa so hitrosti pri dnu nad betonskim koritom, ki so kar dva- do trikrat več je od hitrosti na brzici, in tri- do štirikrat več je kot v tolmunu. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,1 0,2 0,3 delež globine v [m/s] h = 15 cm h = 16.5 cm h = 20 cm h = 36 cm h = 52 cm 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 delež globine v [m/s] h = 6 cm h = 8 cm h =12.5 cm h = 28 cm h = 43 cm 119 a) b) Slika 9 - Hitrost v odvisnosti od vodostaja nad različ nimi vrstami substrata: a) hitrost pri dnu; b) hitrost na 6/10 globine Slika 9b prikazuje hitrosti na 6/10 globine v odvisnosti od vodostaja. Tudi v tem primeru dobimo najlepšo eksponentno korelacijo na odseku z betonskim koritom, zelo velika soodvisnost se kaže tudi na prerezu preko tolmuna, na prerezu preko brzice pa tudi hitrosti na 6/10 struge ne kažejo statistič ne soodvisnosti z vodostajem. Opazimo še, da so razlike v hitrostih med posameznimi odseki na tej globini nekoliko manjše kot pri dnu, še posebej pri nižjih vodostajih, kjer so hitrosti na brzici povsem primerljive s hitrostmi nad betonsko strugo. Slika 10 - Primerjava največ jih hitrosti na oddaljenosti 1,6 cm od dna na morfološko različ nih preč nih prerezih ob različ nih pretokih Hitrosti na oddaljenosti 1,6 cm od dna in na 6/10 globine na prej analiziranih merilnih mestih smo primerjali še na skupnih grafih (slike 11 – 14) in tako ovrednotili vpliv različ nih morfoloških oblik ter vpliv vodostaj. Preč na prereza »č ist beton« in »zarašč en beton« sestavljata merilno mesto GL2, preč na prereza »seminaraven substrat« in »umeten substrat« merilno mesto GL4, preč na prereza »tolmun« in »brzica« pa merilno mesto GL6. Najbolj verodostojne so seveda primerjave preč nih prerezov po parih na istem merilnem mestu, saj sta ta dva prereza zelo blizu en drugemu, meritve pa so se izvajale neposredno ena za drugo, zato lahko privzamemo, da je bil pretok na obeh prerezih enak. y = 6,9814e 11,794x R² = 0,9183 R² = 0,0055 y = 0.5162e 7.7141x R² = 0.9881 0 10 20 30 40 50 60 70 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 vodostaj [cm] največja hitrost na oddaljenosti 1,6 cm od dna [m/s ] tolmun brzica betonsko korito y = 7,5902e 6,968x R² = 0,9029 R² = 0,2322 y = 2,0833e 3,7334x R² = 0,9876 0 10 20 30 40 50 60 70 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 vodostaj [cm] največja hitrost na 6/10 globine [m/s] tolmun brzica betonsko korito 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 čist beton zaraščen beton seminaraven substrat umeten substrat tolmun brzica v 1,6 cm [m/s] zelo nizek nizek zmeren zmerno visok visok zelo visok 120 Kot je razvidno z grafov na slikah 10 in 11 se tako hitrosti na 6/10 globine kakor hitrosti pri dnu z narašč anjem pretoka poveč ujejo, in sicer na vseh preč nih prerezih. Do odstopanj pride la na brzici, kjer je bil vodostaj pri manjših pretokih zelo nizek, matica toka pa je svoj položaj spreminjala glede na vodostaj. Vpliv pretoka in morfoloških oblik na hitrosti vode smo ovrednotili z analizo variance (ANOVA). Zaradi zagotavljanja enakosti varianc znotraj posameznih skupin, nismo mogli hkrati primerjati vseh preč nih prerezov pri vseh pretokih, zato smo med sabo primerjali le preč ne prereze »č ist beton«, »zarašč en beton« in »seminaraven substrat« ter pri hitrostih pri dnu še »umeten substrat«, nato pa naredili še analizo znotraj posameznih parov preč nih prerezov na istem merilnem mestu. Tako pri analizi hitrosti pri dnu kakor tudi hitrosti na 6/10 globine smo ugotovili, da nanje statistič no znač ilno vplivata oba parametra, pretok in morfologija struge. Zanimivo je, da pri primerjavi »č istega« in »zarašč enega betona« na hitrosti pri dnu bolj vpliva pretok kakor substrat (signifikanten vpliv imata sicer oba), medtem ko na povpreč no hitrost bolj vpliva substrat. Na hitrosti pri dnu na mestih »seminaraven substrat« – »umeten substrat« glede na rezultate ANOVE niti pretok niti morfologija nimata signifikantnega vpliva, kljub temu pa iz grafa (slika 10) vidimo, da se hitrosti ob dnu s pretokom poveč ujejo, prav tako pa so ob vseh pretokih več je na »umetnem« kot na »seminaravnem substratu«. Na povpreč ne hitrosti vertikale imata približno enak, statistič no znač ilen, vpliv morfologija in pretok. Na paru »brzica« – »tolmun« ima signifikanten vpliv na povpreč ne hitrosti morfologija, pretok pa ne, medtem ko imata na hitrosti pri dnu signifikanten vpliv oba parametra, pri č emer je vpliv pretoka nekoliko več ji kot vpliv morfologije. Tako povpreč ne hitrosti kakor hitrosti pri dnu so statistič no znač ilno različ ne med mesti nad betonskim substratom v primerjavi z mesti nad seminaravnim substratom, med tem ko med vsemi tremi mesti nad betonskim koritom ni signifikantnih razlik. Slika 11 - Primerjava največ jih hitrosti na 6/10 globine na morfološko različ nih preč nih prerezih ob različ nih pretokih Primerjane hitrosti so v obeh primerih (povpreč je vertikale in pri dnu) največ je hitrosti preč nega prereza, torej v matici toka. Kot je razvidno s slik 10 in 11 sta razporeda hitrosti na 6/10 globine in 1,6 cm od dna zelo podobna, le da so hitrosti na 6/10 globine primerno več je. To pomeni, da je oddaljenost 1,6 cm od dna že tolikšna, da ni več lokalnega vpliva substrata, saj je razpored hitrosti takšen kot v »prostem« vodnem stolpcu. Seveda to ne pomeni, da substrat na hitrosti vode ne vpliva. Vpliva namreč na hitrosti v celotnem vodnem stolpcu. To pomeni le, da je ta vpliv na oddaljenosti 1,6 cm od dna praktič no enak 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 čist beton zaraščen beton seminaraven substrat umeten substrat tolmun brzica v 6/10 [m/s] zelo nizek nizek zmeren zmerno visok visok 121 vplivu na povpreč no hitrost vodnega stolpca, medtem ko bi morali za lokalni vpliv substrata meriti bližje dnu. Izrač unali smo še razmerje med povpreč nimi hitrostmi vodnega stolpca in hitrostmi vode pri dnu (slika 12) in ugotovili, da obstajajo statistič no znač ilne razlike med umetnim in seminaravnim substratom. Razmerje je na odsekih z betonskim koritom manjše kot na odsekih s seminaravno strugo, kar pomeni, da so bile hitrosti pri dnu v primerjavi s povpreč nimi hitrostmi več je kot na odsekih s seminaravnim substratom. Opazna je tudi razlika med hidravlič no gladko in hidravlič no hrapavo podlago. Pri nizkem vodostaju razlike med posameznimi substrati niso bile velike, razmerje pa se je gibalo med 1,3 in 1,8. Pri visokih vodostajih pa je na mestih s hidravlič no gladko podlago (betonsko dno, tolmun) razmerje ostalo približno enako, kar pomeni, da so se enako kot povpreč ne hitrosti poveč ale tudi hitrosti pri dnu, medtem ko se je na mestih s hidravlič no hrapavo podlago (seminaraven substrat, umeten substrat) to razmerje poveč alo, kar pomeni, da so se hitrosti pri dnu poveč ale manj kot povpreč ne hitrosti v vodnem stolpcu. Slika 12 - Razmerje med hitrostmi na 6/10 globine in hitrostmi na oddaljenosti 1,6 cm od dna na morfološko različ nih preč nih prerezih ob različ nih pretokih Intenziteta turbulence se odraža kot magnituda fluktuacij posameznih komponent hitrosti (v vzdolžni, preč ni in navpič ni smeri) okrog njihovih povpreč nih vrednosti (Wilcox in Wohl, 2007). Za nize hitrosti na 6/10 globine, katerih povpreč ja so prikazana na sliki 12, smo izrač unali gostoto turbulentne kinetič ne energije (TKE) po naslednji enač bi (Clifford in French, 1993): TKE = 2 1 ρ (σ 2 x + σ 2 y + σ 2 z ), kjer je: TKE…gostota turbulentne kinetič ne energije [N/m 2 ], ρ …gostota vode [kg/m 3 ] (privzeta vrednost 1000 kg/m 3 ), σ 2 x … standardna deviacija hitrosti v vzdolžni smeri, σ 2 y … standardna deviacija hitrosti v preč ni smeri in σ 2 z … standardna deviacija hitrosti v navpič ni smeri. 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 čist beton zaraščen beton seminaraven substrat umeten substrat tolmun brzica v 6/10 /v 1,6 cm zelo nizek nizek zmeren zmerno visok visok zelo visok 122 Rezultati so prikazani na sliki 13, kjer so vrednosti TKE prikazane na logaritemski osi. Pri vodostajih, nižjih od približno 10 cm, ki so se pojavljali ob nizkem in zelo nizkem pretoku na betonskem koritu in na brzici, vrednosti TKE nismo mogli izrač unati, saj zaradi premajhne globine vode nismo mogli izmeriti navpič ne komponente hitrosti. Tako že zaradi izostanka najnižjih pretokov na dveh preč nih prerezih ter tudi zaradi neenakosti med variancami posameznih nizov z ANOVO ni bilo mogoč e primerjati vseh preč nih prerezov naenkrat, zato smo primerjali le posamezne pare ter vsa mesta na seminaravnem substratu v primerjavi z vsemi mesti na betonskem substratu. Med brzico in tolmunom ni bilo statistič no znač ilnih razlik, kakor tudi ne med č istim in zarašč enim betonskim koritom, signifikantne pa so bile razlike v morfologiji med tolmunom in zarašč enim betonskim koritom. Med vsemi mesti na seminaravnem substratu in vsemi mesti na betonskem substratu prav tako ni bilo statistič no znač ilnih razlik. Razen na brzici, kjer so se pojavljale anomalije že pri primerjavi hitrosti na 6/10 globine in pri dnu, turbulentna kinetič na energija s pretokom narašč a. Daleč največ ja vrednost je bila na prerezu z umetnim substratom merilnega mesta GL4 pri visokem pretoku, ko je bil tok tudi na videz zelo turbulenten, vodna gladina pa je bila zelo vzvalovana. Na zač etku betonskega korita je namreč prag iz več jih kamnov, ki ob višjih vodostajih povzroč a intenzivno vrtinč enje. Na prerezu »seminaraven substrat«, ki ima prav tako znač ilnosti tolmuna, in prerezu »tolmun« sta bili izrač unani drugi največ ji vrednosti TKE pri velikem pretoku. Najnižje vrednosti TKE pri velikih pretokih so bile na brzici. Tudi razlike med vrednostmi TKE pri različ nih pretokih so bile največ je na prerezih »seminaraven substrat«, »umeten substrat« in »tolmun«, medtem ko so se na »č istem« in »zarašč enem betonskem prerezu« ter na »brzici« vrednosti zelo malo spreminjale glede na pretok. Slika 13 - Primerjava turbulentne kinetič ne energije na morfološko različ nih preč nih prerezih ob različ nih pretokih 0,01 0,1 1 10 100 1000 čist beton zaraščen beton seminaraven substrat umeten substrat tolmun brzica TKE [N/m 2 ] zelo nizek nizek zmeren zmerno visok visok 123 Vpliv hitrosti na združbi perifitona in makroinvertebratov Na približno istih merilnih mestih so se v letih 2005 in 2006 izvajale raziskave makroinvertebratske (Kereži, 2007) in perifitonske združbe (Štendler, 2007), hkrati pa so bili merjeni tudi hidrološki, fizikalni in kemijski parametri (Koprivšek, 2006). Vrednost Shannon – Wienerjevega diverzitetnega indeksa, izrač unanega na podlagi diatomejske združbe (Štendler, 2007) je bila ob največ jem pretoku v primerjavi z ostalimi vzorč nimi mesti bistveno nižja na obeh vzorč nih mestih z betonsko strugo. Ti dve mesti sta se v tem č asu bistveno razlikovali od drugih mest po hitrosti vodnega toka, medtem ko vsi ostali merjeni parametri niso bistveno odstopali od ostalih vzorč nih mest. Iz tega torej lahko sklepamo, da ima hitrost vodnega toka zelo velik vpliv na diverziteto diatomejske združbe. Povpreč ne hitrosti vodnega stolpca so na teh dveh mestih v č asu vzorč enja dosegale vrednosti 0,9 m/s. V č asu ostalih merjenj, ko je bil vodostaj nižji, so se hitrosti na mestih z betonskim prerezom manj razlikovale od ostalih vzorč nih mest – dosegale so vrednosti okrog 0,4 m/s, kar je verjetno glavni razlog, da takrat ni bilo bistvenih razlik v Shannon-Wienerjevem indeksu med umetnim in semi-naravnim substratom. Na predelu Glinšč ice, obloženem z betonskimi plošč ami, je bila kljub skoraj popolnoma homogenemu substratu vrstna diverziteta presenetljivo pestra. Prevladoval je mah vrste Fontinalis antipyretica, ki zaradi mrežaste razrasti filtrira različ ne celice in delce in s tem omogoč ajo visoko stopnjo usedanja in pritrjanja, kar poveč a tudi diverziteto mikroalg (Štendler, 2007). Štendler (2007) je še ugotovila, da na sezonsko dinamiko alg na potoku Glinšč ica vplivajo predvsem hidrološke spremembe (hitrost vodnega toka), ob nizkem vodostaju pa tudi temperatura vode, hranilne snovi in svetloba. Skupinski in vrstni sestav se med različ no spremenjenimi odseki ni bistveno spreminjal, razlike so bile le v pogostosti posameznih vrst. Tudi sezonska dinamika perifitona se ni bistveno razlikovala med seminaravnim in togo reguliranim odsekom struge. V nasprotju z združbo perifitona na združbo makroinvertebratov bolj vplivajo vzorč na mesta kot letni č asi. Zanimivo je, da se vrstna diverziteta ni bistveno zmanjšala pri meritvah ob največ jem pretoku na mestih z betonskim koritom, kjer so hitrosti dosegale kar 0,9 m/s. Znatno se je zmanjšalo le število osebkov na drugem betonskem prerezu (pri viški cerkvi), medtem ko je bilo število osebkov na vzorč nem mestu pri Biološkem središč u še več je od gorvodnih mest na semi-naravnem substratu. Shannon-Wienerjev diverzitetni indeks na splošno sicer upade na mestih z betonskim koritom, vendar ob poveč ani hitrosti ob največ jem pretoku nič bolj kot pri ostalih meritvah. Največ ja diverziteta makroinvertebratske združbe pa je bila na vzorč nem mestu nad Brdnikovo cesto, kjer so bile zaradi heterogenega substrata tudi hitrosti zelo heterogene. Ta odsek je sicer umetno spremenjen, vendar je urejen z nizkimi pragovi, ki ustvarjajo odseke s hitrim in poč asnim tokom. Število taksonov je namreč več je v heterogenem okolju s pestrimi habitati, kjer več vrst najde primerno ekološko nišo (Beisel in sod., 2000). Poleg tega je bilo na tem vzorč nem mestu tudi največ makrofitov, kar tudi vpliva na poveč ano diverziteto, kot so ugotovili Biffagni in sod. (2000) ter Gregg in Rose (1985), saj makrofiti predstavljajo zatoč išč a pred hidravlič nim stresom ter hkrati povzroč ajo veliko heterogenost fizič nega habitata in tudi veliko površino za pritrjanje alg in vodne favne. Sicer je bilo največ variabilnosti makroinvertebratske združbe pojasnjene s spremenljivko temperaturni razpon vode (17,3 %), vendar je tudi maksimalna hitrost vode pojasnila več kot 13% variabilnosti (Kereži, 2007). Medtem ko diverziteta na betonskih odsekih upade, pa ne upade število osebkov – največ ja vrednost je bila presenetljivo izmerjena prav na vzorč nem mestu z betonskim substratom, ob Biološkem središč u. 124 Težave pri meritvah Instrument FlowTracker ni preveč primeren za merjenje blizu dna struge, brežin ali objektov v vodi. Toč ka vzorč enja se namreč nahaja 10 cm od oddajnika, zato bližje kot 10 cm od desnega brega ob pravilni usmeritvi senzorja ne moremo meriti. Omejitve pri merjenju v vzdolžni smeri predstavlja oddaljenost sprejemnikov od oddajnika, zaradi č esar lahko merimo najbližje 5 cm pred ali za objektom v vodi. Meritve v globino so omejene z nosilno palico, in sicer je z njo možno meriti 1,6 cm od dna. Č e sondo snamemo z merilne palice, se ta oddaljenost zmanjša na 0,5 cm od dna. Vendar pa moramo upoštevati, da je pri meritvah blizu dna ali objektov v vodi velika verjetnost odboja od teh objektov namesto od delcev v vodi (Wilcox in Wohl, 2007). Ta verjetnost je toliko več ja pri hidravlič no hrapavi posteljici dna z nehomogenim substratom, medtem ko dobimo pri meritvah nad betonom in v tolmunu, kjer je substrat predstavljal enakomeren droben pesek, dokaj zanesljive meritve tudi na oddaljenosti 0,5 cm od dna. Drug problem, ki se pojavlja pri meritvah na mikrolokacijah, je, da se vzorč evalni volumen nekoliko spreminja od instrumenta do instrumenta, poleg tega se oddaljenost od dna precej spremeni, č e sonde ne držimo povsem navpič no. Pri merjenju smo se sooč ali še z eno težavo, in sicer z dolgim č asom trajanja meritev na enem preč nem prerezu, kar je bilo posebej problematič no ob več jih pretokih, ko se je pretok in z njim tudi hitrost vodnega toka od zač etka do konca merjenja že obč utno spremenila. Na razpolago smo žal imeli le en instrument, zato nismo mogli meriti na vseh merilnih toč kah po preč nem prerezu hkrati, pač pa zapovrstjo, medtem pa so se razmere lahko že nekoliko spremenile. Meritev na enem preč nem prerezu je trajala povpreč no skoraj eno uro, saj smo morali posebno pri meritvah blizu dna intervale merjenja ponavljati, kadar je instrument javljal slabe robne pogoje in majhno vrednost razmerja signal – šum. Pri največ jih pretokih smo zato interval skrajšali na 40 sekund in tako zmanjšali razlike v pretoku med zač etkom in koncem merjenja na enem preč nem prerezu. Zaključ ki V sklopu raziskave smo merili hitrosti vodnega toka na odsekih z različ nimi substrati in različ no morfologijo struge, pri č emer smo ugotovili, da ima tako sama morfologija struge (razširitve, zožitve) kot tudi neživ in živ substrat bistven vpliv na povpreč no hitrost vodnega stolpca in na hitrosti pri dnu. Bistvene razlike v hitrosti vode smo opazili med odseki s popolnoma togo ureditvijo (betonsko korito) in odseki s seminaravnim substratom. Tako povpreč ne hitrosti kot hitrosti pri dnu so bile bistveno več je na prvih odsekih, s poveč evanjem pretoka pa so se razlike še poveč evale, saj so se hitrosti na odsekih z betonskim tlakovanjem ob višjih vodostajih poveč ale bolj kot na odsekih s seminaravnim substratom. Hitrosti pri dnu so bile tako na odseku z betonskim koritom 2 do 3-krat več je kot na seminaravni brzici in 3 do 4-krat več je kot v seminaravnem tolmunu. Izrač unali smo še razmerje med povpreč nimi hitrostmi vodnega stolpca in hitrostmi pri dnu (1,6 cm od dna), kjer smo prav tako opazili statistič no znač ilne razlike med odseki z betonskim koritom in odseki s seminaravno strugo. Vrednosti so bile na prvih odsekih manjše, kar pomeni, da so bile hitrosti pri dnu v primerjavi s povpreč nimi hitrostmi več je kot na odsekih s seminaravnim substratom. Opazne razlike so bile tudi med odseki na hidravlič no gladki in odseki na hidravlič no hrapavi podlagi. Razmerje na odsekih s hidravlič no gladko podlago namreč ostaja približno enako, tudi ko se pretok poveč uje, medtem ko se na odsekih s hidravlič no hrapavo podlago to razmerje bistveno poveč a, ko se poveč a pretok. To pomeni, da tudi ob poveč anju povpreč nih hitrosti zaradi objektov v vodi 125 hitrosti pri dnu ostajajo relativno majhne in primerne za življenje vodnih organizmov. Tak primer je tudi na preč nem prerezu »umeten substrat« na merilnem mestu GL4, tik dolvodno od zač etka betonskega tlakovanja, kjer je na betonskem koritu veliko kamenja. V višini kamenja ostajajo hitrosti majhne, kljub zelo velikim hitrostim v prostem vodnem stolpcu. Podobne rezultate smo dobili tudi pri izrač unu gostote turbulentne kinetič ne energije: na hidravlič no bolj hrapavi podlagi, z več jimi kamni v strugi, so bile vrednosti TKE bistveno več je kot na hidravlič no gladki podlagi. Daleč največ ja vrednost je bila izmerjena na preč nem prerezu »umeten substrat« tik dolvodno od zač etka betonskega korita, na zožitvi struge, dolvodno od kamnitega praga in gorvodno od več jih kamnov v strugi. Na tem in ostalih mestih z več jimi kamni v strugi so se vrednosti izrazito poveč ale ob poveč anem pretoku, medtem ko na hidravlič no gladki podlagi to poveč anje ni bilo tako oč itno. Na dveh merilnih mestih smo ocenjevali vpliv živega substrata na hitrosti in strukturo vodnega toka; na merilnem mestu GL2 smo preuč evali vpliv obrasti, ki so jo predstavljali predvsem mahovi, na merilnem mestu GL5 pa vpliv makrofitov (rmanec). Na betonskem koritu, obrašč enim z mahovi, so se hitrosti zmanjšale za približno 20% ob največ ji zarašč enosti in 12% pri najmanjši zarašč enosti glede na hitrosti na nezarašč enem betonskem koritu. Mahovi so ob največ ji gostoti zarašč enosti segali 5 cm v višino, ob več jih pretokih pa do 2 cm. Več ji vpliv na vodni tok imajo makrofiti, ki segajo višje v vodni stolpec, obič ajno do vodne gladine. Rmanec na merilnem mestu GL5 je segal do vodne gladine in prekrival skoraj celotno širino struge, hitrosti pa so se med njim zmanjšale za približno 5× glede na hitrosti vodnega toka okrog njega. Ugotavljali smo tudi vpliv hitrosti vodnega toka na biocenozo. Do bistvenega zmanjšanja gostote in velikosti mahov na vzorč nem mestu GL2 je prišlo pri hitrosti 0,9 m/s. Kdaj in pri kateri pretoč ni hitrosti natanč no je prišlo do odtrganja mahov, žal ne vemo. Visokovodni val, ki je sledil daljšemu sušnemu obdobju, med katerim so se mahovi bujno razrasli, je namreč dosegel največ jo povpreč no hitrost okrog 0,9 m/s, do odtrganja pa je lahko prišlo že pri manjših hitrostih ob narašč anju visokovodnega vala. Pri enaki povpreč ni hitrosti se je bistveno zmanjšala tudi biodiverziteta kremenastih alg (Štendler, 2007), pri č emer pa so bile takrat hitrosti izmerjene ob upadu visokovodnega vala in je do odtrganja lahko prišlo tudi pri več jih hitrostih. Diverziteta makroinvertebratske združbe se zanimivo ob enako veliki hitrosti vodnega toka ni zmanjšala glede na vzorč enja pri nižjih hitrostih na istih vzorč nih mestih. Zmanjšala se je le številč nost osebkov, in še to le na dolvodnem izmed dveh vzorč nih mest na betonskem koritu (Kereži, 2007). Ne glede na č as merjenja in hitrosti vodnega toka, pa se je vrstna diverziteta zmanjšala na obeh mestih z betonskim koritom glede na gorvodna mesta s seminaravnim substratom, kar daje slutiti, da na združbi makroinvertebratov bolj kot sama hitrost vodnega toka vpliva substrat, ki je na betonskem odseku bistveno preveč homogen, da bi nudil ugodne življenjske pogoje za vodne nevretenč arje. Meritve smo izvajali z Dopplerjevim merilnikom hitrosti vodnega toka FlowTracker, ki za merjenje ob dnu, ob vodni gladini in v bližini podvodnih objektov ni preveč primeren. Dnu se lahko približamo na najmanj 1,6 cm, pri zelo nizkem vodostaju pa brez stojala na 5 mm, vendar so te meritve že precej nezanesljive in možne le na hidravlič no gladki podlagi. Ugotovili smo, da so meritve pri dnu (1,6 cm ali 5 mm od dna) statistič no povezane s povpreč nimi hitrostmi vodnega stolpca, torej se hitrosti v obeh toč kah spreminjajo enako glede na merilno mesto in vodostaj. To pomeni, da je oddaljenost od dna, pri kateri smo merili, že prevelika, da bi zaznali lokalni vpliv substrata. Hart s sod. (1996) namreč ugotavlja, da ni statistič no signifikantnih povezav med hitrostmi 2 mm od dna in 1 cm od dna. Za natanč nejši vpogled v dogajanje tik ob dnu bi morali uporabiti drugač no merilno opremo, na primer toplotni anemometer ali merilnik hitrosti, ki deluje na principu 126 magnetne indukcije. Najbolje bi bilo imeti več takšnih merilnikov na enem stojalu, da bi lahko merili na različ nih oddaljenostih od dna hkrati in bi bili nizi hitrosti, izmerjeni na eni vertikali, primerljivi med sabo. Literatura Beisel, J. N., Usseglio-Polatera, P., Moreteau, J. C. 2000. The spatial heterogeneity of a river bottom: a key factor determining macroinvertebrate communities. Hydrobiologia 422/423: 163- 171. Biffagni, A., Crisa, G. A., Harper, D. M., Kemp, J. L. 2000. Using macroinvertebrate species assemblages to identify river channel habitat units: an application of the functional habitats concept to a large, unpolluted Italian river (River Ticino, northern Italy). Hydrobiologia 435: 213-225. Buffin-BØlanger, T., Roy, A. G. 2005. 1 min in a life of a river: selecting the optimal record length for the measurement of turbulence in fluvial boundary layers. Geomorphology 68: 77-94. Clifford, N. J., French, J. R. 1993. Monitoring and modelling turbulent flow: historical and contemporary perspectives. V: Clifford, N. J., French, J. R. in Hardisty, J. (ur.). Turbulence: Perspectives on Flow and Sediment Transport. Wiley, Chichester idr.: 1-34. De Doncker, L., Troch, P., Verhoeven, R. 2008. Accuracy of discharge measurements in a vegetated river. Flow measurement and instrumentation 19: 29-40. Gregg, W. W., Rose, F. L. 1985. Influences of aquatic macrophytes and invertebrate community structure, field structure and microdistribution in streams. Hydrobiologia 128: 45-56. Hart, D. D., Clark, B. D., Jasentuliyana, A. 1996. Fine-scale field measurement of benthic flow environments inhabited by stream invertebrates. Limnol. Oceanogr. 41: 297- 308. Kereži, V. 2007. Makroinvertebratska združba potoka Glinšč ica. Diplomsko delo. Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Odd. za biologijo: 84 str. Koprivšek, M. 2011. Vpliv različ nih vrst substrata na strukturo hitrosti vodnega toka in nnjen vpliv na biocenozo na primeru potoka Glinšč ica. Magistrsko delo. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Univerzitetni podiplomski študij varstvo okolja: 108 str. Koprivšek, M. 2006. Ekohidrološke raziskave na potoku Glinšč ica. Diplomska naloga. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Oddelek za gradbeništvo, Vodarstvo in komunalno inženirstvo: 100 str. Rusjan, S. 2003a. Sonaravno urejanje vodotokov – primer ureditve odseka Glinšč ice na območ ju Vič a. Diplomska naloga. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Oddelek za gradbeništvo, Vodarstvo in komunalno inženirstvo: 89 str. Štendler, E. 2007. Perifitonska združba v potoku Glinšč ica. Diplomska naloga. Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Odd. za biologijo: 102 str. Wilcox, A. C., Wohl, E. E. 2007. Field measurements of three-dimensional hydraulics in a step- pool channel. Geomorphology 83: 215-231. Atlas okolja: http://gis.arso.gov.si/gis/profile.aspx?id=UPR_VODAMI_AXL@Arso (23.3.2010) 127 Izrač un lokalnih magnitud potresov iz podatkov Državne mreže potresnih opazovalnic Jurij Bajc * , Žiga Zaplotnik ** , Mladen Živč ić *** , Martina Č arman *** Povzetek V prispevku predlagamo izboljšavo postopka določ anja lokalne magnitude potresov na ozemlju Slovenije in bližnje okolice. Osredotoč imo se predvsem na vpliv podatkov posamezne opazovalnice in primerjamo dve različ ici rač unanja lokalne magnitude iz vertikalnih komponent zapisov hitrosti. V osnovni različ ici, ki jo uporabljamo pri rutinskem izrač unu magnitud v Uradu za seizmologijo in geologijo Agencije RS za okolje, se za podatke vseh opazovalnic uporablja enotna magnitudna enač ba, potresu pa se pripiše vrednost magnitude, ki je enaka povpreč ju magnitud, ki jih izrač unamo iz podatkov posamezne opazovalnice. V izboljšani različ ici, ki jo predstavljamo v prispevku, enotni magnitudni enač bi dodamo aditivno konstanto, ki je različ na za vsako opazovalnico in odseva lokalne znač ilnosti opazovalnice. Znač ilne popravke za posamezno opazovalnico določ imo tako, da za izbrani nabor podatkov minimiziramo vsoto kvadratov razlik med magnitudo, izrač unano iz podatkov ene opazovalnice, in povpreč no magnitudo potresa. Rezultati raziskave kažejo, da z vpeljavo znač ilnih popravkov za vsako opazovalnico znatno zmanjšamo nedoloč enost vrednosti lokalne magnitude, ki jo pripišemo posameznemu potresu. Uvod V prispevku razišč emo določ anje lokalne magnitude iz vertikalnih komponent zapisov hitrosti (M LV ), ki jo za potrese na območ ju Slovenije in bližnje okolice določ ajo pri rutinskih analizah v Uradu za seizmologijo in geologijo (USG) Agencije RS za okolje (ARSO) in opredeljuje velikost potresov v uradnih katalogih ARSO. Raziskav o ustreznosti enač be za rač unanje lokalne magnitude za Slovenijo v literaturi ni zaslediti, nekaj podobnih raziskav je bilo narejenih za sosednjo Italijo (Bindi et al., 2005; Bragato in Tento, 2005). V USG se uporablja za rutinski izrač un lokalne magnitude M LV iz podatkov katerekoli opazovalnice isto empirič no določ eno magnitudno enač bo ( ) max log 1,52log 0,1 ,   = + D -     LV A M T (1) kjer pomeni A amplitudo nihanja tal, izraženo v nanometrih, T nihajni č as nihaja z amplitudo A v sekundah in D žarišč no (hipocentralno) oddaljenost opazovalnice od potresa v kotnih stopinjah. Ena kotna stopinja približno ustreza razdalji 111,2 km. Č eprav A in T v enač bi (1) pomenita amplitudo nihanja in nihajni č as tega nihanja, v USG s seizmogramov dejansko odč itavajo največ jo amplitudo hitrosti nihanja tal v navpič ni smeri, kar je sorazmerno največ jemu kvocientu A/T, saj magnitudna enač ba (1) temelji na največ ji vrednosti kvocienta A/T in ne na največ ji vrednosti amplitude odmikov A, kakor je prvo definicijo magnitude postavil Richter (1935). Vrednost koeficientov v magnitudni enač bi (1) je določ il pred približno tremi desetletji takratni direktor Seizmološkega zavoda prof. Ribarič , žal pa zapisi o tej raziskavi niso objavljeni, tako da ni znana niti natanč na * UL, Pedagoška fakulteta, Kardeljeva plošč ad 16, Ljubljana ** UL, Fakulteta za matematiko in fiziko, Jadranska 19, Ljubljana *** Agencija RS za okolje, Urad za seizmologijo in geologijo, Dunajska 47, Ljubljana 128 metodologija določ anja koeficientov v magnitudni relaciji niti ni povsem znano, kateri podatki so bili uporabljeni pri njihovem določ anju. Funkcijska odvisnost magnitude od amplitude, nihajnega č asa in oddaljenosti, ki je zapisana v enač bi (1), še vedno izhaja iz prvotne Richterjeve (1935, 1958) definicije magnitude, a prirejene za sodobne seizmometre, ki ne merijo odmikov nihanja tal, temveč merijo hitrost nihanja tal, vrednosti koeficienta pred logaritmom oddaljenosti (=1,52) in aditivne konstantne (= – 0,1) pa sta določ eni empirič no in sta odvisni od povpreč ne strukture tal pod Slovenijo. Potresu pripišemo magnitudo M LV , ki je enaka povpreč ni vrednosti magnitud, ki jih iz razpoložljivih podatkov izrač unamo za posamezno opazovalnico. Tako zmanjšamo vpliv posamezne magnitude, ki je določ ena iz zapisov na izbrani opazovalnici. Individualne vrednosti magnitud lahko namreč znatno odstopajo od povpreč ne vrednosti, ki je dodeljena posameznemu potresu, za kar sta vsaj dva oč itna vzroka. Po eni strani se potresno valovanje od žarišč a potresa ne širi enakomerno na vse strani, ampak je znač ilno prostorsko porazdeljeno, kar opisuje sevalna funkcija, ki je odvisna od žarišč nega mehanizma potresa. Po drugi strani je amplituda, odč itana na opazovalnici, odvisna od lokalne zgradbe tal pod opazovalnico, vč asih pa tudi od kake druge lastnosti izgradnje opazovalnice. Oboje vodi do tega, da je vrednost magnitude, ki je dodeljena posameznemu potresu, lahko precej odvisna od tega, na katerih opazovalnicah je bila določ ena, posebej, č e je amplituda odč itana na majhnem številu opazovalnic. Na spreminjanje sevalne funkcije od potresa do potresa ne moremo vplivati, medtem ko se lastnosti lokalne strukture in same zgradbe opazovalnice odsevajo v sistematič nih odstopanjih, ki jih lahko pripišemo posamezni opazovalnici kot znač ilni popravek na opazovalnici. Slika 1 – Državna mreža potresnih opazovalnic (rdeč i kvadratki) in potresna opazovalnica TRI pri Trstu (č rni kvadratek). Imenujmo magnitudo M LV, izrač unano iz podatkov posamezne opazovalnice, individualna magnituda M ind , in povpreč no vrednost individualnih magnitud za en potres povpreč na magnituda potresa M. Primerjava vrednosti M ind in M je med seizmologi v USG že dlje č asa vzbujala obč utek, da so magnitude M ind iz podatkov nekaterih opazovalnic sistematič no več je oziroma manjše od povpreč nih magnitud M. Ker je po drugi strani že Richter (1935) vpeljal za vsako opazovalnico svojo aditivno konstanto C j (enač ba 2), smo se lotili izrač una individualne magnitude z enač bo v splošni obliki 129 max [nm] [km] log log [s] 111, 2 km     = + +         j ind j A r M a C T , (2) kjer je j ind M individualna lokalna magnituda, izrač unana na j-ti opazovalnici, a in C j pa konstanti – parametra, ki ju je potrebno še določ iti. Nač eloma bi lahko imela vsaka opazovalnica svojo vrednost tako C j kot a. Ker a opisuje dušenje oziroma pojemanje amplitude valovanja z oddaljenostjo od žarišč a in se potresni valovi za potrese po Sloveniji širijo od vseh morebitnih žarišč potresov do vseh opazovalnic Državne mreže potresnih opazovalnic (slika 1) v povpreč ju po istih tleh, je smiselno iskati rešitev z enako vrednostjo a za vse opazovalnice. Tako določ ena vrednost a opisuje pojemanje amplitude valovanja z razdaljo za povpreč no strukturo zemeljske skorje na območ ju Slovenije. Č e bi za vse opazovalnice izbrali enako vrednost C j , bi pravzaprav le ponovno določ ili vrednosti obeh koeficientov v enač bi (1). Bistvena razlika med osnovno in izboljšano različ ico rač unanja lokalne magnitude je v tem, da privzamemo v novi različ ici za vsako opazovalnico drugo vrednost C j . Na ta nač in lahko kompenziramo sistematič ne individualne razlike med odč itanimi amplitudami na posameznih opazovalnicah. Sistematič ne razlike so, kot reč eno, obič ajno posledica lokalnih lastnosti opazovalnice, ki vplivajo na velikost odč itane amplitude nihanja tal, in s tem poveč ujejo negotovost vrednosti magnitude, ki jo pripišemo izbranemu potresu. Glavni cilj raziskave je poiskati koeficient a in znač ilne popravke C j za posamezno opazovalnico tako, da bodo vrednosti vsake posamezne individualne magnitude M ind za izbrani potres č im bliže povpreč ni magnitudi tega potresa M. V nadaljevanju v poglavju Metodologija in podatki podrobno opišemo, kako smo določ ili iskane parametre v magnitudni enač bi (2) in katere podatke smo uporabili pri izrač unu. Nato v poglavju Rezultati primerjamo vrednosti in negotovosti lokalnih magnitud, izrač unanih z izboljšano in osnovno različ ico magnitudne enač be ter v Zaključ kih povzamemo glavne ugotovitve raziskave. Metodologija in podatki Lokalna magnituda potresa M LV se v USG rutinsko določ a kot povpreč na magnituda M vseh izrač unanih individualnih magnitud M ind iz dosegljivih podatkov za posamezen potres. Vsaka individualna magnituda se izrač una z enač bo (1), kar pomeni, da moramo imeti za izbrano opazovalnico podatke o oddaljenosti od žarišč a in o amplitudi hitrosti nihanja tal. To je direktno rač unanje magnitud iz znanih podatkov z uporabo znane enač be (1). V prič ujoč i raziskavi želimo poiskali parametre a in C j v magnitudni enač bi (2) za rač unanje individualne magnitude iz podatkov posamezne opazovalnice. To je inverzni problem, ki nima enolič ne rešitve, zato ga moramo najprej dobro definirati. Vhodni podatki za nalogo so še vedno podatki o največ ji amplitudi hitrosti nihanja tal oziroma največ jem razmerju A/T in oddaljenosti opazovalnic r od žarišč a posameznega potresa, vendar sedaj ne išč emo le povpreč ne magnitude M za en potres, ampak išč emo tako parametre a in C j , kot tudi povpreč ne vrednosti magnitud M za več potresov hkrati. Pri tem parametre a in C j določ amo s standardnim pristopom najmanjše vsote kvadratov razlik. To pomeni, da išč emo vrednosti parametrov a in C j , ki minimizirajo funkcijo f, definirano kot ( ) 2 , = - ∑∑ ij i i j f M M (3) kjer je M ij individualna magnituda i-tega potresa, izrač unana iz podatkov j-te opazovalnice, in M i povpreč na magnituda i-tega potresa 130 1 . i ij j i M M n = ∑ (4) Tu j teč e po vseh opazovalnicah, za katere imamo izrač unane individualne magnitude M ij in je število izrač unanih individualnih magnitud enako n i . Neznanke v enač bi (3) so koeficient a in popravki C j ter povpreč ne magnitude M i vseh potresov, katerih podatke smo uporabili. Slika 2 – Potresi v obdobju od leta 1997 do 2010, za katere poznamo lokacijo žarišč a. S č rno s označ eni potresi, katerih podatkov v inverziji ne uporabimo, z rdeč o pa tisti potresi, katerih podatki so uporabljeni v inverziji. V raziskavo smo vključ ili več kot 78000 avtomatsko odč itanih podatkov za potrese v obdobju od vključ no leta 1997 do vključ no leta 2010. Podatki so izvirali z 29 potresnih opazovalnic Državne mreže in opazovalnice TRI v Trstu (slika 1). Podatke slednje smo vključ ili iz zgodovinskih razlogov, saj je bila enač ba (1) izpeljana na osnovi primerjave izrač unanih magnitud na opazovalnici TRI v trstu in LJU v Ljubljani. Pri inverznih problemih se rezultati obič ajno opazno spreminjajo, č e izbiramo različ ne nabore vhodnih podatkov. Zato smo izmed vseh avtomatsko odč itanih podatkov o največ ji vrednosti A/T po določ enih kriterijih izbrali podmnožico 23546 ustrezno zanesljivih podatkov za 3152 potresov, ki smo jih uporabili v inverziji za iskane parametre (slika 2). Izbor vhodnih podatkov smo naredili v nekaj korakih. Najprej smo primerjali nekaj deset naključ no izbranih avtomatsko odč itanih podatkov z dostopnimi roč no odč itanimi podatki, da smo preverili nač elno pravilnost delovanja algoritma za avtomatsko odč itavanje največ jih vrednosti A/T. Ujemanje je bilo zadovoljivo, seveda pa nobeno avtomatsko odč itavanje ne more delovati 100 % zanesljivo, zato smo z dodatnimi kriteriji izloč ili podatke, ki so bili videti nezanesljivi. Izbirni kriteriji so se nanašali na hitrost širjenja valovanja, kjer prič akujemo največ je amplitude hitrosti nihanja tal, na prič akovane nihajne č ase, smiselno najmanjšo oddaljenost med potresom in opazovalnico, najmanjše sprejemljivo razmerje med signalom in šumom, najmanjše število podatkov za posamezen potres in podobno. Mejne kriterije smo po nekaj testiranjih (tabela 1) izbrali glede na presojo ravnotežja med 131 tem, da uporabimo kar se da kvalitetne in zanesljive podatke, in med tem, da imamo č im več podatkov in s tem zagotovimo statistič no več jo veljavnost z inverzijo izrač unanih parametrov. V konč ni nabor podatkov smo zajeli potrese, ki so bili od opazovalnic oddaljeni od 20 km (izbrana spodnja meja) do okoli 270 km in so imeli magnitude v razponu od okoli 0,2 do 5,1. Tabela 1 – Rezultati testnih naborov podatkov za izrač un parametrov magnitudne enač be M LV . V prvem stolpcu je č asovno obdobje, za katerega je narejena inverzija, v drugem število uporabljenih podatkov, v tretjem število potresov, katerih podatke smo uporabili, v č etrtem vrednost konstante a. V osenč eni vrstici je konč na rešitev in opis pripadajoč ih podatkov. Č asovno obdobje Število podatkov Število potresov a 1997-2004 4229 757 1,830 2005-2007 7013 869 1,796 2008-2010 12304 1526 1,819 1997-2010 23546 3152 1,827 1998 287 86 1,754 2003 1092 186 1,792 2004 1869 240 1,816 2005 1908 250 1,794 2008 2469 316 1,870 2010 6718 823 1,783 Reševanje inverznega problema za veliko neznanih parametrov (31 parametrov a in C j v magnitudni enač bi in 3152 magnitud M LV potresov) je č asovno zahtevno in pogosto numerič no nestabilno, zato smo problem poenostavili s trikom, ki nam je dal enak rezultat (preverjeno na manjšem naboru podatkov), a je vključ eval kot neznanke le prvih 31 parametrov iz magnitudne enač be. Neznane vrednosti a in C j smo iskali iterativno, medtem ko smo se neznanih vrednosti magnitud potresov izognili tako, da smo v k-tem koraku iteracije pripisali potresom magnitude, ki smo jih izrač unali po magnitudnih enač bah (2) in (4), a smo pri tem uporabili vrednosti parametrov a in C j iz ( ) 1 - k -tega koraka iteracije. Iz enač be (3) je oč itno, da sprememba vseh parametrov C j za enako aditivno konstanto D C ne spremeni vrednosti funkcije f, saj se za D C spremenijo tako M ij kot M i in ostanejo razlike M ij – M i nespremenjene. Torej so koeficienti C j določ ljivi le do aditivne konstante natanč no in je potrebno za enolič nost rešitve in numerič no stabilnost uporabiti dodatni pogoj, na primer pogoj, da je povpreč na vrednost popravkov vseh opazovalnic enaka 0, kar pomeni, da so popravki C j razporejeni okoli vrednosti 0. Enač bo (2) zato preoblikujemo v max [nm] [km] log log , [s] 111,2 km j ind j A r M a C C T     = + + D +         (5) kjer vrednost aditivne konstante D C med reševanjem inverznega problema postavimo na 0, na koncu pa jo določ imo tako, da so povpreč ne magnitude potresov po osnovni in izboljšani različ ici določ anja M LV č im bolj enake. Ker iz uporabljenih podatkov ne moremo absolutno določ iti D C, izboljšano različ ico rač unanja pač sidramo na rezultate osnovne različ ice z eno magnitudno enač bo (1). Iz nihanj vrednosti parametra ocenimo tako vrednost parametra kot njegovo nedolo sprejmemo za a vrednost kar pomeni, da smo vrednost a za izbrana č asovna obdobja prav tako le konč ne rezultate, ki so izrač unani iz podatkov za celotno obdobje od leta 1997 do 2010. Rezultati so za lažjo predstavo Tabela 2 – Izrač unani popravk do leta 2010. Vsi popravki so izra nihanja tal. V prvem stolpcu opazovalnice (C), v tretjem število upo povpreč na velikost odstopanja za isti potres (s M ). S krepkim tiskom sta zapisani vrednosti parametrov za opazovalnici LJU in TRI, ki sta pomembni iz zgodovinskih razlogov. Individualne magnitude M praviloma razlikujejo od povpreč kako negotova je vrednost magnitude, ki jo od povpreč na velikost razlike med individualno magnitudo in magnitudo potresa, ki jo poimenujemo negotovost individualne magnitude Slika 3 – Popravki na opazovalnicah. Ozna individualne magnitude Mind od magnitude M, ki jo pripišemo potresu (tabela 2). opaz. C N s M LJU 0,00 625 0,18 BISS -0,52 781 0,25 CESS -0,05 373 0,14 CEY 0,12 1453 0,18 DOBS 0,00 929 0,13 BOJS 0,11 928 0,16 CADS -0,01 590 0,21 CRES 0,16 936 0,15 CRNS 0,07 543 0,17 GBAS 0,19 944 0,13 132 Rezultati Iz nihanj vrednosti parametra a za podatke iz različ nih č asovnih obdobij (tabela 1) ocenimo tako vrednost parametra kot njegovo nedoloč enost. S približno 95 1,83 0,03 1,83 (1 0,02) a = – = – , a določ ili na okoli 2 % natanč no. Vrednosti parametrov prav tako le malo spreminjajo, zato v tabeli 2 podajamo č unani iz podatkov za celotno obdobje od leta 1997 do 2010. za lažjo predstavo grafič no prikazani tudi na sliki 3. opravki na opazovalnicah za celotno obdobje od leta 1997 . Vsi popravki so izrač unani za vertikalno komponento hitrosti prvem stolpcu je ime opazovalnice, v drugem popravek , v tretjem število uporabljenih podatkov (N) in v na velikost odstopanja individualne magnitude od povpreč ne magnitud S krepkim tiskom sta zapisani vrednosti parametrov za opazovalnici LJU in TRI, ki sta pomembni iz zgodovinskih razlogov. M ind , ki so izrač unane iz podatkov ene opazova praviloma razlikujejo od povpreč ne magnitude M LV = M, ki jo pripišemo potresu. Merilo, kako negotova je vrednost magnitude, ki jo odč itamo samo na eni opazovalnici, je razlike med individualno magnitudo in magnitudo potresa, ki jo negotovost individualne magnitude in jo označ imo s s M (tabela Popravki na opazovalnicah. Označ en je tudi interval povpreč nega odstopanja magnitude Mind od magnitude M, ki jo pripišemo potresu (tabela 2). opaz. C N s M opaz. C TRI -0,26 767 0,18 MOZS 0,17 GBRS -0,16 363 0,20 PDKS 0,14 GCIS 0,11 624 0,16 PERS -0,09 GOLS 0,11 1322 0,17 ROBS 0,13 GORS 0,06 958 0,20 SKDS -0,15 GROS -0,24 728 0,26 VISS 0,14 JAVS 0,03 763 0,19 VNDS 0,15 KNDS 0,07 427 0,24 VOJS 0,21 KOGS -0,18 280 0,27 ZALS -0,38 LEGS 0,15 1453 0,15 ZAVS -0,10 ih obdobij (tabela 1) enost. S približno 95 % verjetnostjo (6) rednosti parametrov C j se 2 podajamo samo unani iz podatkov za celotno obdobje od leta 1997 do 2010. za celotno obdobje od leta 1997 unani za vertikalno komponento hitrosti ime opazovalnice, v drugem popravek in v č etrtem č ne magnitude S krepkim tiskom sta zapisani vrednosti parametrov za opazovalnici LJU in TRI, ki sta pomembni iz zgodovinskih razlogov. unane iz podatkov ene opazovalnice, se , ki jo pripišemo potresu. Merilo, itamo samo na eni opazovalnici, je razlike med individualno magnitudo in magnitudo potresa, ki jo (tabela 2 in slika 3). č nega odstopanja magnitude Mind od magnitude M, ki jo pripišemo potresu (tabela 2). N s M 17 617 0,17 14 1549 0,16 09 552 0,18 13 231 0,22 15 1069 0,21 14 1320 0,14 15 594 0,15 21 865 0,16 38 483 0,20 10 479 0,18 Iz slike 3 in tabele 2 razberemo, da je povpreč ju okoli 0,18, samo na treh opazovalnicah (BISS, GROS in KOGS) pa dosega ali malo presega 0,25. V grobem lahko sklepamo, da so ob vpeljavi popravkov na posamezni opazovalnici vrednosti magnitud, od nedoloč ene na okoli D M = za povpreč no vrednost negotovosti individualne magnitude vrednosti okoli pomeni, da vpeljava popravkov števila podatkov zmanjša za okoli 30 Slika 4 – Levo: Ujemanje magnitud, dolo vse potrese, katerih podatki so bili uporabljeni v inverziji. Dodana je najbolje prileg se premica (rdeč a č rta). Desno: Povpre povpreč ne vrednosti za posamezen potres, katerega podatki so bili uporabljeni v inverziji. Dodana je najbolje prilegajoč da se bolje vidi razlika med odstopanji po izboljšani (5) in osnovni magnitudni ena Da preverimo, kaj vpeljava popravkov na opazovalnicah z uporabo ene same enač be (1) za vse opazovalnice, med seboj primerja M LV (slika 4, levo), določ ene z obema razli tudi odstopanja individualn (1), od vrednosti M LV (slika 4, desno) za izbrani potres, v drugem pa odstopanja individualnih magnitud od ustrezne vrednosti M LV za vsako od opazovalnic, za katero imamo podatke za izbrani magnitud potresov da dobro korelirano linearno zvezo, napake enak ena in tudi korelacijski koeficient R skoraj ena, R = 0,9 magnitudami, izrač unanimi z izboljšano in osnovno razli LV LV LV (izboljšana) 1,0022 (osnovna) 0,091 (osnovn M M M kar pomeni, da so magnitude potresov, izra konstante (D C = 0,0), v povpre enač be (1). Z ustrezno izbiro vrednosti aditivne konstante enač bi v povpreč ju enake vrednosti magnitud, ob tem pa je nedolo individualne magnitude kot tudi povpre magnitudne enač be j ind j M C = + + + za okoli 30 % manjša od nedolo 133 Iz slike 3 in tabele 2 razberemo, da je s M ob uporabi popravkov na opazovalnicah v ju okoli 0,18, samo na treh opazovalnicah (BISS, GROS in KOGS) pa dosega ali malo presega 0,25. V grobem lahko sklepamo, da so ob vpeljavi popravkov na posamezni opazovalnici vrednosti magnitud, odč itanih samo iz podatkov ene opazovalnice, 0,18. Podobni izrač uni z eno samo magnitudno ena no vrednost negotovosti individualne magnitude vrednosti okoli pomeni, da vpeljava popravkov C j negotovost vrednosti M LV posebej v primeru majhnega števila podatkov zmanjša za okoli 30 %. Levo: Ujemanje magnitud, določ enih po izboljšani (5) in osnovni ena vse potrese, katerih podatki so bili uporabljeni v inverziji. Dodana je najbolje prileg č č rta). Desno: Povpreč no odstopanje individualnih magnitud od ne vrednosti za posamezen potres, katerega podatki so bili uporabljeni v inverziji. Dodana je najbolje prilegajoč a se premica (rdeč a č rta) in premica y = x da se bolje vidi razlika med odstopanji po izboljšani (5) in osnovni magnitudni ena Da preverimo, kaj vpeljava popravkov na opazovalnicah (enač ba 5) prines č be (1) za vse opazovalnice, med seboj primerja č ene z obema različ icama magnitudne enač be tudi odstopanja individualnih magnitud, ki jih dobimo z magnitudnim (slika 4, desno). V prvem primeru vsakič primerjamo vrednosti za izbrani potres, v drugem pa odstopanja individualnih magnitud od ustrezne vrednosti za vsako od opazovalnic, za katero imamo podatke za izbrani magnitud potresov da dobro korelirano linearno zvezo, ki ima smerni koeficient v okviru in tudi korelacijski koeficient R skoraj ena, R = 0,98. Vezna ena č unanimi z izboljšano in osnovno različ ico magnitudne ena LV LV LV (izboljšana) 1,0022 (osnovna) 0,091 (osnovn M M M = - @ - ar pomeni, da so magnitude potresov, izrač unane po enač bi (5) brez vpeljave aditivne v povpreč ju le za približno 0,09 magnitude manjše od rezultatov Z ustrezno izbiro vrednosti aditivne konstante D C = 0,09 v enač ju enake vrednosti magnitud, ob tem pa je nedoloč enost tako posamezne individualne magnitude kot tudi povpreč ne magnitude potresov ob uporabi kon [nm] [km] log 1,83 log 0,09 [s] 111,2 km ind j A r M C T     = + + +         % manjša od nedoloč enosti magnitud, izrač unanih z enač bo (1). ob uporabi popravkov na opazovalnicah v ju okoli 0,18, samo na treh opazovalnicah (BISS, GROS in KOGS) pa dosega ali malo presega 0,25. V grobem lahko sklepamo, da so ob vpeljavi popravkov na posamezni o iz podatkov ene opazovalnice, uni z eno samo magnitudno enač bo (1) dajo no vrednost negotovosti individualne magnitude vrednosti okoli D M = 0,25, kar posebej v primeru majhnega enih po izboljšani (5) in osnovni enač bi (1) za vse potrese, katerih podatki so bili uporabljeni v inverziji. Dodana je najbolje prilegajoč a no odstopanje individualnih magnitud od ne vrednosti za posamezen potres, katerega podatki so bili uporabljeni v inverziji. (č rna č rtkana č rta), da se bolje vidi razlika med odstopanji po izboljšani (5) in osnovni magnitudni enač bi (1). prinese v primerjavi be (1) za vse opazovalnice, med seboj primerjamo tako vrednosti za vsak potres, kot , ki jih dobimo z magnitudnima enač bama (5) in č primerjamo vrednosti M LV za izbrani potres, v drugem pa odstopanja individualnih magnitud od ustrezne vrednosti potres. Primerjava ki ima smerni koeficient v okviru . Vezna enač ba med magnitudne enač be je (izboljšana) 1,0022 (osnovna) 0,091 (osnovna) 0,09 = - @ - , (7) brez vpeljave aditivne le za približno 0,09 magnitude manjše od rezultatov 0,09 v enač bi (5) dasta obe č enost tako posamezne ne magnitude potresov ob uporabi konč ne oblike ind j M C = + + + (8) č bo (1). 134 Zaključ ek V raziskavi osnovno magnitudno enač bo (1) razširimo z vpeljavo aditivnih popravkov na posamezni opazovalnici (enač bi 5 in 8), da bi tako kompenzirali morebitno potencialno sistematič no preveliko ali premajhno individualno izrač unano magnitudo na posamezni opazovalnici. Z inverzijo več kot 23000 podatkov iz obdobja od leta 1997 do leta 2010 smo določ ili parametre v modelski magnitudni enač bi (5) oziroma (2) in tako zapisali izboljšano magnitudno enač bo (8). Vrednosti znač ilnih popravkov C j , ki nastopajo v enač bi (8), so zbrani v tabeli 2. Glavna rezultata raziskave lahko strnemo v naslednje: • Nova, izboljšana magnitudna enač ba (9), da za potrese približno enake vrednosti M LV , kot jih je dajala osnovna enač ba (1) določ ena pred več kot tridesetimi leti. To se zgodi za potrese na ozemlju Slovenije kljub temu, da je vrednost koeficienta a, ki opisuje dušenje in geometrijsko razširjanje potresnih valov, v enač bi (8) precej več ja (a = 1,83) od vrednosti (a = 1,52) v enač bi (1). Oč itno se v danem intervalu oddaljenosti med žarišč i in opazovalnicami razlika v dušenju kompenzira z vpeljavo popravkov, znač ilnih za posamezno opazovalnico. • Bistvena prednost vpeljave znač ilnih popravkov za opazovalnice je več ja zanesljivost individualne magnitude in posledič no za okoli 30 % manjši nedoloč enosti izrač unane lokalne magnitude M LV . Raziskavo bi bilo smiselno nadaljevati v smeri povezovanja oziroma iskanja povezave med lokalno magnitudo M LV , ki jo v USG na ARSO sedaj rutinsko uporabljamo kot mero za velikost potresa, in navorno magnitudo, ki je fizikalno najbolje definirana mera za velikost potresa, ali Richterjevo oziroma Wood-Andersonovo magnitudo, ki je zgodovinsko gledano osnova vsem sodobnim magnitudam in na podlagi katere je prof. Ribarič izpeljal enač bo (1) s primerjavo zapisov istih potresov v Trstu in v Ljubljani. Literatura Bindi D., Spallarossa D., Eva C., Cattaneo M. (2005). Local and duration magnitudes in northwestern Italy, and seismic moment versus magnitude relationships, Bull. Seism. Soc. Am. 95, 592-604. Bragato P.L., Tento A. (2005). Local magnitude in northeastern Italy, Bull. Seism. Soc. Am. 95, 579-591. Richter C.F. (1935). An instrumental earthquake magnitude scale, Bull. Seism. Soc. Am. 25, 1-31. Richter C.F. (1958), Elementary Seismology, W.H. Freeman and Co., San Francisco, California, 578 p.