VÝZKUM

Prohlédněte si přehled témat, kterými se zabýváme. Ponořte se do zpráv o činnosti, hledejte v seznamech publikací (samotné publikace však naleznete spíše na stránkách jejich autorů), sledujte blížící se konference i historická setkání v okolí katedry a zvažte, zda vás nezaujmou odkazy na naše projekty a seznamy hostů. Pozorujte každých 10 minut aktualizované seismogramy ze stanice Praha.

Přehled témat

DOD 2014 Mathematical Modeling

Tento přehled témat jsme zkondenzovali do letáčku pro Den otevřených dveří: PDF.

Anglický prospekt Mathematical Modeling in Geophysics: PDF.

Seismologie

Seismologie

↩ Věnujeme se analýze a modelování zemětřesení, v první řadě fyzikálních jevů spojených se vznikem a šířením seismických vln. V případě výskytu významnějšího zejména evropského zemětřesení se bezprostředně pouštíme do jeho analýzy, často ve spolupráci s tamními kolegy, a zpřesňujeme např. lokalizaci hypocentra, polohu centroidu (těžiště rozložení skluzu) a časově-prostorový vývoj šíření trhliny na zlomu. Nejedná se o rutinní činnost, protože každé zemětřesení je jiné a jeho analýza je spojená s překonáváním nových úskalí a vývojem nových metod. Cílem je zjistit, jaké fyzikální procesy probíhají při zemětřesení v zemském nitru, jaký vztah mají k tektonickým dějům a jak předvídat ničivé účinky zemětřesení. Podstatnou součástí výzkumu je studium stavby zemské kůry, zvláště elastických parametrů.

Seismologie

↪ Od roku 1924 provozujeme historickou seismickou stanici Praha. Čerstvé i archivované seismogramy odtud najdete tam i zde. Naše seismické stanice v Řecku, spravované ve spolupráci s Univerzitou v Patrasu, umožňují provádět fyzikální výzkum zemětřesení v seismicky nejaktivnější oblasti Evropy. Vedle vědeckých aspektů se tento výzkum snaží přispět také k ochraně životů a majetku obyvatel žijících v rizikových oblastech. Proto se katedra podílí i na vývoji metod pro včasné varování v Řecku i v Itálii. Novým směrem je vlastní vývoj rotafonů, patentovaných přístrojů pro měření rotačních složek seismických vln. Stránky seismické stanice Praha a stanic v Řecku, stránka rotafonů. Článek ve Vesmíru: Pár sekund k dobru, přednáška Studium ohniskového procesu ničivého zemětřesení L'Aquila, Itálie.

Seismologie

↪ Software vyvinutý na naší katedře se v Národní observatoři v Aténách používá rutinně pro analýzu zemětřesení. Kromě lokace a magnituda umožňuje určit mechanismus zemětřesení, který vypovídá o aktuálních tektonických procesech v dané oblasti. Stránka softwaru: ISOLA.

Seismologie

↩ Velká zemětřesení vyvolají vznik tzv. vlastních kmitů, obdobu stojatého vlnění. Spektrum těchto kmitů měřených seismografy a gravimetry nese informaci o vnitřní stavbě Země a jiných planet. Přesné numerické modelování umožňuje i určení parametrů zemětřesení. Rozhovor Naše planeta je jako veliký zvon pro iForum, časopis Univerzity Karlovy, a starší článek Akordy z hlubin Země v Pokrocích.

Seismologie

↩ Vědecký projekt Seismic Waves in Complex 3-D Structures (SW3D) je soustředěn na teoretické problémy šíření vysokofrekvenčních seismických vln ve složitých trojrozměrných izotropních a anizotropních prostředích. Rozšířená paprsková metoda v kombinaci s dalšími postupy je užívána k vývoji stabilních, efektivních a všestranných algoritmů pro výpočet seismických vlnových polí uplatňovaných také v průmyslu, např. při hledání ložisek ropy. Výzkum je finančně podporován předními naftařskými společnostmi. Klíčová monografie v oboru: V. Červený, Seismic Ray Theory, Cambridge University Press, 2001.

Geodynamika

Geodynamika

Geodynamika

↪ Energie uvolňovaná chladnutím Země pohání proudění v zemském plášti. Chladné a tuhé litosférické desky se zanořují (subdukují) do pláště a klesají směrem k jádru. Výrazně se deformují a hromadí se v nich značné napětí. Proto je se subdukčními oblastmi spojena většina pozorované zemětřesné činnosti. Prostřednictvím počítačových simulací procesu subdukce litosférických desek studujeme mechanismy, které se podílejí na jejich zanořování a deformaci. Vyhodnocujeme napětí vznikající v deskách, jejich teplotní strukturu, rychlost subdukce a další parametry. Výstupy numerických modelů porovnáváme například s informacemi o struktuře pláště Země ze seismické tomografie. Animace v odkazech vpravo ilustrují dva možné scénáře deformace zanořující se desky. Modely se liší detaily reologického popisu desek. V modelu s nižší viskozitou kůry se deska horizontálně ukládá na rozhraní mezi svrchním a spodním pláštěm (obrázek, animace), zatímco ve druhém modelu s vyšší viskozitou kůry přes toto rozhraní proniká (obrázek, animace). První případ odpovídá situaci pozorované v oblasti Japonska, zatímco druhý typ deformace desky je pozorován například v oblasti Tonga (obrázek). Více: přednáška, článek popularizační a odborný.

Geodynamika

↩ Počítačová simulace konvekce v plášti Země (obrázek, animace). Červená barva značí teplé vzestupné proudy, které přenášejí teplo od horkého jádra k povrchu Země, modré jsou chladné sestupné proudy. Článek ve Vesmíru: Dynamika pláště Země a příloha, přednáška ke Dnu Země: Země je tepelný stroj.

Geodynamika

↪ Numerický model vývoje jižní části Českého masivu v průběhu variského vrásnění. Vertikální řez ukazuje rychlosti deformace (vlevo) a deformované vrstvy hornin (vpravo). Seminář a dizertační práce o numerickém modelování Českého masivu.

Geomagnetismus

Geomagnetismus

↪ Krátkodobé variace geomagnetického pole, které jsou způsobeny interakcí magnetosféry a ionosféry se slunečním větrem, nám umožňují zkoumat elektrické vlastnosti zemského pláště. Pro Evropskou kosmickou agenturu (ESA) jsme vyvinuli program na vytvoření trojrozměrného vodivostního modelu pláště z měření trojice satelitů Swarm, které byly vypuštěny v listopadu 2013 (obrázek a animace mise). Náš obrázek a video zobrazují výsledky předběžné simulace. Signál indukovaný v testovacím modelu (levý sloupec) byl syntetizován podél trajektorií všech tří satelitů po dobu 4 let, smíchán s dalšími podstatně silnějšími zdroji geomagnetického pole a započten byl i šum palubních magnetometrů. Následně jsme z těchto dat testovací model opět rekonstruovali (prostřední sloupec). Při této rekonstrukci musíme najít optimální regularizaci, tedy rovnováhu mezi složitostí modelu a tím, jak dobře dokáže vystihnout nepřesná, zašuměná data. Ideální regularizační parametr najdeme v bodě maximální inflexe tzv. L-křivky (pravý sloupec). Dvě popularizační přednášky: Družice vyprávějí a O velikém magnetu zemském.

Geomagnetismus

↪ V rámci projektu ESA Swarm+Oceans hledáme v satelitních datech ze Swarmu také magnetickou stopu oceánského proudění, poháněného slapovými silami i interakcí s atmosférou. Tento nepatrný signál, který je indukovaný pohybem vodivé oceánské masy v geomagnetickém poli, se pohybuje na hranici rozlišitelnosti dat, ale jeho detekce a extrakce by mohla poskytnout nezávislou a tedy velmi cennou informaci o časové variabilitě oceánského proudění.

Podílíme se i na budování nových pozemních geomagnetických observatoří splňujících náročné standardy mezinárodní sítě Intermagnet v odlehlých oblastech (data v reálném čase na stránce ETH Zürich).

Modelování oceánů a ledovců

Oceán hraje významnou roli v klimatickém systému. Důvodů je více, uveďme alespoň několik. • Globální oceán slouží jako obrovský tepelný výměník, zásobárna energie. Teplé mořské proudy (Golfský proud, Kuroshio atd.) transportují teplo z oblastí okolo rovníku do oblastí středních zeměpisných šířek, čímž lokálně zmírňují podnebí. • V oceánu je rozpuštěno velké množství plynů, např. významné skleníkové plyny oxid uhličitý a metan. Jejich koncentrace v atmosféře je tedy ovlivněna absorbcí a výparem nad oceány. • Nelineární efekty a interakce oceán-amosféra dávají vzniknout jevům jako El Niño a La Niña (ENSO), které dokáží významně pozměnit klima, např. vyvolat období sucha nebo naopak silných dešťů, typicky v Tichém oceánu. • I samotná výška hladiny oceánů je důležitá, především pro přímořské země. Například Holandsko spoléhá na systém hrází a valů, neboť zhruba polovina země se nachází pod mořskou hladinou. Výška hladiny se přitom od poslední doby ledové zvedla v důsledku tání ledovců zhruba o 120 až 130 m. • Zemětřesení (a sopečná činnost apod.) může rovněž vyvolat krátkodobé, ale o to ničivější změny oceánské hladiny − vlny tsunami. Vznikají náhlým zdvihem či poklesem celého vodního sloupce díky vertikálním pohybům oceánského dna. Ukázka: animace tsunami v modelu s jedním ostrovem. • V neposlední řadě, oceány a moře jsou domovem mnoha živočišných druhů. Některé z nich jsou významné ekonomicky (rybolov, turistický ruch atd.), mnoho jich tvoří klíčový prvek v mozaice podmořského života, jejíž narušení by mohlo mít dalekosáhlé následky.

Oceány

↪ Pochopení dynamiky oceánů a vývoj nástrojů pro její uspokojivou predikci jsou proto užitečné. Náš aktuální zájem v rámci ESA projektu Swarm+Oceans se týká magnetického signálu, který generuje cirkulace v oceánech. Zajímáme se o slapově buzené proudění vyvolané gravitačním působením Měsíce a Slunce i o cirkulaci buzenou větrem. Používáme k tomu 2D i 3D modely oceánského proudění. Plánujeme studium vývoje oceánské cirkulace od poslední doby ledové. Na obrázku rozložení rychlosti v povrchové vrstvě pro větrem buzenou cirkulaci a reálnou batymetrii ve 3D oceánském modelu (po kliknutí animace). Více: dynamika oceánského proudění (přednáška).

Oceány

↩ Slapy v oceánech představují důležitý fenomén, který ovlivňuje mořský ekosystém, počasí, rotaci Země i její magnetické a gravitační pole, a to jak v regionálním, tak v globálním měřítku. Zabýváme se vývojem globálního oceánského slapového modelu DEBOT, jehož výsledky využíváme pro studium geomagnetického pole v rámci projektu Swarm+Oceans. Na obrázku je zachycena změna oceánské hladiny (v metrech) v důsledku slapového působení Slunce a Měsíce (po kliknutí animace). Více: globální barotropní oceánský model (přednášky Vol. 1 a Vol. 2).

Glaciologie

↪ Simulace vývoje Grónského ledovce založená na paleoklimatických datech. Tři snímky vpravo demonstrují vývoj topografie ledovce v minulosti. Na Dni otevřených dveří zazněla přednáška Glaciologie − fyzika pro otužilce.

Planetologie

Pozorování planetárních systémů získaná z družic a meziplanetárních sond ukázala, že vnitřní dynamika hraje klíčovou roli v evoluci velkého množství planet a měsíců. Obvykle analyzované informace o vzdálených tělesech zahrnují gravitační data, pozorování magnetického pole a jeho měření, vlastnosti povrchu, pozorované tektonické a vulkanické útvary a tepelný tok. Pomocí numerického modelování a geofyzikálních metod vyvíjených na katedře geofyziky interpretujeme tato pozorování a rekonstruujeme vnitřní dynamiku, strukturu a historii planet.

Planetologie

↩ Chaotický terén povrchu Jupiterova ledového měsíce Europa je tvořen bloky ledu, které zamrzly v okolním terénu. Tento stav se vysvětluje jako důsledek pohybu nalámaných ledových bloků v podpovrchové kapse kapalné vody, která roztála díky silnému slapovému zahřívání. Na katedře numericky modelujeme vznik takové vodní kapsy a zabýváme se její stabilitou (obrázek vlevo). Tímto tématem jsme zaujali mj. CBS News a CNN.

Planetologie

↪ Počítačový model produkce vody v ledové slupce Enceladu. Tento měsíc se deformuje díky slapovému působení Saturnu. Model ukazuje, jak slapové zahřívání ovlivňuje tání ledu v jižní polární oblasti měsíce. Více: rozložení zamrzání a produkce vody v ledové slupce Enceladu (obrázek, animace), termální vývoj Saturnova měsíce Enceladu (přednáška).

Planetologie

↪ Saturnův ledový měsíc Iapetus se vyznačuje výrazným rovníkovým hřbetem dosahujícím výšky až 20 km. Původ tohoto hřbetu byl dlouho záhadou. Jako nejpravděpodobnější vysvětlení se nyní jeví scénář, kdy rychle rotující měsíc byl zpomalen srážkou s jiným tělesem. Náš výsledek počítačové simulace takového procesu je zobrazen na obrázku vpravo. Více: vývoj rovníkového hřbetu Iapetu po obřím impaktu (obrázek, animace, konferenční abstrakt).

Kromě citovaných článků, přednášek a rozhovorů naleznete další příspěvky, včetně odkazů na rozhlasové a televizní pořady, na našich stránkách Popularizace, Semináře a Obhájené práce.

Zprávy o činnosti

Zprávy o výzkumné činnosti (anglické Progress reports a Research overviews) sestavovali z velké části C. Matyska a O. Čadek za geodynamickou skupinu, V. Červený a L. Klimeš za konzorcium SW3D a J. Zahradník za seismickou skupinu.

Členství v odborných organizacích, edičních radách apod.

Publikace

Konference a pracovní setkání

Nedávno...

Z historie...

Konzorcium SW3D dokumentuje pracovní setkání od roku 1993. Další setkání jsou shrnuta v seznamu hostů (1993−2001) a na stránkách projektu MAGMA (2003−2005).

Projekty a granty

SW3D

Konzorcium SW3D – Seismic Waves in Complex 3-D Structures je soustředěno na základní problémy šíření vysokofrekvenčních seismických vln ve složitých trojrozměrných izotropních a anizotropních prostředích. Paprsková metoda i její rozšíření a kombinace s dalšími metodami jsou užívány k vývoji stabilních, efektivních a všestranných algoritmů pro výpočet seismických vlnových polí. Zvláštní pozornost je věnována také příčným a konvertovaným vlnám, štěpení příčných vln v anizotropních prostředích a studiu pohybu částic prostředí.

MAGMA

Nevyhnutelnou formou spolupráce se zahraničními pracovišti je účast v projektech Evropské unie. Projekt MAGMA – Prague Centre of Mathematical Geophysics, Meteorology, and Their Applications (2003−2005) otevřel cestu do Prahy dvěma stovkám zkušených odborníků i mladých vědců podporou jak jejich účasti na místních konferencích, tak především jejich pobytu na katedrách geofyziky a meteorologie – celkem sedm člověkolet!

SPICE

Projekt SPICE − Seismic Wave Propagation and Imaging in Complex Media: a European Network (2004−2007) byl prvním projektem katedry v programu Marie Curie Research Training Network, v němž byla katedra zapojena také projektem c2c − Crust to Core: the Fate of Subducted Material (2007−2010). Ten usiloval o porozumění subdukčním procesům a sdružil experimentální i teoretická pracoviště shromažďující know-how na poli petrologie a mineralogie se skupinami věnujícími se počítačovému modelování plášťových procesů.
Domácí stránky projektů EU: MAGMA, SPICE (Mnichov, i lokální stránka), c2c (Bayreuth)

Granty grantových agentur České republiky (GAČR), Univerzity Karlovy (GAUK) a Akademie věd (GAAV), MŠMT a jiné

Další mezinárodní projekty

Zahraniční hosté