Budapest University of Technology and EconomicsFaculty of Civil Engineering - Since 1782

A különböző földtudományi megfigyeléseket, közöttük a megnövelt pontosságú precíziós Eötvös-inga mérések eredményeit általában több, egymástól független hatás befolyásolja, melyek jelentős része az adott mérés tekintetében zavarjelnek tekinthető. A méréstechnikában az ilyen adatok feldolgozásának, elemzésének, illetve a zavaró hatások elkülönítésének jól bevált módszerei ismertek, amelyek viszont a fizikai, geofizikai, geodéziai mérések területén még nem terjedtek el általánosan. Ilyen módszer a mérőrendszerek és a zavarjelek adaptív (helyzetfüggő) átviteli függvénye meghatározásának és a különböző hatások szétválasztásának matematikai módszere, melyet a méréstechnikában rendszer-identifikációnak hívnak. A módszer igen hasznos lehet a fizikai (pl. gravitációs hullámok detektálása), a geofizikai mérések és problémák (pl. Eötvös-inga mérések, vagy pl. a földkéreg deformációinak vizsgálata) során tapasztalt zavarjelek elemzésére és kiszűrésére, illetve kompenzálására is. 

A PhD kutatás ennek a matematikai módszernek az alkalmazhatóságát elemzi a nagy pontosságú Eötvös-inga mérések esetén a különböző hatások szétválasztása, a zavarok kiszűrése, kompenzálása,  ezzel a mérési pontosság növelése céljából. A kutatás célja ezen kívül a matematikai módszer eredményei alapján a zavarok hatásmechanizmusára vonatkozó modell finomítása, kiegészítése, módosítása, esetlegesen hiányzó új modell felállítása és ellenőrzése. 

 

A vizsgálatokhoz rendelkezésre álló adatok az automatizált, és több nagyságrenddel megnövelt pontosságú Eötvös-inga mérési eredmények, valamint a mérések során tapasztalt zavarjelek (pl. hőmérséklet, nyomás, szeizmikus zajok, dőlésadatok, nehézségi gyorsulás értékek). Az adatok a Wigner Fizikai Kutatóközpont Jánossy Földalatti Laboratóriumban, a Wigner Fizikai Kutatóközpont és a BME Általános- és Felsőgeodézia Tanszéke együttműködésével 2017 óta folyó közös mérésekből származnak. A jelenleg is folyamatban lévő mérések célja az Eötvös Lóránd és munkatársainak a súlyos és a tehetetlen tömeg azonosságát igazoló 1906-1908 közötti híres kísérletének megismétlése. A mérés nagy pontosságú megismétlésének jelentősége az Eötvösék egykori méréseiben talált szabályos eltérések Tóth Gyula által feltételezett magyarázatának megerősítése, vagy elvetése. Bár a mérések előre láthatóan még több évig tartanak, az eddig rendelkezésre álló adatmennyiség is bőségesen elegendő a PhD kutatásban tervezett vizsgálatok elvégzéséhez. Az adatok feldolgozásával és a fenti, a méréstechnikában használt matematikai módszer bevezetésével olyan eszközhöz jutunk, amely nagyban segítheti más, komplex földtani és fizikai mérés megbízhatóságának és pontosságának növelését, valamint komplex földtani problémák megoldását.

 

***

 

The results of various Earth science observations, including high-precision Eötvös torsion balance measurements with increased accuracy, are usually biased by several independent effects, many of which can be considered as interfering signals for a given measurement. In metrology, well-established methods for processing and analysing such data and for separating the interfering effects are known, but they have not yet been generally applied in the field of physical, geophysical and geodetic measurements. One such technique is the mathematical method of determining the adaptive (position-dependent) transfer function of measurement systems and disturbance signals and separating the different effects, known in metrology as system identification. The method can also be very useful for analysing and filtering out or compensating for disturbance signals encountered in physical (e.g. gravitational wave detection), geophysical measurements and problems (e.g. Eötvös torsion balance measurements, or studies of deformations of the earth's mantle).

The PhD research analyses the applicability of this mathematical technique for high-precision Eötvös torsion balance measurements in order to separate the different effects, to filter out and compensate for disturbances, thus increasing the accuracy of the measurements. In addition, the aim of the research is to refine, complete and modify the model of the perturbation effect mechanism based on the results of the mathematical method, and to set up and verify a new model for any missing perturbations.

The data available for the tests are the results of automated Eötvös torsion balance measurements with several orders of magnitude higher accuracy, as well as the disturbance signals (e.g. temperature, pressure, seismic noise, tilt data, and gravity values). The measurement data are from the weak equivalence principle measurements carried out in the Jánossy Underground Laboratory of the Wigner Research Centre for Physics in cooperation with the Department of Geodesy and Surveying of BME since 2017. The aim of the ongoing measurements is to repeat the famous weak equivalence principle experiment of Loránd Eötvös and his colleagues in 1906-1908, which proved the equivalence of the gravitational and inertial mass. The relevance of repeating the measurement with high precision is to confirm or reject the explanation of the regular deviations found in the Eötvös measurements at the time, as hypothesised by Gyula Tóth.. Although the measurements are expected to take many more years, the amount of data available so far is already sufficient to carry out the studies planned in the PhD research.  By processing the data and introducing the above mathematical method used in measurements, we will have a tool that can significantly help to improve the reliability and accuracy of other complex geological and physical measurements and to solve complex geological problems.