A nehézségi erőtér valamely kiválasztott szintfelülete szerkezetének részletes meghatározásával Magyarországon (és a világon is) először a 20. század első évtizedében tudományos célokból Eötvös Loránd foglalkozott. Arad vidékén a torziós ingával végzett mérések felhasználásával (Biró et al., 2013) Arad korabeli ingaállomásának vonatkozási pontján átmenő szintfelületnek az ugyanezen pontban a szintfelületet érintő Bessel-ellipszoidhoz viszonyított eltéréseit szerkesztették meg 2 cm-es értékközű izovonalakkal. Ehhez a területen torziós ingával felmért 188 állomás nehézségi gradiens adatait, a függővonal-elhajlásra csillagászati-geodéziai mérésekből hét állomásra nyert É–D-irányú összetevőt, és 2 állomásra meghatározott K–Ny-irányú összetevőt vették alapul.

Eötvös 1919-ben bekövetkezett haláláig 1420 ponton határozták meg a nehézségi erőtér gradienseit és potenciálfelületének görbületi jellemzőit. A méréseket, ahol a topográfia megengedte, általában szabályos hálózatban végezték, kezdetben 3-4, majd 2, illetve 1 km-es állomástávolsággal. Az 1920-as évek kezdetétől a torziós ingák egyre nagyobb szerepet játszottak a kőolajkutatásban. Ezeket a méréseket kizárólag gazdaságossági szempontok vezették, így kezdetben főleg utak mentén mértek, majd, ahol a mérési eredmények kedvező földtani szerkezetet jeleztek, ott áttértek a hálózatos mérésekre. Magyarországon az utolsó nyersanyagkutató terepi Eötvös-inga-mérésre 1967-ben került sor. Az 1901–1967 közötti időszakban a Magyar–Amerikai Olajipari Rt. (MAORT), az ELGI és az Országos Kőolaj és Gázipari Tröszt (OKGT) összesen mintegy 60 000 állomáson végzett torziósinga-méréseket sík és enyhén dombvidéki területeken. Mivel ezek a mérések elsősorban ásványi nyersanyagok kutatására szolgáltak, ezért általában csak a nehézségi erő Wzx és Wzy horizontális gradienseit dolgozták fel, a fizikai geodézia szempontjából fontosabb WD és Wxy görbületi gradiensek többnyire feldolgozatlanul maradtak.

A görbületi gradiensek felhasználásával függővonal-elhajlások számíthatók, amely eljárást már Eötvös Loránd kidolgozta. A megfelelő pontsűrűséggel ismert függővonal-elhajlásokból pedig a csillagászati szintezés módszerét alkalmazva a geoid finomszerkezete határozható meg. Erre vonatkozóan kísérleti számításokat végeztünk a Cegléd környéki tesztterületen, ahol 206 Eötvös-inga-mérési pont, három asztrogeodéziai és három asztrogravimetriai pont állt rendelkezésre. Az ellenőrző pontokban adódó eltérések alapján számított fél szögmásodperc körüli középhiba azt igazolta, hogy a módszerrel a függővonal-elhajlás ξ és η összetevőire nagyobb összefüggő területre is elfogadható pontosságú értékek számíthatók. A függővonal-elhajlás ezen értékeit felhasználva meghatároztuk a vizsgált területre a részletes geoidképet is, amely a geocentrikus elhelyezésű EGG97 geoid 1 cm izovonalközű finomítása (Völgyesi, 1995, 2001, 2015, 2019). A 3. ábrán ez a finomított geoidkép látható. A legújabb magyarországi geoidmegoldások már figyelembe veszik az Eötvös-inga-mérések adatait is.

A súlyos és a tehetetlen tömeg arányosságára vonatkozó EPF-mérések során Eötvös feltételezte, hogy a különböző tömegekre ható forgási centrifugális erő független az anyagi minőségtől, viszont a tömegvonzási (gravitációs) erő függhet tőle. Gondolatban helyezzünk valamely földfelszíni pontba különböző anyagokat (például aranyat és alumíniumot). A két különböző testnek legyen szigorúan azonos a tömege. A feltételezés szerint mindkét testre a Föld tengely körüli forgásából adódóan azonos centrifugális tehetetlenségi erő hat, viszont a Föld a két különböző testre más gravitációs erőt fejt ki. Ekkor a gravitációs és a centrifugális erő eredője – a nehézségi erő – is a különböző anyagokra különböző lesz. Az Eötvös-kísérlet fő kérdése az, hogy az inga karjáról lelógatott tömeget kicserélve a felső tömegtől eltérő másik anyagból készített tömegre, a felső és az alsó testre ható feltételezett különböző erők miatt tapasztalható-e az inga karjának kis elfordulása.

A fellelhető és mérőképessé tehető műszerek közül jelenleg egyedül az Eötvös–Pekár-inga alkalmas az itt leírt mérési stratégia szerinti mérések elvégzésére. A műszer egyetlen példányával a soproni HUN-REN Földfizikai és Űrtudományi Kutatóintézet jogelődje, az MTA Geodéziai és Geofizikai Kutatóintézete rendelkezett. Mivel az inga közel ötven évig pihent az intézet raktárában, mérésre az akkori állapotában alkalmatlannak bizonyult. A műszer jelentős felújításra szorult, főként az alumínium alkatrészek korróziója, a csapágyak szorulása, a libellák letapadása és más hasonló problémák miatt.

Az EPF-mérések rendkívüli precizitást igényelnek, és hosszú ideig, több éven keresztül tarthatnak. A mérések során a hibaforrások csökkentése és a közvetlen emberi jelenlét kiküszöbölése céljából számítógépes távvezérléssel kellett megoldani a mérési folyamat teljes automatizálását. Az automatikus leolvasás megvalósítása céljából a vizuális leolvasás helyett nagy érzékenységű és sebességű CCD-érzékelőket alkalmaztunk, a skálák megvilágítására pedig erős fényű LED-eket (fénykibocsátó diódákat) használtunk. Az új, automatikus leolvasást alkalmazva nagyjából két nagyságrenddel sikerült megnövelnünk Eötvösék egyébként is rendkívüli leolvasási pontosságát. A mérési folyamat teljes automatizálásának másik fontos eleme az ingák különböző mérési azimutokba állítása távvezérelt forgatással. A forgató mechanikának fontos követelményeket kellett kielégítenie. A forgatások közötti, mérendő nyugalmi helyzetet nem zavarhatják a forgatómotor és a hozzá kapcsolódó szerkezetek által okozott permanens mágneses zavarok. A motor vezérlését úgy kellett megoldani, hogy az inga tetszőleges azimutba forgatása szögmásodperc pontossággal, üzembiztosan, ugyanakkor hirtelen gyorsulások és lassulások nélkül, a rendkívül érzékeny ingaszerkezet szempontjából kíméletesen, körültekintően definiált sebességprofilt követve történjen. A forgatás során a megfelelően lassú, egyenletes indulás és fokozatos megállás az inga lengésének csillapodását is kedvezően befolyásolja, rövidítheti a csillapodáshoz szükséges időt (Völgyesi et al., 2018, 2021, 2023). Az inga különböző mérési azimutokba történő automatikus forgatásához speciális szerkezetet építettünk, a mágneses hatások kiküszöbölése miatt az alkatrészeket 3D-nyomtatással készítettük (5. ábra). A távvezérelt forgatás legfontosabb eleme az inga tengelyére rögzített, kör alakú, pozíciómeghatározásra és mozgásvezérlésre használt Renishaw-kódgyűrű, amely abszolút skálával van ellátva, és a hozzá tartozó optikai olvasófej segítségével az inga pozíciója (azimutja) szögmásodperc pontossággal állítható be és olvasható ki. Ez is jelentős előrelépés, mivel az eredeti Eötvös-kísérletek során az azimutmeghatározás pontossága mindössze néhány tized fok lehetett (Völgyesi et al., 2018, 2021, 2023).

 

Az új, jóval pontosabb leolvasási technika alkalmazásával azt tapasztaljuk, hogy a torziós ingák a csillapodási idő letelte után sem lesznek soha tartósan nyugodt, mozdulatlan egyensúlyi helyzetben, hanem furcsa bonyolult rezgéseket végeznek (Völgyesi et al., 2023). Ennek több különböző oka lehet (hőmérséklet-, légnyomás-, páratartalom-változások, mikroszeizmikus talajnyugtalanság, infrahangok, a torziós szálakban lejátszódó szilárdtest-fizikai változások, csavarási mikroszakadások, newtoni zaj stb.), amelyek azonosítása, szétválasztása és hatásuk kompenzálása kutatásaink egyik legnagyobb kihívása.

A jelentősen megnövelt leolvasási pontosság mellett a méréseinkben megjelentek a különböző földrengések által okozott zavaró hullámok is, amelyeket természetesen az EPF-méréseink szempontjából mérési zajként kellett kezelnünk. Jelentős fordulat következett be, amikor a 2022. január 9-i görögországi florinai földrengés kipattanása előtt fél órával olyan eddig ismeretlen furcsa előjelet rögzítettünk az ingával, amelyet egyetlen szeizmológiai obszervatórium műszerei sem jeleztek, és a torziós ingánk közvetlen szomszédságában működő Güralp 3T szeizmográf regisztrátumain sem volt látható (Völgyesi et al., 2022). A megfigyelés felvetette annak a gyanúját, hogy lehetnek olyan földrengések, amelyek előre jelezhetők torziós ingával, ezért ezt követően a vizsgálatainkat kiterjesztettük a földrengések vizsgálatára is.

Az inga működését befolyásoló zajokat, ezek mértékét és időbeli változását, valamint környezeti változókkal való kapcsolatát az ingajelek dinamikus spektrumai alapján folyamatosan elemezzük. Ilyen vizsgálat eredménye látható a szóban forgó görögországi földrengés idején a 7. ábrán. Az ábra felső részén a Pekár II.-inga 2022. 01. 09. 20:00 és 23:00 UTC közötti időszakra rögzített idősorát mutatjuk, míg az ábra alsó részén a spektrogram látható 512 s hosszú, 500 s időtartamon átlapolt Hanning-típusú analizáló ablak használatával számolva (Völgyesi et al., 2023). A spektrogramon kb. 0,3 Hz körüli frekvencián folyamatos periodikus jel látszik, amely az inga sajátrezgéséhez kapcsolódik. Az inga csillapodásához köthető, illetve a környezeti paraméterekkel összefüggő változások általában hosszú periódusúak, tehát a spektrogramok alsó tartományában vizsgálhatók. Ezzel szemben a közelben és/vagy nagy magnitúdóval kipattanó földrengések az ingákat széles frekvenciatartományban (0–0,5 Hz) gerjeszthetik, ezért a spektrogramokon a rengéshullámok beérkezési időpontjában függőleges gerjesztési zóna jelenik meg (lásd 21:45 UTC körül a 7. ábra spektrogramján). Tapasztalatunk szerint azonban a távoli és/vagy kis magnitúdójú földrengések is érzékelhetők, mert ilyenkor az inga sajátrezgésének amplitúdója megnő, és ez a sajátfrekvenciához kapcsolható frekvencián energianövekedésként jelentkezik a spektrumokon. Ez alapján egy automatikus földrengés-detektáló algoritmust fejlesztettünk, amely jelzi, ha a két egymással szembefordított inga, sajátfrekvencián mért rezgésének amplitúdója bizonyos időtartamon belül egyszerre halad meg egy előre beállított szintet. Az algoritmus segítségével 2022 kezdetétől közel 2200 földrengést detektáltunk, amelyek eredetét az USGS (United States Geological Survey) földrengés-katalógus bejegyzéseivel azonosítottunk (Völgyesi et al., 2023).