Podstawę programu badawczego Centrum Doskonałości stanowi baza naukowo-techniczna Zakładu Geodezji Planetarnej CBK PAN, pozwalająca na uzyskiwanie permanentnych ciągów obserwacyjnych parametrów geodynamicznych, ich opracowywanie oraz naukową interpretację. Zakład Geodezji Planetarnej CBK PAN posiada cztery obserwatoria, w których od szeregu lat prowadzone są ciągłe obserwacje parametrów geodynamicznych i wokół których rozwinęła się tematyka badawcza:

• Obserwatorium Astrogeodynamiczne w Borowcu
  
• Dolnośląskie Obserwatorium Geodynamiczne w Książu
  
• Obserwatorium we Władysławowie
  
• Obserwatorium w Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie
  

Lokalizacja obserwatoriów pracujących dla Centrum Doskonałości

Obserwatorium Astrogeodynamiczne w Borowcu

Obserwatorium Astrogeodynamiczne w Borowcu jest uczestnikiem międzynarodowych sieci: (IUGG), (IAU) i Asocjacji Geodezyjnej (IAG).

Na wyposażenie obserwatorium składają się następujące urządzenia badawcze:

• satelitarny dalmierz laserowy - jedyne urządzenie w kraju i jedno z czterdziestu na świecie, pracuje nieprzerwanie od roku 1988 działając w ramach International Laser Ranging Service (ILRS) i EUROLAS jako stacja nr 7811;
• stacjonarny odbiornik GPS Turbo Rogue SNR-8000 - jedno z trzech urządzeń w kraju, działa nieprzerwanie od roku 1994 w ramach sieci International GPS Service for Geodynamics (IGS) i geodezyjnej sieci European Reference Frame (EUREF) - stacja BOR1;
• stacjonarny odbiornik GPS/GLONASS 3S-Navigation - jedyne urządzenie w kraju, służy do pomiarów transferu czasu za pomocą satelitów GPS i GLONASS, uczestniczy od 1999 roku w sieci International GLONASS Service (IGLOS) - stacja BORG;
• wzorzec cezowy HP-5071A - jedno z kilku urządzeń w kraju, działa nieprzerwanie od 2001 roku, współtworzy międzynarodową i krajową skalę czasu atomowego - zegar AOS;
• systemy porównań skal czasu TTS-2 i TTS-3, odbiorniki opracowane i skonstruowane w Borowcu, służą do porównań skal czasu w kraju i w wielu ośrodkach zagranicznych;
• Legacy EGGD Javad Navigation Systems, 40 kanałowy, dwuczęstotliwościowy odbiornik do odbioru sygnałów satelitów GPS, GLONASS i EGNOS, od 2001 r. tworzone jest na nim zintegrowane oprogramowanie do transferu czasu.

Wymienione urządzenia służą do realizacji badań geodynamicznych i geodezyjnych, w szczególności do tworzenia międzynarodowego ziemskiego układu odniesienia (ITRF) i międzynarodowej (TAI) i polskiej skali czasu atomowego (TA(PL)).

Borowiec jest jedynym obserwatorium geodynamicznym w kraju stosującym dwie techniki pomiarowe; laserową i GPS wsparte wysokiej jakości częstotliwością wzorcową i czasem dla wyznaczenia pozycji w skali globalnej na poziomie dokładności kilku milimetrów. Stosowanie dwóch technik kosmicznych na wysokim poziomie jakościowym i wieloletnich ciągów pomiarowych zapewnia Obserwatorium w Borowcu wysoką pozycję wśród stacji GPS i stacji laserowych działających w ramach IGS i ILRS, od marca 1998 stacja BOR1 jest jedną z kilkunastu stacji referencyjnych w sieci EUREF, a od początku roku 2002 również jedyną polską stacją należącą do tzw. "globalnej sieci IGS". Opracowania wyników pomiarów wykonanych w Obserwatorium w Borowcu przeprowadzane w różnych ośrodkach naukowych na świecie, w kraju, a także w Borowcu, umożliwiają udział w wyznaczaniu ruchu obrotowego Ziemi, badaniu ruchu płyt tektonicznych, wyznaczaniu pola grawitacyjnego Ziemi, wykorzystaniu pomiarów altimetrycznych, badaniu pływów skorupy ziemskiej i oceanów, wyznaczaniu poziomu mórz i oceanów, badaniu górnych warstw atmosfery, udoskonalaniu teorii ruchu satelitów, pracach związanych z geodezją globalną, tworzeniu czasu atomowego i współuczestniczeniu w opracowywaniu nowych metod dowiązania zegarów. Polska stacja laserowa stanowi dobrą promocję polskiej myśli technicznej, tym bardziej, że jakość uzyskiwanych wyników wyprzedza wiele renomowanych ośrodków na świecie. Prowadzone w Borowcu ciągłe pomiary laserowe, GPS, GLONASS i porównań skal czasu są podstawą dla wielu prac badawczych w dziedzinie geodynamiki i geodezji satelitarnej prowadzonych w kraju. Przyczyniają się także do rozwoju tych badań poprzez wprowadzanie nowych rozwiązań technicznych w systemie laserowym i budowę nowych urządzeń badawczych jak system porównań skal czasu TTS-2 stosowany już w wielu ośrodkach na świecie. Obserwatorium w Borowcu zorganizowało i opracowało metodę tworzenia Polskiej Skali Czasu Atomowego. Prowadzenie ciągłych obserwacji laserowych, GPS i GLONASS umożliwia także rozwijanie prowadzonych badań związanych z wykorzystaniem wyników tych obserwacji w kraju poprzez wprowadzanie nowych rozwiązań orbitalnych, badanie zmian pozycji stacji w Borowcu i porównywanie wyników uzyskanych z obu technik pomiarowych laserowej i GPS+GLONASS, a w przyszłości zastosowanie techniki laserowej do transferu czasu z dokładnością pikosekundową.

Rys.1) Satelitarny dalmierz laserowy w Obserwatorium Astrogeodynamicznym w Borowcu

Dolnośląskie Obserwatorium Geodynamiczne w Książu

• bardzo wysoką czułością pomiarową, 0.01 milisekundy łuku;
• brakiem chodu instrumentalnego;
• stosowaniem metody różnicowej pomiaru, Stosowanie metody różnicowej poza eliminacją chodu instrumentu pozwala na oddzielenie sygnałów geodynamicznych od instrumentalnych;
• bazą pomiarową o wymiarach setek metrów (obszar, z którego instrument zbiera sygnały);
• dobrze określonym, stałym azymutem pomiaru.

Wymienione cechy klinometru hydrostatycznego są szczególnie dogodne w badaniach lokalnych zmian pola grawitacyjnego o charakterze długookresowym oraz wiekowym. Klinometr hydrostatyczny stanowi doskonały instrument badawczy zjawisk obciążeniowych w szczególności wywołanych zjawiskami atmosferycznymi.

Uzyskiwane obserwacje zgodnie z międzynarodowymi zobowiązaniami wynikającymi ze współpracy Polski w ramach Międzynarodowej Unii Geodezji i Geofizyki (IUGG, AIG), po opracowaniu przesyłane są do Międzynarodowego Centrum Pływów Ziemskich w Brukseli. Pomiary zmian linii pionu są dodatkowo uzupełnione poprzez ciągły monitoring sejsmiczny prowadzony przez Instytut Geofizyki PAN w Dolnośląskie Obserwatorium Geodynamiczne w Książu.

Obserwatorium zajmuje się ciągłą obserwacją zmian linii pionu, a od bieżącego roku - również ciągłymi pomiarami zmian natężenia pola grawitacyjnego (grawimetria). Obserwatorium wyposażone jest w kwarcowe klinometry wahadłowe oraz nowo powstały klinometr hydrostatyczny (Rys. 2), charakteryzujący się bardzo wysoką dokładnością pomiaru (rzędu setnych części milisekundy łuku), brakiem chodu instrumentalnego oraz absolutną metodą pomiaru (stała długość światła lasera helowo-neonowego). Instrument mierzy zmiany położenia swobodnej powierzchni wody reprezentującej chwilową powierzchnię ekwipotencjalną. Pomiar odbywa się z dokładnością pojedynczych nanometrów (10^-9 m). Szczególne właściwości instrumentu pozwalają na rejestrację anomalii zmian linii pionu wywołanych przez zjawisko swobodnych drgań całego globu. Przykładem tego była rejestracja 6-godzinnego drgania obszaru Polski na skutek wyjątkowo silnego trzęsienia Ziemi (9° w skali Richtera), jakie miało miejsce 26 grudnia 2004 r. u wybrzeży Sumatry.
Pracownicy Zakładu Geodezji Planetarnej, wykonujący obserwacje w Książu, prowadzą od wielu lat ciągłe badania dostarczające informacji na temat procesów zachodzących na Ziemi i ich związków z globalnymi zmianami klimatu. Badania dostarczają również wiedzy o wiekowych i długookresowych zmianach w środowisku człowieka, wiadomości na temat właściwości mechanicznych globu ziemskiego, danych do wyznaczania pływów oceanicznych oraz informacji o budowie geologicznej obszaru Polski.

Rys. 2) Korytarze obserwatorium w podziemiach zamku w Książu (wzdłuż ściany jedna z gałęzi klinometru hydrostatycznego) oraz stanowisko pomiarowe klinometru (miernik interferencyjny)

Stacja we Władysławowie

Obecnie zainstalowana jest tam następująca aparatura pomiarowa:

• mareograf pływakowy, rejestrujący zmiany poziomu morza w sposób ciągły techniką analogową od 1949 roku (IMGW);
• mareograf pływakowy, rejestrujący zmiany poziomu morza techniką cyfrową w sposób automatyczny od kwietnia 2004 roku. Przesyła dane w interwale 10 minutowym do Centrum w Gdyni (IMGW);
• mareograf ciśnieniowy, zainstalowany w kwietniu 2003, rejestrujący i przesyłający w sposób automatyczny dane (depesze SMS) w interwale 10 minutowym do Centrum w Gdyni (IMGW);
• odbiornik GPS Ashtech uZ-CGRS z anteną Ashtech Choke-Ring z elementem Dorne-Margolin: model ASH701945E_M SNOW (CBK PAN);
• lokalna automatyczna stacja meteorologiczna, rejestrująca temperaturę oraz wilgotność względną powietrza wokół stacji (CBK PAN). Pomiar ten uzupełniony jest o pomiar poziomu zasolenia wody i temperatury powierzchni morza, wykonywany przez czujnik, stanowiący wyposażenie mareografu ciśnieniowego (IMGW);
• w odległości około 1.5 km od linii brzegowej wybudowano stanowiska dla absolutnych oraz względnych pomiarów grawimetrycznych. Pierwsze pomiary metodą absolutną wykonane zostały w pażdzierniku 2004 r. we współpracy z FGI z Helsinek. Pomiędzy absolutnymi pomiarami grawimetrycznymi na stacji Władysławowo, planuje się umieszczenie stacjonarnego grawimetru klasy pływowej NB-17 (CBK PAN), o dokładności około 2 mikroGali (po zapewnieniu stabilizacji temperaturowej). Pomiary absolutne pozwolą m.in. na wykonywanie kalibracji grawimetru pływowego, zaś szeregi czasowe z NB-17 posłużą do analizy zjawisk o charakterze sezonowym oraz badania efektów obciążeniowych wywołanych przez wody Bałtyku oraz badania wzajemnych korelacji.

Okresowo wykonywane są ponadto pomiary metodą niwelacji precyzyjnej w celu powiązania wysokościowego punktów odniesienia (CP) poszczególnych instrumentów obserwacyjnych zainstalowanych na stacji we Władysławowie między sobą i dla ich dowiązania do układów wysokościowych oraz w celu monitorowania ich stabilności wysokościowej w czasie.

W projekcie ESEAS-RI zainstalowana na stacji aparatura wykorzystywana jest do prowadzenia badań nad zmianami poziomu morza w różnych skalach czasu: od sezonowych do wiekowych. Wyniki opracowania obserwacji GPS i grawimetrii absolutnej z wieloletnich serii pomiarowych, wsparte kontrolą z niwelacji precyzyjnej, wykorzystane będą do szacowania pionowych ruchów stacji i jej okolic, a następnie - zmian poziomu morza (wartości zarówno względnych, jak i absolutnych). Analizy tego typu - po ujednoliceniu układu odniesienia dla wszystkich stacji mareograficznych serwisu (dzięki zastosowaniu kolokacji różnych technik obserwacyjnych) - będą mogły dostarczać wielu istotnych informacji o cyrkulacji wód oceanu światowego oraz o zachodzących zmianach klimatycznych, określając globalne trendy tych zmian. W efekcie doprowadzić to powinno do lepszego zrozumienia wzajemnych związków pomiędzy zmianami klimatu a efektami wahań poziomu mórz i zmian ich topografii.

Rys. 3) Stacja mareograficzna oraz permanentna stacja GPS we Władysławowie

Stacja obserwacyjna w Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie

Rys. 4) Antena stacji RIMS w Centrum Badań Kosmicznych w Warszawie