“De Smurfen aan de Koninklijke Sterrenwacht van België”

Thema 1 – Introductie

Paul Melchior hield van menselijke relaties. Toen hem in 1994 de titel baron werd verleend door Koning Boudewijn koos hij voor het motto “In Omnibus Terris Amicus”. Het is niet verwonderlijk dat hij bevriend raakte met de ontwerper Pierre Culliford, beter bekend als “Peyo”, die in de buurt van zijn huis in Ukkel woonde. Zijn persoonlijke relatie met “Peyo” leidde tot een origineel initiatief om de karakters van de Smurfen te gebruiken om het huidige geodynamische onderzoek te illustreren. Eind 1966 verstuurde het ‘International Centre of Earth Tides’, waarvan Paul Melchior verantwoordelijk was, de eerste Smurfwenskaart. Uit deze samenwerking kwam een ​​reeks van achttien wenskaarten, waarin de kleine blauwe mannen (en de Smurfin!) de leden van het KSB-team vergezelden bij al hun wetenschappelijke inspanningen. Vanaf het begin hebben onze kleine Smurfen blijk gegeven van een goede eetlust voor Geodynamica (tot grote ergernis van de grote Smurf), maar ze werden ook leergierige studenten van de meest geavanceerde theorieën. Ze moesten de kou van het Noorden onder ogen zien, maar ze konden ook rusten op paradijselijke stranden en exotische landen bezoeken.

Het onderzoeksprogramma van Paul Melchior was duidelijk gedefinieerd in 1956:

• Opzetten van een netwerk van permanente stations voor het registreren van aardverschijnselen;
• Ontwikkeling van nieuwe ultragevoelige instrumenten;
• Ontwikkeling van ijkingsmethoden voor deze instrumenten;
• Ontwikkeling van analysemethodes van meetgegevens door gebruik te maken van de snelle ontwikkeling van computers;
• Onderzoek naar de indirecte effecten van eb en vloed op opnames.

Thema 2 – Getijdegolven

In alle punten van de aarde kan de getijdekracht worden uitgedrukt als het verschil tussen de aantrekkingskracht die door het verstorende hemellichaam op dit punt wordt uitgeoefend en dezelfde kracht in het midden van de aarde.

De getijden worden voornamelijk door de maan geproduceerd, namelijk voor twee derde, en door de zon voor één derde. Bij volle maan en nieuwe maan wordt de aantrekkingskracht van de twee hemellichamen samengeteld, terwijl ze bij het eerste en laatste kwart minimaal zijn (4.a). De amplitude van het getij varieert met een factor drie. Onder de werking van het zwaartekrachtgetij ziet een massa van één ton zijn gewicht variëren met 0,25 gram. De aarde, die elastisch is, wordt vervormd en de grond kan 50cm stijgen tijdens een maximum van getij.

Getijdegolven zijn gegroepeerd in drie families die verschillen in hun periodiciteit (lang, diurnaal en semi-diurnaal) en hun verspreiding op het aardoppervlak:

• De golven met lange perioden veranderen het traagheidsmoment van de aarde rond de as van de polen en variëren de duur van de dag De belangrijkste door de maan veroorzaakte golf, genaamd Mf, heeft een periode van 13,66 dagen en de overeenkomstige door de zon veroorzaakte golf Ssa een periode van 182,621 dagen;
• De diurnale golven produceren een krachtenkoppel dat de evenaar op de ecliptica neigt te kantelen en precessie en nutaties genereert van de rotaties van de aarde. De belangrijkste luni-solaire golf wordt K1 (23.93h) genoemd, vergezeld van O1 (25.82h) voor de maan en P1 (24.07h) voor de zon;
• Semi-diurnale golven veroorzaken een equatoriaal krachtenkoppel dat de rotatie van de aarde op zichzelf vertraagt ​​en de duur van de dag verlengt. De hoofdgolven worden M2 (12,42 uur) voor de maan en S2 (12 uur) voor de zon genoemd.

Aan de Belgische kust zijn de semi-diurnale getijden grotendeels dominant, wat verklaart waarom het hoogwater met 50 minuten per dag verschuift.

Thema 3 – Metingen

Astronomische getijdenkrachten wijzigen rechtstreeks de zwaartekrachtvector g in norm en richting. Veranderingen van de grootte van zwaartekracht g worden geregistreerd door gravimeters. De zwaartekrachtveranderingen door getijdekrachten zijn  van de grootte-orde 0,25×10-6 x g. Tot het begin van de jaren zeventig maten de gevoeligste instrumenten de lengtevariaties van een veer waaraan een massa onderworpen aan zwaartekrachtvariaties is opgehangen. Dit gaf een nauwkeurigheid van  een miljardste (10-9 g) en een langetermijnstabiliteit van 10-6 g. Om deze nauwkeurigheid te bereiken, is het noodzakelijk om de temperatuur van de gravimeter te regelen tot op de honderdste van een graad. Op dit moment bereiken supergeleiding gravimeters gebaseerd op de levitatie van een supergeleidende bol geplaatst in het magnetisch veld van twee supergeleidende magneten duizendmaal betere nauwkeurigheden en stabiliteit.

De richtingsveranderingen van de zwaartekracht worden hellingen van de verticaal genoemd. Ze worden opgenomen met klokken (3.a) of waterniveaus.

De Verbaandert-Melchior-slingers hebben een resolutie van 0,0001² en de clinometrische getijdeverschijnselen zijn van de orde van 0,050². De beste clinometers op waterniveau hebben een honderd keer betere resolutie.

Getijdenkrachten vervormen de elastische aarde. De verticale (≤ 50cm) en horizontale (≤10cm) bewegingen van de grond zijn direct meetbaar met ruimtegeodesietechnieken. Aan de andere kant zijn de relatieve variaties van de afstand tussen twee naburige punten van de aardkorst slechts in de orde van 0,05 delen per miljoen (5×10-8) van de lengte, dwz 1 μm voor 20 m. Ze worden gemeten met behulp van extensometers met basislengte van ongeveer tien meter met een nauwkeurigheid van 0,1%. Verticaal bereiken de afstandvariaties 0,2 μm tussen twee punten gescheiden door 3,5 meter.

Deze laatste twee types instrumenten moeten worden beschermd tegen temperatuurschommelingen. Ze worden geplaatst in ondergrondse galerijen op minstens 100 meter van de ingang en onder een afdekking van meer dan 50 meter rots.

Thema 4 – Oceaangolven

Oceaangolven produceren zwaartekrachtvariaties die samenhangen met de aantrekkingskracht van verplaatste watermassa’s enerzijds en de buiging van de aardkorst onder hun gewicht. Dit effect kan belangrijk zijn. Bijvoorbeeld aan het einde van Cornwall stijgt en daalt de korst daardoor tweemaal per dag met 10 cm. Aangezien de oceanische en de aardgetijden worden samengeteld in het geregistreerde signaal, moeten de effecten numeriek worden geëvalueerd op basis van contourkaarten van de getijden.  Een eerste betrouwbaar model werd in 1979 ontwikkeld door E.W. Schwiderski. Pas tien jaar later maakten satelliethoogtemetingen het mogelijk om oceaangetijdemodellen te verkrijgen met een nauwkeurigheid van enkele centimeters.

Thema 5 – Theoretische modellen

Dankzij een originele metrologische benadering, ontwikkeld door Michel van Ruymbeke, is aangetoond dat de schaalfactor van de O1-golf met 1% moet worden verlaagd.

Op basis hiervan demonstreerde Paul Melchior dat de gemiddelde waarden van de getijdefactoren, gecorrigeerd voor oceanische effecten,  in uitstekende overeenstemming waren met de modellen. Voor het eerst is het doel bereikt om de reactie van de aarde op getijdenkrachten met een nauwkeurigheid van 0,1% te meten, zodat deze kan worden vergeleken met verschillende theoretische modellen.

Thema 6 – Wereldwijd netwerk

In 1970 verblijft J. T. Kuo van het Lamont Doherty Geological Observatory (New York) tijdens zijn sabbatsjaar in de Koninklijke Sterrenwacht van België (KSB). Een nieuw tijdperk begint voor het team van Paul Melchior. Inderdaad heeft hij in zijn bagage drie gravimeters van de nieuwe generatie meegebracht, veel preciezer en zeer eenvoudig te installeren. Dit opende nieuwe perspectieven: de realisatie van een wereldwijd netwerk van tijdelijke stations (TWP) waar de getijdeparameters bekend zouden zijn met een nauwkeurigheid van één procent. Inderdaad was het, op dat moment, niet mogelijk om de effecten van de oceaangetijden correct te modelleren. Deze effecten komen bovenop de zwaartekrachtgetijden en maken het onmogelijk de reactie van de aarde hierop te bepalen, aangezien er nog geen betrouwbaar model van de oceaangetijden op wereldwijde schaal bestond. Het eerste betrouwbare wereldwijde model zal in 1980 worden gepubliceerd door E.W. Schwiderski, namens het US Naval Surface Weapons Center (Dahlgren, Virginia). Pas toen konden we een honderdtal van onze TWP-stations gebruiken om het nieuwe model te valideren.

Tussen 1970 en 1974 werden in Europa ongeveer twintig stations geïnstalleerd met materiaal van J.T.Kuo. Hierdoor kon ons team trainen en zich voorbereiden op de TWP. Voor dit project ontwikkelde de KSB een gestandaardiseerde uitrusting die, naast de gravimeter (6.a, 6.b) en zijn besturingseenheid, een potentiometrische recorder en een kwartsklok omvatte.

Als we hulpapparatuur zoals een transformator of spanningsstabilisator toevoegen, komen we gemakkelijk aan honderd kilo te vervoeren materiaal. De keuze van de locaties was essentieel. Het was noodzakelijk om een ​​kelder of op zijn minst een stille kamer op de begane grond te hebben waarin de temperatuurverschillen zo laag mogelijk zijn. Om het meeste uit een campagne te halen werden minstens twee gravimeters meegenomen. Meestal was de KSB-wetenschapper alleen op reis. Met de week die nodig was voor de installatie van de gravimeter en de training van lokaal personeel, was een zending gelijk aan een reis van ongeveer drie weken. Aangezien op elke locatie 6 maanden lang gemeten werd, kwamen we uit op het tempo van twee zendingen per jaar. We waren in staat om gelijktijdig tot 8 gravimeters in te zetten dankzij de betrokkenheid van verschillende installateurs. Dit zijn in volgorde van interventie Paul Melchior, Bernard Ducarme, Michel van Ruymbeke, Christian Poitevin, Jean Rasson en Nicolas d’Oreye de Lantremange. Zo zijn tussen 1973 en 1992 142 zwaartekrachtgetijdestations (6.c) geïnstalleerd.

Thema 7 – Boeken en publicaties

De publicatie van een Getijden Informatie Bulletin (BIM) werd voorbereid door P. Melchior om de circulatie van wetenschappelijke resultaten mogelijk te maken in de gemeenschap die verantwoordelijk is voor de aardverschuivingen. Tot op heden zijn 150 BIM-uitgaven gepubliceerd, die meer dan 12.000 pagina’s wetenschappelijke artikelen vertegenwoordigen die verschillende aspecten van de studie van getijden behandelen.

Anne-Marie Bary, de vrouw van Paul Melchior, heeft gedurende ongeveer 20 jaar de artikelen die in het Russisch waren geschreven   vertaald, artikels geschreven door onze collega’s uit de oostelijke landen die zeer actief zijn in ons vakgebied.

Bovendien zal de door Paul Melchior geschreven verhandeling over de studie van de aardverschuivingen (De getijden van de planeet Aarde) een van de belangrijkste publicaties in het veld blijven. Deze fundamentele tekst, die alle aspecten van het probleem behandelt, is tot op de dag van vandaag een Bijbel voor generaties onderzoekers.

Thema 8 – Doppler station

Het laatste decennium van de twintigste eeuw zag twee grote doorbraken in de studie van aardgetijden. Ruimte-geodesie, die het mogelijk maakt om een ​​punt op het aardoppervlak te lokaliseren, ging van een nauwkeurigheid van 50 cm in de jaren zeventig (TraNet-netwerk) naar een paar centimeter aan het einde van de eeuw (GPS-netwerk). Al in 1972 besloot de Amerikaanse marine om een ​​Doppler-station van het TraNet-netwerk te installeren op de KSB.

Dit station zal tot 1996 operationeel blijven, maar ondertussen was de KSB al begonnen satellieten van het GPS-netwerk te observeren.

Thema 9 – Supergeleidende gravimeter en vloeibare kern van de aarde

Al in 1968 slaagden Prothero en Goodkind van de Universiteit van Californië er in om een supergeleidende bol met een diameter van 2,54 cm in levitatie te houden. De supergeleiding van bepaalde metalen wordt verkregen bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt (-273,15 ° C). Onder een kritische temperatuur (7,19 °K voor lood) daalt de elektrische weerstand plotseling tot nul en kan een elektrische stroom voor onbepaalde tijd in een spoel vloeien. Er is dus perfect stabiel elektromagnetische veld bruikbaar voor de levitatie van de bol (9.d). Om dergelijke lage temperaturen te bereiken, volstaat het om het instrument onder te dompelen in een vloeibaar heliumbad bij 4,2 ° K. De binnenkant van de gravimeter wordt gethermaliseerd tot op een  microkelvin (1μK = 10-6K) nabij de temperatuur van 4,5K. De eerste SUPRA arriveerde in 1981 bij de Koninklijke Sterrenwacht van België (KSB).

Het is de geleidelijke verdamping van het vloeibare helium in een tank (Dewar vat, 9.b) van 200 liter die het instrument op zeer lage temperatuur houdt om de supergeleiding in stand te houden. Helium ontsnapte door een schot dat werd gekoeld, waardoor de verdampingssnelheid aanzienlijk werd verminderd. Om de verliezen te compenseren, moest men elke drie weken het vat opnieuw vullen.

Deze SUPRA werkte tot het jaar 2000, maar tegen 1995 werd een nieuw generatie apparaat geïnstalleerd in het ondergronds laboratorium in Membach, waar het nog steeds actief is. Het maakt deel uit van een wereldwijd netwerk van stations die hun gegevens uitwisselen. Het is de dankzij de installatie van een wereldwijd netwerk van gravimeters voor supergeleiding (9.c) dat de variaties van het zwaartekrachtniveau op het niveau van een nanogal (@10-12 g) konden worden waargenomen.

Dankzij deze technische vooruitgang, zijn we in staat geweest om het resonantie-effect van de vloeibare kern van de aarde op het getijdenspectrum te meten in overeenstemming met de theoretische modellen ontwikkeld door Véronique Dehant op de KSB.

Thema 10 – “Environmental Data Acquisition System” (EDAS)

Pas in het begin van de jaren negentig werd een EDAS-systeem (Digital Data Acquisition System) geïntroduceerd. Daarvoor  was in het World Profile Project (TWP) de registratie op  papier  de algemene regel. Het lezen van de positie van het meetsignaal werd gedaan aan de hand van markeerpunten die om het uur werden geplaatst. Op die manier werden de signalen als functie van de tijd bekomen. De meetpunten werden uitgelezen door een semi-automatische machine die een elektrische spanning produceert (uitgedrukt in volt) als functie van verplaatsing van de punt van de microscoop. Dit leverde een reeks waarden in mm, 1 per uur, die de opeenvolgende standen van de pen van de recorder weergeeft en dus de bewegingen van de arm van de gravimeter onder de invloed van variaties in de zwaartekracht. Vervolgens werden deze vermenigvuldigd met de ijkingscoëfficiënt, uitgedrukt in μgal / cm of in nms-2 / mm.  Digitale verwerking van deze tijdsreeksen maakte het dan mogelijk de voornaamste getijdegolven te onderscheiden (Q1, O1, P1, K1, N2, M2, S2, K2) door middel van een opsplitsing in harmonische functies.

Deze konden dan direct vergeleken worden met het astronomische model . Het oceaangetijdenmodel van E. W. Schwiderski maakte het mogelijk om de effecten van de aantrekkingskracht van  de oceaan ‘L’ te berekenen met behulp van het algoritme ontwikkeld door W. E. Farrell.

Rond 1980 werd onder impuls van Paul Melchior een gegevensbank ontwikkeld binnen het Internationaal Centrum voor Aargetijden (ICET). Het doel was om alle beschikbare zwaartekrachtgetijdewaarnemingen over de hele wereld te consolideren. Begin jaren negentig waren TEP / TWP-gegevens goed voor ongeveer de helft van de waarnemingen in de databank, die getijdeparameters in 352 stations bevatte. Een eerste probleem was om de homogeniteit van de resultaten te garanderen door de gebruikte ijkingen te controleren. Men realiseerde zich snel dat een fout in de parameters van het TWP-basis station (Brussel) kon worden vermoed (thema 5).

Thema 11 – De verjaardag van het “Internationaal Centrum voor Aardgetijden” (ICET)

Paul Melchior maakte gebruik van de gelegenheid gegenereerd door het Internationaal Geofysisch Jaar (1957-58) om internationale samenwerking uit te bouwen. In het kader van het “Speciaal Comité voor het Internationaal Geofysisch Jaar (CSAGI), groep XIII (gravimetrie), Commissie voor de studie van de aardverschuivingen” wordt een internationaal programma voor de studie van de getijdegolven gelanceerd. Al in 1956 werd een “Land Tides Information Bulletin (BIM)” gepubliceerd bij de Koninklijke Sterrenwacht van België (KSB) en in 1958 werd een permanente structuur gecreëerd onder de naam “Internationaal Centrum voor Aardgetijden” (ICET). Deze dienst van de Internationale Vereniging van Geodesie (AIG), waarvan we nu het 60-jarig jubileum vieren , blijft tot 2008 bij de KSB en zal nauw betrokken zijn bij de activiteiten van de afdeling “Aardgetijden en Gravimetrie” van dit instituut.