Способ прогнозирования землетрясений

Способ прогнозирования землетрясений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение при создании Центра прогнозирования глобальных катастроф.

Очаг землетрясения аккумулирует огромную энергию тектонических напряжений. В потенциальном поле напряжений земной коры зон подготавливаемых землетрясений возникают аномалии в других средах: атмосфере, ионосфере, магнитосфере, проявляющие себя в виде различного рода признаков-предвестников. Некоторые из предвестников наблюдаются визуально. К числу последних относится предвестник в виде свечения ночного неба и сполохов в атмосфере накануне землетрясений. Наиболее полный систематизированный перечень признаков-предвестников см., например, в Т.Рикитаке, "Предсказание землетрясений", перев. с англ., Мир, М., 1979, табл.15.13 стр.314-333. Одной из аномалий является изменение амплитудных соотношений между спектральными составляющими электромагнитного поля при его взаимодействии с молекулами примесных газов атмосферы.

Известен "Способ экологического зонирования территории", Патент RU № 2132606, A 01 G, 15/00, 1993 г. - аналог, на основе красного смещения спектра отраженного от подстилающей поверхности солнечного света. В способе-аналоге на основе спектрозонального снимка территории, включающего контрольные промышленные площадки, преобразуют аналоговые значения спектральной яркости I(х,у) в цифровые матрицы полос G, R изображений, проводят поэлементную логическую сортировку пикселей в матрицах в соответствии с алгоритмом, если R>G, то R, если R<G, то R=R_max-kG, где k - коэффициент корреляции хроматических коэффициентов r, g; получают результирующую матрицу тех же размеров, осуществляют привязку изображения к географическим координатам, задают требуемый уровень градаций зонирования и выделяют алгоритмами пространственного дифференцирования контуры пограничных зон, вычисляют площади зон с максимальным уровнем результирующего вектора техногенных нагрузок, рассчитывают числовые характеристики электрического сигнала результирующей матрицы: математическое ожидание, дисперсию, огибающую пространственного спектра, автокорреляционную функцию, гистограмму распределения пикселей по яркости, осуществляют привязку полученного относительного закона распределения пикселей к абсолютным значениям вектора техногенных нагрузок по его максимальным значениям и соответствующих максимальным значениям площади выделенных зон, где g=G/(R+G), r=R/(R+G).

Недостатками аналога являются:

- невозможность непосредственного использования способа для прогноза землетрясений в силу разнородности отслеживаемых физических процессов;

- необходимость разработки новых алгоритмов и программ для извлечения сейсмической информации из спектрометрического сигнала.

Известен ряд технических решений [Патенты RU № 2170446, 2001 г., № 2208239, № 2204852, 2003 г., № 2227311, 2004 г., № 2244324, 2005 г.], в которых скрытую информацию о параметрах предстоящего землетрясения извлекают из динамических характеристик сигналов отслеживаемых признаков-предвестников. Ближайшим по технической сущности к заявляемому является "Способ предсказания землетрясений", патент RU № 2204852, G 01 V, 9/00, 2003 г.

В способе ближайшего аналога размещают в сейсмоопасном регионе измерители электростатического поля Е [В/м] в атмосфере над очагом, разнесенные между собой на измерительной базе, регистрируют сигнал предвестника в виде дискретных выборок измерений, программной обработкой выборок измерений выделяют модулирующую функцию регистрируемого сигнала, определяют период (Т) и наклон (k) касательных к нарастающему во времени размаху амплитуды этой функции, прогнозируют время удара t_y, отсчитываемое от момента начала регистрации модулирующей функции по зависимости t_y=u₀T/2πk, а магнитуду из соотношения lgt_y[сут]=0,54 М-3,37, где u₀ - предельная величина скорости сдвиговой деформации, при которой происходит разрыв земной коры.

Недостатками способа ближайшего аналога являются:

- не определяется гипоцентр ожидаемого землетрясения;

- недостаточная точность прогнозирования параметров землетрясения из-за априорно неизвестного значения величины (u₀), при которой происходит разрыв земной коры в данном регионе.

Задача, решаемая заявляемым способом, состоит в оперативном обнаружении зон подготавливаемых землетрясений и повышении точности вычисления прогнозируемых параметров. Технический результат достигается тем, что в способе прогнозирования землетрясений, включающем регистрацию излучения подстилающей поверхности в спектральных полосах на последовательных витках полета космического аппарата, формирование результирующего массива измерений, выделение модулирующей функции отслеживаемого сигнала дополнительно осуществляют визуальное обнаружение космонавтами сполохов ночного горизонта через видеокамеру, соосную с мультиспектрометром, измеряют дисперсии сигналов головных спектральных полос излучения азота и кислорода и их сумму по трассе полета в обнаруженных областях, отождествляют гипоцентр очага с координатами максимальной кривизны регистрограмм суммарной дисперсии, вычисляют постоянную времени (Т) изменения результирующей дисперсии в точках максимальной кривизны как , а параметры удара рассчитывают по зависимостям: время удара: t_y≈4,7 Т, магнитуду как lgt_y[сут]=0,54 М-3,37, где Δt=t₂-t₁=t₃-t₂ - интервал времени между последовательными моментами измерений, D₁, D₂, D₃ - дисперсии результирующего сигнала в моменты измерений t₁, t₂, t₃, D₀ - предельная величина установившегося значения результирующего сигнала, рассчитываемая как .

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - тип взаимодействия γ-излучения радона с молекулами газов атмосферы;

фиг.2 - головные спектральные полосы излучения газовых молекул атмосферы при флюоресценции;

фиг.3 - одна из реализаций функции результирующего сигнала по трассе полета в обнаруженных областях;

фиг.4 - изменение дисперсии результирующего сигнала в точках максимальной кривизны во времени;

фиг.5 - функциональная схема устройства, реализующая способ.

Физическая сущность способа состоит в следующем. Установлено, что в разломных зонах накануне состоявшихся землетрясений наблюдалась активная эманация в атмосферу различных газов: водорода, гелия, радона [см., например, "Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов", доклады Конференции, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, РАН, М., 1998, стр.27-29]. Эманация радона (период полураспада 3,81 сут.) сопровождается γ-излучением, которое взаимодействует на молекулярном уровне с газовыми компонентами воздуха: азотом N₂, кислородом О₂, водородом Н₂, парами воды Н₂О, углекислым газом CO₂. Одним из видов такого взаимодействия является флюоресценция [см., например, Р.Межерис, "Лазерное дистанционное зондирование", перев. с англ., Мир, М., 1987, стр.124, 234-236]. При поглощении молекулами газов γ-квантов с большой энергией (hν_ν) молекулы переходят в возбужденное состояние на так называемые виртуальные уровни, которые являются неустойчивыми. В соответствии с законом Стокса переизлучение поглощенной энергии молекулами всегда происходит на большей длине волны, чем квантов возбуждения. Молекулы совершают переход между уровнями через промежуточные энергетические состояния, как это иллюстрируется фиг.1. В результате возбужденные молекулы газов, составляющих атмосферу, переизлучают серию комбинационных частот в длинноволновом участке видимого и ближнего инфракрасного диапазона. Спектральные линии переизлучения, несущие наибольшую энергию, носят название головных линий. У сложных молекул наблюдается уширение спектральных линий, занимающих некоторую полосу частот. Полосы головных частот излучения газовых компонент атмосферы иллюстрируются фиг.2. Визуально флюоресценция молекул атмосферы наблюдается как свечение ночного неба. Поскольку в ночное время суток (при отсутствии солнечного света) подстилающая поверхность не содержит излучателей красного и ближнего ИК-диапазона, то обнаружение сполохов флюоресценции свидетельствует о начале переходных процессов в зонах подготавливаемых землетрясений. Интенсивность флюоресцентного свечения I_mn в спектральных полосах (фиг.2) пропорциональна концентрации молекул определенного газа [см., например, "Практикум по спектрометрии" под редакцией Л.В.Левшина, учебное пособие, Изд. МГУ, 1976, стр.40]. Нормальная атмосфера содержит ˜78% азота, ˜21% кислорода, остальное - примесные газы. Естественно, что над разломной зоной за счет интенсивной эманации содержание примесных газов может достигать нескольких процентов. Интенсивность свечения также зависит от мощности γ-излучения или от процентного содержания радона, поступающего в атмосферу из земной коры в зоне подготавливаемого землетрясения. Наибольшую интенсивность свечения следует ожидать в полосах азота N₂ λ≈0,650-0,675 мкм, кислорода О₂ λ≈0,762-0,764 мкм, водорода Н₂λ≈0,657-0,658 мкм. Одна из реализаций интенсивности свечения (дисперсия D [мВт], результирующего сигнала) над разломной зоной в функции длины трассы L, км иллюстрируется фиг.3. Максимум мощности сигнала соответствует очаговой зоне. Очевидно, что кривизна регистрограммы зависит как от мощности свечения над очаговой зоной, так и от направления пересечения трассой витка этой зоны. Математической процедурой, характеризующей форму кривых, является вычисление их кривизны [см., например, Н.С.Пискунов. "Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов, т.1, 5-е изд., Наука, М., 1964, стр.196-198]. Кривизна кривой задается функцией:

За координаты гипоцентра принимают область максимальной кривизны регистрограмм.

Поскольку в современных системах телеизмерений массивы информации представляются в цифровой форме, а аналитическое выражение функций регистрограмм отсутствует, определение областей максимальной кривизны регистрограмм осуществляют специализированной математической программой для ПЭВМ. Текст программы представлен ниже в примере реализации способа. Для вычисления прогнозируемых параметров: времени удара и магнитуды отслеживают динамику изменения результирующего сигнала во времени в области максимальной кривизны регистрограмм. Исходя из общего физического принципа, какой бы мощностью ни обладал источник, переход из начального состояния в установившееся занимает конечный временной интервал. Огибающая переходного процесса содержит скрытую информацию о параметрах удара. Переходные процессы описываются дифференциальными уравнениями первого или второго порядка. Общим решением дифференциальных уравнений для огибающей процесса служит экспонента [см., например, Н.С.Пискунов. "Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов, т.1, 5-е изд., Наука, М., 1964, стр.458, 506-507]. Огибающую переходного процесса рассматривают как модулирующую функцию. Начальные условия для решения дифференциальных уравнений получают из серии регистрируемых отчетов функции сигнала на последовательных витках. Экспонента характеризуется двумя значениями: постоянной времени процесса Т и установившимся (конечным) значением D₀. Из свойств экспоненты следует, что постоянная времени ,

где Δt=t₂-t₁ - интервал времени между измерениями дисперсии результирующего сигнала (в возмущенном состоянии атмосферы над очагом) накануне удара:

Огибающая переходного процесса в виде экспоненты иллюстрируется фиг.4.

Располагая функцией огибающей переходного процесса, прогнозируют параметры ожидаемого удара по регрессионным зависимостям: время удара t_y≈4,7 Т₀, за которое функция с вероятностью 0,99 достигает своего максимального значения D₀, a магнитуду удара по уравнению Гутенберга-Рихтера lgt_y[сут]=0,54 М-3,37.

Пример реализации способа.

Заявляемый способ может быть реализован по схеме фиг.5. Функциональная схема устройства, фиг.5, содержит орбитальную станцию 1 (типа МКС) с установленным на ее поворотной платформе 2 приборным комплексом 3 (типа Пион) в составе соосно закрепленных широкоугольной телекамеры 4 (типа Астра) и мультиспектрометра 5 (типа МОМС-2П, ФРГ). Двухосная поворотная платформа в автоматическом или ручном режиме управления космонавтами обеспечивает обзор ночного горизонта с углами прокачки от +120° до -75° по осям вращения. Специализированное программное обеспечение измерений комплекса "Пион" в файле сеанса измерений выделяет служебную информацию в виде номера витка, координат трассы измерений, углов наблюдения, а также измерительную информацию в виде телевизионной картинки ночного горизонта, положение щели мультиспектрометра в телевизионном кадре и функции амплитуд сигналов в установленных спектральных полосах измерений. Обнаружение сполохов ночного горизонта осуществляется космонавтами в ручном режиме управления поворотной платформой путем обзора через широкоугольную телекамеру. Результаты измерений интенсивности флюоресценции газовых молекул атмосферы в обнаруженных областях записываются в бортовой магнитофон 6 (типа Нива) и в сеансах видимости сбрасываются по видеоканалу передачи данных 7 на наземные пункты приема информации 8 (ППИ), где записываются на видеомагнитофон 9 (типа Арктур). Включение видеоканала 7 на передачу в запланированных сеансах связи осуществляют посредством бортового комплекса управления 10 путем закладки в него суточных программ или разовых команд по радиолинии управления 11 из центра управления полетом 12. Зарегистрированную информацию перегоняют по наземным линиям связи с ППИ в Геофизический центр тематической обработки 13, где создают долговременный архив 14 всех полученных измерений.

Непосредственную обработку массивов измерений осуществляют на ПЭВМ 15 в стандартном наборе элементов: процессора 16, оперативного ЗУ 17, винчестера 18, дисплея 19, принтера 20, клавиатуры 21. Результаты обработки выводятся на сайт сети "Интернет" 22. Предварительно в оперативное ЗУ 17 записывают специализированную математическую программу вычисления кривизны функции результирующего сигнала.

Текст программы вычисления кривизны регистрограмм.

После идентификации очага землетрясения как области максимальной кривизны (фиг.3) проводят измерения интенсивности флюоресценции в обнаруженной зоне на последовательных витках. По серии измерений значений результирующего сигнала в окрестностях максимальной кривизны рассчитывают характеристики переходного процесса: постоянную времени Т и установившееся значение сигнала D₀. В серии измерений получены следующие, квантованные в шкале 0...256 уровней, значения дисперсий сигнала: D₁=54, D₂=71, D₃=87. Измерения проводились на смежных витках, со скважностью Δt=1,5 часа. Расчетные значения начальных условий соответствовали: Т=18,8 час, D₀=248.

Прогнозируемые параметры землетрясения t_y=4,7 Т≈3,7 сут., отсчитываемые от начала переходного процесса. Ожидаемая магнитуда удара lg 3,7=0,54 М-3,37, откуда М≈7,3 балла.

Эффективность способа характеризуется такими показателями как глобальность, оперативность, достоверность, точность.

При оборудовании на орбитальной станции постоянного рабочего места космонавта и непрерывном наблюдении ночного горизонта средствами комплекса "Пион" возможно оперативное оповещение контролируемых регионов о предстоящих землетрясениях за 1-2 суток до удара.

Способ прогнозирования землетрясений, включающий регистрацию излучения подстилающей поверхности в спектральных полосах на последовательных витках полета космического аппарата, формирование результирующего массива измерений, выделение модулирующей функции отслеживаемого сигнала, отличающийся тем, что осуществляют визуальное обнаружение космонавтами сполохов ночного горизонта через видеокамеру, соосную с мультиспектрометром, измеряют дисперсии сигналов головных спектральных полос излучения азота и кислорода и их сумму по трассе полета в обнаруженных областях, отождествляют гипоцентр очага с координатами максимальной кривизны регистрограммы суммарной дисперсии, вычисляют постоянную времени (Т) изменения результирующей дисперсии в точках максимальной кривизны как

а параметры удара рассчитывают по зависимостям: время удара t_у≈4,7 Т, магнитуда как lgt_у[сут]=0,54 M-3,37, где Δt=t₂-t₁=t₃-t₂ - интервал времени между последовательными моментами измерений, D₁, D₂, D₃ - дисперсии результирующего сигнала в моменты измерений t₁, t₂, t₃, D₀ - предельная величина установившегося значения результирующего сигнала, рассчитываемая как