ГЛОБАЛЬНАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЙ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений.

Достоверный прогноз землетрясений возможен, если измерять первопричины сейсмических процессов. Первопричиной землетрясений являются механические напряжения, обусловленные движением тектонических плит. При больших давлениях изменяются характеристики вещества, появляются свойства текучести, что вызывает дегазацию верхних слоев мантии Земли. Факт эманации различных газов из земной коры в атмосферу, водорода, гелия, метана, радона, накануне землетрясений зарегистрирован документально [см. Патенты RU №2204852, 2003 г., №2275659, 2006 г., №2302020, 2007 г.].

Эманация радона (период полураспада 3,81 суток) сопровождается увеличением фонового уровня радиации, ионизацией молекул атмосферы, образованием нескомпенсированного заряда кулоновского электричества в виде купола над гипоцентром очага с диаметром основания 100-150 км [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов», Доклады конференции Сборник РАН, ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта, стр. 27-29]

В области электростатической напряженности «купола» изменяются коэффициенты преломления и отражения падающего светового потока и, как следствие, изменяется оптическая плотность атмосферы. Для измерения оптической плотности атмосферы создана международная глобальная сеть «AERONET», включающая порядка 500 станций [см. Интернет http://aeronet.gsfc.nasa.gov\new web\sistem description.html]

Известен Патент RU №2 497158, 2013 г. «Способ краткосрочного прогнозирования землетрясений» с использованием фотометров сети «AERONET» - аналог.

Способ - аналог включает создание в сейсмоопасном регионе системы измерений оптической плотности атмосферы из двух крестообразных групп фотометров, ориентированных по сторонам света, разнесенных с постоянным шагом по координатам x, y на расстояние менее размеров зоны подготавливаемого землетрясения, построение гистограммы коэффициента пропускания атмосферы в дискретных интервалах длин волн фотометров: 340, 380, 440, 500, 675, 800 и 1020 нм, определение разницы (Δ) между средневзвешенной длиной волны текущего (λ_тек) и эталонного (по Планку) солнечного спектра (λ_этал), отождествление измерений Δ(t) с началом сейсмического процесса и расчет постоянной времени Т функции сигнала Δ(t), формирование регистрограмм измерений для каждой из групп раздельно по координатам Δ(x,t) и Δ(y,t), расчет гипотетического центра очага как точки пересечения векторов, направляющие косинусов которых вычисляют через их проекции на осях крестообразных групп:

прогнозирование времени сейсмического удара и магнитуды удара из соотношения .

Недостатками аналога являются:

- ограниченность измерений дневным временем суток, поскольку оптическая плотность атмосферы может измеряться только при наличии солнечного света;

- зависимость измеряемого параметра (коэффициента пропускания) от состояния погодных условий (облачность, туман), вносящих дополнительную ошибку в результат измерений;

- недостаточная достоверность прогноза землетрясения, основанная на измерении одного (из множества) признака-предвестника.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является Патент RU №2423729, 2011 г. «Способ краткосрочного прогнозирования землетрясений»

Схема устройства, реализующая способ, содержит космический носитель (типа МКС) с установленным на нем измерителем ультрафиолетового свечения атмосферы в составе последовательно подключенных светофильтра, светособирающей фокусирующей системы из специального кварцевого стекла, лавинного светодиода, порогового устройства, аналогово-цифрового преобразователя, буферного запоминающего устройства, радиоинтерфейса, бортового ноутбука, флэш-памяти, генератора меандра, подключенного к пороговому устройству. Измеритель работает по суточной программе, закладываемой в бортовой комплекс управления МКС из центра управления, каждое слово программы имеет временную и исполнительную часть, для включения измерителя над запланированным для измерений регионом планеты Земля.

Недостатками ближайшего аналога следует считать:

- необходимость точных целеуказаний для включения бортового измерителя над зоной подготавливаемого землетрясения. При размерах зоны -150 км, скорости носителя ~ 10 км/с, время прохождения зоны составляет всего ~ 15 с

- недостаточная достоверность предсказания прогноза события землетрясения, основанная на измерении одного (из множества одновременно существующих) признака-предвестника.

Задача, решаемая заявленной глобальной системой измерений состоит в повышении достоверности обнаружения зон подготавливаемого землетрясения и точности определения параметров предстоящего сейсмического удара путем одновременной регистрации нескольких признаков-предвестников как наземными, так и бортовыми средствами измерений.

Технический результат достигается тем, что глобальная система измерений предвестников землетрясений содержит множество первичных датчиков-фотометров контроля оптической плотности атмосферы в режиме отслеживания превышения сигнала фотометра установленного порогового уровня, разнесенных по пространству сейсмоопасных регионов, являющихся абонентами глобальной телекоммуникационной сети с диспетчерским пунктом передачи в центр управления орбитальными средствами адреса и координат сработавшего фотометра для доразведки обнаруженной зоны бортовыми средствами, установленными на двухосной поворотной платформе космического носителя в составе соосно закрепленных цифровой видеокамеры, мультиспектрометра, щель которого совмещена с центром видеокамеры, камеры регистрации ультрафиолетового свечения атмосферы над зоной подготавливаемого землетрясения, буферного запоминающего устройства записи сигналов перечисленных средств и высокоскоростной радиолинии передачи зарегистрированных сигналов в наземный комплекс управления и обработки данных.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - функциональная схема глобальной системы;

фиг. 2 - одна из реализаций эманации радона в атмосферу накануне землетрясения;

фиг. 3 - полосы переизлучения атмосферных газов при их гамма-облучении;

фиг. 4 - изменения оптической плотности атмосферы, регистрируемая фотометрами сети AERONET;

фиг. 5 - эталонный (по Планку) солнечный спектр (1) и измеренный (2) спектр переизлучений атмосферных газов;

фиг. 6 - динамика изменения сигналов предвестников над зоной подготавливаемого землетрясения;

фиг. 7 - экспоненциальная функция переходного к сейсмическому удару процесса.

Функциональная схема глобальной системы измерений предвестников землетрясений (фиг. 1) содержит множество первичных датчиков-фотометров (1), работающих в пороговом режиме измерений оптической плотности атмосферы, разнесенных по пространству сейсмоопасных регионов, международную систему телекоммуникаций (2), абонентами которой являются первичные датчики-фотометры с центральным диспетчерским пунктом (3), осуществляющим передачу в центр управления (4) орбитальной группировки космических носителей (5) адреса и координат сработавшего датчика-фотометра из зоны подготавливаемого землетрясения, командной радиолинии (6) для передачи программ управления в бортовой комплекс управления (БКУ) (7) для доразведки зоны подготавливаемого землетрясения бортовым комплексом аппаратуры в составе цифровой видеокамеры (8), мультиспектрометра (9), щель которого совмещена с центром видеокамеры, камеры регистрации ультрафиолетового свечения атмосферы (10) установленных соосно на двухосной поворотной платформе (11) космического носителя (5), бортового запоминающего устройства (БЗУ) (12) записи сигналов селектируемых признаков-предвестников, высокоскоростной радиолинии (13) передачи данных, зарегистрированных в БЗУ, на наземные пункты приема информации (ПЛИ) (14) и Геофизического Центра обработки данных (15) в целях упреждающего прогноза сейсмического удара в обнаруженной зоне подготавливаемого землетрясения.

Динамика работы системы и взаимодействие элементов состоит в следующем.

Накануне землетрясения в области механических напряжений зоны подготавливаемого землетрясения происходит эманация в атмосферу различных газов: водорода, гелия, метана, радона. Эманация радона и его последующий радиоактивный распад (период полураспада 3,81 суток, отношение энергии связи ядра к массовому числу равно 7,69 МэВ) сопровождается мощным γ-излучением. Функция изменения мощности радиационного фона накануне и после сейсмического удара иллюстрируется графиком фиг. 2

Излучаемые при распаде радона γ-кванты поглощаются толщей атмосферных газов над зоной подготавливаемого землетрясения. Атмосферные газы N₂, O₂, Н₂, Не играют роль газовых сцинтилляторов [см., например, Сцинтилляционный счетчик ГНЦИФЭ г. Протвино, Интернет, //theory.asu.ru/raikin/physics/PSR/RCRC2008.St.Peterburg/RCRC2008/proc/EAS/EASro.Pdg] В газовых сцинтилляторах молекула под воздействием γ-квантов переходит на возбужденные (виртуальные) уровни. В соответствии с законом Стокса переизлучение поглощенной энергии всегда происходит на большей длине волны, чем квантов возбуждения. Известны спектральные полосы переизлучения газовыхмолекул как: серия Лаймана в ультрафиолете 100…300 нм, серия Бальмера в видимом диапазоне 400…650 нм, серия Пашена в ближнем инфракрасном диапазоне 670…1200 нм. Перечисленные полосы переизлучения газовых молекул иллюстрируются фиг. 3. Одновременно γ-излучение вызывает ионизацию молекул атмосферы и образование нескомпенсированного заряда кулоновского электричества в виде «купола» над гипоцентром очага, с диаметром основания ≈ 100-150 км. В области электростатической напряженности «купола», из-за поворота дипольных молекул водяного пара в атмосфере, изменяются коэффициенты отражения: и преломления падающего светового потока, где ε - диэлектрическая проницаемость воздуха.

Согласно классическим представлениям [см., например, Преломление света, Физический энциклопедический словарь под редакцией A.M. Прохорова, изд. Сов. Энциклопедия.- М.: 1983 г., с. 168] электроны и атомы вещества под действием световой волны совершают вынужденные колебания. Наличие собственной частоты атомов и молекул приводит к зависимостям коэффициента преломления n от концентрации вторичных излучателей в воздухе:

где N_i - концентрация в воздухе вибраторов i-го сорта; е - заряд электрона; m_i - масса вибратора i-го сорта; λ_oi - собственная длина волны излучения вибратора i-го сорта; λ - текущая длина волны падающего светового потока. Итак, в области электростатической напряженности «купола» подготавливаемого землетрясения изменяются коэффициенты преломления и отражения падающего светового потока. В результате изменяется оптическая плотность атмосферы. По определению [см., например, Преломление света, Физический энциклопедический словарь под редакцией A.M. Прохорова.- М.: изд. Сов. Энциклопедия, 1983 г., с. 944] под оптической плотностью атмосферы понимается десятичный логарифм отношения падающего потока излучения к потоку прошедшему через всю толщу атмосферы:

Одна из реализаций динамики изменения оптической плотности атмосферы накануне сейсмического удара, регистрируемая фотометрами глобальной сети AERONET, иллюстрируется графиком фиг. 4. Как отмечалось выше, недостатком такой системы является зависимость результата измерений от погодных условий, а также от времени суток. Измерения возможны только при наличии солнечного потока, т.е. только дневные измерения.

При превышении сигнала над установленным пороговым уровнем в каком-либо из фотометров в диспетчерский пункт (3) телекоммуникационной системы (2) передается информация с адресом и координатами откликнувшегося первичного датчика-фотометра, которая автоматически транслируется в центр управления (4) орбитальной группировки (5). Центр управления (4) осуществляет плановую доразведку зоны подготавливаемого землетрясения орбитальными средствами путем закладки в БКУ (7) суточных программ разовых команд по радиолинии (6).

Сам факт наличия сигналов в полосах переизлучений Лаймана, Бальмера, Пашена на теневом участке орбиты космического носителя (в отсутствии солнечного потока) свидетельствует о начале сейсмического процесса в разведываемой зоне. Двухосная поворотная платформа в автоматическом режиме (по заложенной в БКУ программе полета) осуществляет обзор ночного горизонта с углами прокачки от +120° до -75° по осям вращения. Это позволяет съемку предполагаемой зоны подготавливаемого землетрясения (с учетом сдвига орбиты пролета) на 3-5 последовательных витках.

Признаками-предвестниками землетрясения, дополнительно измеряемыми орбитальными средствами, являются:

- увеличение геометрических размеров зоны регистрируемых сигналов (размеров очага подготавливаемого землетрясения) цифровой видеокамерой;

- изменение амплитуды сигнала в ультрафиолетовом канале измерений на последовательных витках;

- изменение средневзвешенной длины волны текущего и эталонного (по Планку) солнечного спектра в измерительных каналах мультиспектрометра.

На фиг. 5, 6 иллюстрируются регистрограммы измерений, полученные по серии проходов космического носителя над зоной подготавливаемого землетрясения. Параметрами регистрограмм измерений являются амплитуда сигнала и интервал времени регистрации, в пределах которого амплитуда сигнала превышает пороговый уровень. Обобщенной характеристикой регистрограммы, учитывающей и амплитуду, и время существования сигнала, является длина дуги регистрограммы (кривой) на графике фиг. 6 функции L(t). Как следует из графика фиг. 6, длина кривой изменяется от цикла к циклу прохода космического носителя над зоной подготавливаемого землетрясения.

Известно аналитическое выражение вычисления длины дуги кривой L(t), заданной в декартовых координатах:

[см., Н.С. Пискунов. Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов, т. 1, учебник, 5-е изд.,-М. : Наука,, 1964 г., стр. 194].

Поскольку в современных телекоммуникационных системах массивы информации представляются в цифровой форме, а аналитическое выражение регистрограмм отсутствует, то вычисление приведенного интеграла осуществляют численными методами по специализированной математической программе [см. Патент RU №2 423729, 2011 г.]

Информацию, записанную в БЗУ (7) в сеансах видимости МКС с наземных пунктов сбрасывают по высокоскоростному каналу передачи данных (13) на наземные пункты приема информации (НИИ) (14). После выделения кадров по служебным признакам по наземным каналам связи, информацию перегоняют в Геофизический Центр обработки данных (15). Существует лицензионная программа привязки космических снимков к топографической основе: ГИС «Топол». После привязки цифрового видеоснимка камеры (9) к топооснове, проводят идентификацию очага землетрясения. Поскольку щель мультиспектрометра (10) совмещена с центром видеокамеры (9), то максимум регистрограмм отождествляют с координатами гипоцентра очага, т.е. с координатами космического носителя на данный момент времени. Расчет параметров предстоящего сейсмического удара в Геофизическом Центре проводят путем обработки измерений бортовых средств.

Из математики известно [см., например, Н.С. Пискунов, Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов, учебник том. 1, изд. Пятое, -М.: Наука, 1964 г., стр. 457-458], что функция и скорость ее изменения связаны дифференциальным уравнением первого порядка, общим решением которого является экспонента.

где Т - постоянная времени экспоненты, а сама функция характеризует переходный процесс зоны подготавливаемого землетрясения к сейсмическому удару. За начало переходного процесса принимается момент превышения сигналом установленного в измерителе порогового уровня. Постоянная времени (Т) переходного к сейсмическому удару процесса зависит от конкретных геофизических условий земной коры зоны подготавливаемого землетрясения. Экспоненциальная зависимость обладает тем свойством, что по трем ее дискретным измерениям может быть восстановлена вся функция. Постоянную времени сейсмического процесса определяют из соотношения:

где L₁, L₂, - длины регистрограмм измерений в моменты t₁, t₂, Δt=(t₂-t₁) - интервал времени между измерениями L₁, L₂, равный для космического носителя межвитковому интервалу ≈ 1,5 ч. Установившееся значение L₀ вычисляют по трем дискретным значениям как:

За ожидаемое время сейсмического удара принимают промежуток, за который экспонента переходного процесса достигает значения 0,99Lo, это время

Известна зависимость радиуса R зоны подготавливаемого землетрясения от магнитуды ожидаемого сейсмического удара

[см., например, Доклады конференции, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов», РАН, ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта, М, 1998 г., стр. 9]. По мере нарастания сейсмической опасности радиус зоны расширяется. По эмпирическим данным (более 1000 наблюдений) известно соотношение, связывающее размеры деформации очаговой зоны с магнитудой:

Все элементы системы выполнены на существующей технической базе. Орбитальный носитель типа Российского сегмента Международной космической станции (PC МКС), с двухосной поворотной платформой и средствами зондирования:

- ультрафиолетовая камера типа «Фиалка - MB - КОСМОС»;

- цифровая видеокамера BYP-30;

- мультиспектрометр (СП)

[см., например, Комплект оборудования для космического эксперимента, шифр «Землетрясение», Приложение №2 к Техническому заданию «Измерение краткосрочных динамических предвестников землетрясений средствами PC МКС» Роскосмос, ЦНИИМАШ, 2009 г.]. Множество первичных датчиков-фотометров - Международная глобальная сеть наблюдений «AERONET» Глобальная международная система телекоммуникаций GSM [http://gsmcode.narod.ru/gsm.html] Эффективность системы характеризуется высокой достоверностью, поскольку прогноз землетрясения осуществляют по четырем признакам-предвестникам, измеряемым различными средствами: фотометр, мультиспектрометр, цифровая видеокамера, ультрафиолетовая камера.