Результат интеллектуальной деятельности: Способ измерения ионосферных предвестников землетрясений

Изобретение относится к радиофизике и может найти применение в национальных системах сейсмологического контроля при мониторинге природных сред для прогнозирования землетрясений.

Предсказание землетрясений базируется на измерениях различных геофизических полей, изменяющих свои характеристики в потенциальном поле механических напряжений земной коры в области подготавливаемого землетрясения. Одним из чувствительных признаков - предвестников землетрясения являются электродинамические процессы, протекающие в околоземной плазме (ионосфере).

По параметрам переходного колебательного процесса (как вариации плотности электронной концентрации в слоях ионосферы) определяют гипоцентр проекции очага на ионосферу и характеристики ожидаемого сейсмического удара [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов», Доклады конференции ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта, РАН, М, 1998 г., стр. 64-65, 109, 127-129, 138].

Известен «Способ предсказания землетрясений» путем измерения волн плотности электронной концентрации при полете космического аппарата непосредственно на высотах соответствующих слоев ионосферы, Патент Ru №2 205 430, 2003 г - аналог. В способе аналога регистрируют волновой процесс, возникающий в среде накануне удара, вычисляют фазовый центр волнового процесса и его период, рассчитывают характеристики предстоящего удара по их зависимостям от периода, дополнительно получают серию регистрограмм дискретных отсчетов A(L_i) электростатического потенциала внешней поверхности космических аппаратов при их полете по орбитам L_i непосредственно через область ионосферного образования, находят фазовый центр процесса как точку пересечения траверз восходящих и нисходящих витков космических аппаратов, проведенных к участкам регистрограмм, где допплеровская частота измеряемого процесса равна нулю, отождествляют эту точку с проекцией гипоцентра очага на ионосферу, вычисляют период Т, магнитуду М и время ожидаемого удара t_x из соотношений:

где ΔL=L₂-L₁ - разница пространственных периодов двух симметричных относительно траверзы полуволн регистрограммы;

- отношение пространственных периодов двух симметричных, относительно траверзы, полуволн регистрограммы,

v - скорость акустических волн в ионосфере;

V_r - радиальная скорость движения измерителя относительно фазового центра волнового процесса.

К недостаткам аналога следует отнести:

- все существующие космические аппараты имеют внутренние источники питания, «заземленные» на корпус. Создание дополнительного внешнего корпуса (в качестве обкладки конденсатора) изолированного от «заземленного» представляет технические трудности;

- невысокая чувствительность измерений из-за малой емкости создаваемого конденсатора.

Известны дистанционные методы измерений плотности электронной концентрации ионосферы N [1/м³], путем ее зондирования на частоте ниже критической [см., например, «Космонавтика», Энциклопедия, М, Изд. Сов. энциклопедия, 1986 г., стр. 161, Ионозоид] - ближайший аналог.

В ближайшем аналоге задающий генератор плавно изменяет частоту настройки приемно-передающего устройства в диапазоне от 1 до 20 МГц для получения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) отраженного от ионосферы сигнала. Ионозоид включает импульсный ВЧ передатчик, приемник, электронно-лучевой индикатор, задающий генератор передатчика является гетеродином приемника, чем достигается сопряжение и синхронизация приемника и передатчика. Высоту до отражающей поверхности ионосферы определяют по времени запаздывания отраженного сигнала. Плотность электронной концентрации слоя определяют пересчетом из АЧХ значений критической частоты и времени запаздывания.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- невозможность по параметрам регистрируемого сигнала рассчитать ионосферные предвестники землетрясения;

- для пеленгации гипоцентра очага землетрясения необходимо измерять волновой процесс в двух, взаимно ортогональных, плоскостях.

Задача, решаемая заявленным способом, состоит в измерении динамики волнового процесса плотности электронной концентрации, реализуемой путем пеленгации фазового центра волн двумя пунктами с диаграммами направленности антенн в двух взаимно-ортогональных плоскостях на каждом пункте.

Технический результат достигается тем, что способ измерений ионосферных предвестников землетрясений включает регистрацию волн плотности электронной концентрации зондируемого слоя ионосферы на частоте ниже критической в виде дискретных цифровых отсчетов сигналов во взаимно ортогональных плоскостях A_x(t), A_y(t) в двух, разнесенных на измерительной базе пунктах посредством антенн, с диаграммами направленности каждого из пунктов в ортогональных плоскостях, оси симметрии диаграмм направленности антенн по координате (х) ориентируют по направлению базы, обработку зарегистрированных выборок измерений сигналов, расчет направляющих косинусов вектора волн плотности электронной концентрации каждого пункта:

отождествление координат гипоцентра очага как проекции точки пересечения направляющих на земную поверхность, по изменениям амплитуд выборок измерений на интервале Δt вычисляют постоянную времени Т сейсмического процесса как

рассчитывают время удара t_у=4,7T и ожидаемую магнитуду как

где А₀ - установившееся значение амплитуды сигнала предвестника, равное

Δt=(t₂-t₁)=(t₃-t₂) интервал времени между отсчетами измерений A₁, А₂, A₃.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - плотность электронной концентрации в слоях ионосферы;

фиг. 2 - суточный ход критической частоты (плотности электронной концентрации) в слое F₂ а) невозмущенном состоянии, б) возмущенном, накануне сейсмического удара;

фиг. 3 - пеленгация фазового центра волн плотности электронной концентрации двумя пунктами, разнесенными на измерительной базе;

фиг. 4 - функция изменения амплитуды регистрируемого сигнала во времени;

фиг. 5 - функциональная схема устройства, реализующего способ.

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. Накануне сейсмического удара в атмосфере происходит раскачка очага землетрясения [см., например, Патент Ru №2170446 кл. G.01.V, 9/00, 2001 г.] В приповерхностном слое атмосферы возникают акустолитосферные волны, которые, при их распространении вверх, служат «спусковым крючком» для возникновения плазменных волн электронной концентрации в слоях ионосферы. Исходная электронная концентрация N[1/m³] в слоях ионосферы иллюстрируется фиг. 1 [см., например, «Космонавтика», Энциклопедия, под ред. В.П. Глушко, М, Сов. энциклопедия, 1985 г., стр. 143]. Зарегистрированные в ряде экспериментов волны плотности электронной концентрации в ионосфере иллюстрируются графиками фиг. 2 [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов», Доклады конференции ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта, РАН, М, 1998 г., стр. 109]. За несколько часов до сейсмического удара, изменение критической частоты слоя F₂ из-за изменения плотности электронной концентрации может достигать 40…50%. Для измерения пространственных волн в ионосфере предлагается осуществлять ее зондирование с двух, разнесенных на измерительной базе, пунктов. Признаками предвестниками землетрясения являются: гипоцентр (координаты) очага, ожидаемое время сейсмического удара (t_y) и ожидаемая магнитуда (М).

Пеленгация фазового центра ионосферных волн иллюстрируется фиг. 3. Фазовый центр ионосферных волн находят как точку пересечения радиус-векторов. Положение радиус-векторов в пространстве полностью определяется косинус-направляющими. В прямоугольной системе координат, задаваемой ортогональными парами измерителей (13, 14), (15, 16), (17, 18), (19, 20) косинус-направляющая вектора равна отношению его проекции (Пр) на данную ось к длине вектора. Длины векторов R₁, R₂ фиг. 3 находятся как корень квадратный из суммы проекций:

Проекции радиус-векторов пропорциональны сигналам на входе приемников в ортогональных плоскостях х, у.

Кроме направления в пространстве, ионосферная волна характеризуется периодом (Т) и амплитудой A(t), которая изменяется во времени, фиг. 2. Из математики известно [см., например, Пискунов Н.С., «Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов», учебник т. 1, 5-е издание, М, Наука, 1964 г., стр. 457-458], что сама функция и скорость ее изменения связаны дифференциальным уравнением первого порядка, общим решением которого является экспонента. Экспоненциальная зависимость обладает тем свойством, что по трем ее дискретным отсчетам может быть восстановлена вся функция и определен предел А₀, к которому стремится экспонента:

Где A₁, А₂, А₃ - амплитуды сигналов в моменты измерений (отсчетов) соответственно t₁, t₂, t₃ В свою очередь, постоянную времени процесса Т определяют из соотношения:

Δt - интервал времени наблюдений между отсчетами A₁, А₂.

По постоянной времени переходного процесса прогнозируют характеристики ожидаемого сейсмического удара. Время удара - это интервал времени, за который амплитуда сигнала, с вероятностью близкой к единице, достигает установившегося значения А₀, для экспоненты t_уст=4,7T (с вероятностью 0,99). Магнитуду удара определяют из соотношения Гутенберга-Рихтера: [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов», Доклады конференции ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта, РАН, М, 1998 г., стр. 10, стр. 13].

Пример реализации способа

Заявленный способ может быть реализован по схеме фиг. 5. Функциональная схема фиг. 5 содержит два пункта измерителей 1, 2, разнесенных в пространстве на расстояние измерительной базы 3. На каждом из пунктов установлено по две антенны 4, 5 и 6, 7 с диаграммами направленности во взаимно ортогональных плоскостях, оси диаграмм направленности антенн 5, 7 ориентируют по направленности базы 3, с подключенными к антеннам приемниками 8, 9 и 10, 11 соответственно. Гетеродины приемников синхронизированы от единого передатчика 12, работающего в импульсном режиме, подключенного к антенне зондирования ионосферы 4. Выход каждого из приемников подключен к тракту обработки из последовательно включенных порогового устройства и аналогово-цифрового преобразователя соответственно (13, 14), (15, 16), (17, 18) и (19, 20). Все тракты обработки подключены к канальному коммутатору 21, имеющему выход на вход компьютера 22 обработки результатов измерений в составе элементов: процессора 23, оперативно-запоминающего устройства 24, винчестера 25, дисплея 26, принтера 27, клавиатуры 28. В компьютер закладывают программу обработки и программу синхронизации работы элементов измерителей, которую пересылают в программируемую схему выборки измерений 29. Результаты обработки выводят на сайт 30 сети Интернет для передачи потребителям.

Взаимодействие элементов устройства при прогнозировании землетрясений состоит в следующем. Известно «Явление раскачки очага землетрясения перед сейсмическим ударом», Научное открытие №365, 2008 г. [см., Потоцкий В.В., Бюллетень, Научные открытия, РАЕН, М, СПб, 2009 г., стр. 66-68].

Раскачка очага землетрясения сопровождается распространением от гипоцентра очага литосферных волн, которые через механизм передачи в виде акустических волн, возбуждают волны плотности электронной концентрации в ионосфере, как это иллюстрируется графиками фиг. 2.

Применительно к одной из возможных реализаций (фиг. 2, 4) установившееся значение сигнала А₀ (в шкале квантования 0…255 уровней) составило величину ~250. Значения A₁ и А₂ в интервале наблюдений Δt=t₂-t₁=8 час, соответствовали A₁=125, А₂=175. Откуда постоянная времени

Ожидаемое время удара t_y=4,7T=70 час = 2,9 суток.

Ожидаемая магнитуда удара М≈7,1 балла

Направляющие косинусы гипоцентра очага землетрясения (фиг. 3) для первого пункта α=44°, для второго пункта β=62°.

Все элементы устройства представляют существующие технические разработки и средства аналогов. В устройстве использованы новые, по отношению к аналогам, элементы измерительной аппаратуры фирмы Bruel & Kjair, ENDEVCO (Дания) следующих моделей: канальный коммутатор, пороговое устройство, аналогово-цифровой преобразователь - многофункциональный блок, модель 3560-L. «Антенна для зондирования ионосферы», Патент Ru №2504054, 2014 г., широкополосная, работающая во всей полосе критических частот ионосферы, из двух, скрещенных в ортогональных плоскостях ромбов, подвешенных на опорной мачте из композитного материала, высотой 32 м, создающей геометрию главной диагонали ромбов, работающих в режиме бегущей волны.

Эффективность способа характеризуется высокой чувствительностью, поскольку отраженный сигнал собирается с большой площади зондируемого участка ионосферы и, соответственно, увеличением интервала времени упреждающего прогноза сейсмического удара.