СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА И ВРЕМЕНИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ С БОРТА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 1995 года по МПК G01V9/00 

Изобретение касается космических физико-технических исследований и может быть использовано для прогноза сейсмической активности Земли.

Проблема предсказания землетрясений имеет многовековую историю. Традиционные сейсмические, геофизические и тектономагнитные исследования возможности прогноза землетрясений проводятся во многих странах мира уже десятки лет. Однако эта проблема далека от своего решения. Случаи успешного прогноза исчисляются единицами. Поэтому актуальна разработка новых способов прогноза землетрясений, в том числе и космическими методами.

Первые наблюдения предвестников землетрясений на космических аппаратах были проведены около 10 лет назад. На спутниках "Интеркосмос-19", "ОГО-6", "Ореол-3" были обнаружены явления резкого повышения интенсивности низкочастотных электромагнитных излучений (0,1-16 кГц) за несколько часов до землетрясений при пролете спутника в некоторой области, лежащей вблизи эпицентра землетрясения. Аналогичные явления наблюдались на ИСЗ "Геос-1" и "Геос-2", на которых находилась аппаратура, регистрирующая ОНЧ-излучение (60-7500 Гц). Проводились синхронные наблюдения на спутниках и на наземной станции на острове Кергелен. Всплески ЭМИ отмечались за несколько десятков минут до нескольких исследованных землетрясений, эпицентры которых были расположены вблизи силовой линии геомагнитного поля, проходящего через остров Кергелен.

На ИСЗ "Интеркосмос-Болгария-1300" за десятки минут до землетрясения были зарегистрированы вариации квазистатического электрического поля (0,1-8 Гц) в двух зонах: над очагом и в магнитосопряженной точке.

На ряде ИСЗ проводились измерения ионного и нейтрального состава ионосферы, плотности и температуры нейтронов и положительных ионов, энергетического состава фотоэлектронов, потоков заряженных частиц с энергией до 25 кэВ [1] В ряде случаев были обнаружены изменения в концентрации плазмы над очагами готовящихся землетрясений. Формировался локальный провал в концентрации плазмы, доходящий до 20%
При обработке экспериментальных данных от прибора "Мария" со спутника "Интеркосмос-Болгария-1300" было обнаружено 11 резких флуктуаций в темпах счета, 5 из которых произошли в отсутствие геомагнитных возмущений и сопровождались через 2,5-3,0 ч землетрясениями. Спектрометр "Мария" зарегистрировал 11 более чем десятикратных возрастаний интенсивности частиц с энергией более нескольких десятков МэВ, около 80% которых составляли протоны. Аппаратура "Мария" установлена также на ОК "Миp".

Анализируя указанные способы предсказания землетрясений, можно сделать вывод, что все работы данного направления в настоящее время требуют дальнейшего экспериментального подтверждения и развития в плане возможности их практического применения.

Так, способы, основанные на регистрации заряженных частиц, подвержены сильному влиянию различных факторов, не связанных с подготовкой землетрясений (солнечная активность и т.п.). Кроме того, при регистрации заряженных частиц в околоземном космическом пространстве практически невозможно определить направление на источник их возникновения, что исключает возможность определения места предстоящего землетрясения, так как используемый детектор дает только интенсивность заряженных частиц в данной точке.

Из всего многообразия способов контроля готовящегося землетрясения наиболее отработанным можно назвать способ, выбранный авторами за прототип, и заключающийся в регистрации ОНЧ-излучения аппаратурой КА [2] Данный способ основывается на наличии так называемого "тримпи-эффекта", суть которого заключается в том, что за несколько часов до землетрясения в результате появляющихся в коре напряжений генерируется мощное ОНЧ-излучение с частотами порядка 20 кГц. Возникающее излучение регистрируется за несколько часов до землетрясения при пролетах спутника в некоторой области, вытянутой вдоль параллели и лежащей над эпицентром землетрясения.

Недостатки данного способа связаны с трудностями локализации места предполагаемого землетрясения и с сильным воздействием на приемник ОНЧ-излучения различных помех, в том числе и от самого КА.

В предлагаемом изобретении увеличивается надежность предсказания землетрясения и появляется возможность распознать зону готовящегося землетрясения.

Предлагаемый способ, так же как и прототип, включает регистрацию ОНЧ-излучения аппаратурой КА. При этом в предлагаемом способе дополнительно сканируют с борта КА ультрафиолетовом диапазоне участки подстилающей земной поверхности. В момент превышения ОНЧ-излучения фонового уровня регистрируют в верхней атмосфере спектр УФ-излучения, вызванного взаимодействием с атмосферой потоков электронов, вылетающих из внутреннего радиационного пояса под воздейстием ОНЧ-излучения, и по возбуждению молекул О, О₂, О₃, NO, N, N₂ идентифицируют зону готовящегося землетрясения.

Новые отличительные действия предлагаемого изобретения позволяют увеличить надежность прогноза землетрясения и дают возможность распознать зону готовящегося землетрясения.

Достигается это следующим образом.

Во время поглощения в относительно плотных слоях атмосферы электроны тратят энергию в основном на ионизацию атомов и молекул газовых составляющих воздуха на данных высотах (О, О₂, О₃, NO, N, N₂). В то же время большая часть энергии идет на возбуждение этих же составляющих с высвечиванием в ультрафиолетовой области спектра 130-250 нм. Этот эффект известен и широко используется, например, в сцинтилляционных счетчиках излучения.

Можно принять, что на высвечивание фотонов в указанном спектральном диапазоне расходуется 0,3% энергии фотона, т.е. порядка 100 эВ. Энергия фотона соответствует примерно 10 эВ, т.е. каждый электрон рождает 10 фотонов.

Поток электронов составляет 0,1 эрг/см² ˙ с или 2˙ 10⁶ электронов/см² в области с характерными размерами порядка 100 км вокруг эпицентра готовящегося землетрясения. Следовательно, светимость такой области составляет
Е 2˙ 10⁶ ˙ 10˙ (10⁷)² 2˙ 10²¹ фотонов/с.

На орбите спутника высотой 300 км поток будет составлять порядка 10⁵ фотонов/см²с.

Преимуществами наблюдений в далеком ультрафиолетовом диапазоне являются во-первых, тот факт, что земная атмосфера черная (фон очень мал) между линиями излучения, и, во-вторых, что за исключением линии водорода отсутствует перенос излучения с дневной стороны на ночную, т.е. и излучение в линиях на ночной стороне относительно мало. Так, в линиях кислорода и окиси азота ночной фон составляет порядка 100 рэлей, или 10⁸ фотонов/см²˙ с, или 10²² фотонов/с, что приводит к потоку на высоте в 300 км, равному 10⁶ фотонов/см²˙ с.

Если ультрафиолетовый детектор с полем зрения в 30^о пролетает над областью с повышенным свечением, то на высоте 300 км время пролета составляет около 10 с. За это время при площади детектора в 1 см² (с включением сюда всех факторов эффективности регистрации) от фона будет накоплено 10⁷ имп. а от исследуемого района превышение в 10⁶ имп. что существенно превышает возможную ошибку измерений.

Целесообразно использование для мониторинга верхней атмосферы Земли и прогноза землетрясений ультрафиолетовых приборов, установленных на геосинхронных объектах.

Излучение в линиях ультрафиолетового диапазона на дневной стороне Земли достигает величин порядка 10 Крэлей, что соответствует накоплению 10⁹ имп, за указанное время интегрирования. При этом также превышение этого значения на величину в 10⁶ имп, соответствует 30 стандартным статистическим отклонениям и легко различимо (в данном случае ограничения накладываются большой скоростью счета на фотокатоде используемого приемника, но эти ограничения непринципиальны).

Таким образом, при использовании данного способа, дающего изображение подстилающей поверхности в ультрафиолетовом диапазоне, распознается зона готовящегося землетрясения.

Кроме того, в этом случае повышается надежность прогноза землетрясения с борта КА.

Предлагаемый способ обладает наибольшей надежностью, поскольку в УФ-диапазоне в выделенных линиях картина выглядит более контрастно по сравнению с другими диапазонами спектра, так как УФ-линии наиболее узкие и возможно в этом случае применение более узкополосных фильтров.

На фиг.1 показано положение КА до зоны готовящегося землетрясения (поз. 1), над зоной готовящегося землетрясения (поз.2) и после нее (поз.3); на фиг. 2 изображены интенсивности излучения в зависимости от длины волны λ для точек 1-3, показанных на фиг.1.

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью известных средств. Для регистрации ОНЧ-излучения может использоваться приемный ОНЧ-комплекс, включающий в свой состав:
трехкомпонентные ОНЧ-детекторы магнитного поля (типа МДП-3);
шестикомпонентный приемник-анализатор (типа АНЧ-6);
приемник ОНЧ-сигналов, измеряющий амплитуду и фазу СДВ радиопередатчиков (типа ПОНЧ-6);
микропроцессор анализатор (типа МА-2).

В качестве КА могут использоваться существующие орбитальные комплексы типа ОК "Мир", перспективные комплексы типа УКП, выводимые на геостационарные орбиты, и другие аппараты.

Для сканирования с борта КА участков земной поверхности могут использоваться системы управления типа "Дельта", "Чайка", устанавливаемые на ОС "Салют", ОК "Мир" и других КА.

Для регистрации УФ-излучения может использоваться аппаратура, описанная в книге Е.И.Москаленко, либо УФ-аппаратура, установка которой планируется на ОК "Мир", а также радиотелеметрическая система типа БР9ЦУ.

Для идентификации зоны готовящегося землетрясения по параметрам УФ-излучения подстилающей поверхности может использоваться информация от РТС БР9ЦУ и вычислитель.

Таким образом, реализовать предлагаемый способ можно полностью с помощью известных средств.

Использование: для повышения точности определения местоположения эпицентра землетрясения. Сущность изобретения: регистрируют с борта космического аппарата низкочастотное электромагнитное излучение, в момент превышения его интенсивности фонового уровня дополнительно сканируют с борта космического аппарата участки подстилающей земной поверхности в ультрафиолетовом диапазоне спектра и по наличию и размерам участка земной поверхности, характеризующегося интенсивностью УФ-излучения с длиной волны 130-250 нм, статистически достоверно превышающей фоновые значения, уточняют местоположение эпицентра землетрясения. 2 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА И ВРЕМЕНИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ С БОРТА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА, включающий регистрацию низкочастотного электромагнитного излучения и суждение по превышению интенсивностью излучения фонового уровня о времени и местоположении эпицентра землетрясения, отличающийся тем, что в момент превышения интенсивностью низкочастотного излучения фонового уровня дополнительно сканируют с борта космического аппарата участки подстилающей земной поверхности в ультрафиолетовом диапазоне спектра и по наличию и размерам участка земной поверхности, характеризующегося интенсивностью УФ-излучения с длиной волны 130 250 нм, статистически достоверно превышающей фоновые значения, уточняют местоположение эпицентра землетрячения.