СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КАТАСТРОФ, ВЫЗЫВАЕМЫХ НАКОПЛЕНИЕМ ЭНЕРГИИ В СФЕРАХ ЗЕМЛИ Российский патент 1997 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к геофизике, реализуется космическими средствами и может быть применено для прогноза катастрофических явлений, обусловленных накоплением энергии в литосфере, атмосфере и гидросфере Земли, например, землетрясений, ураганов и т.п.

В настоящее время хорошо известны методы экологического мониторинга Земли и в том числе методы гидрометеорологического прогноза, реализуемые с помощью космических средств и основанные на длительном наблюдении за параметрами атмосферы в различных точках земной поверхности и статистической обработке получаемых результатов (см. например, Селиванов А.С. Тучин Ю.М. "Радиотелевизионный комплекс спутников "Метеор" для исследования природных ресурсов Земли", в сб."Исследование Земли из космоса", 1986, N 5, с.28-34).

Недостатком этих методов является низкая точность прогноза.

В настоящее время достаточно глубоко проработаны методы долгосрочного прогноза сейсмоопасных районов на землетрясения, являющиеся наиболее опасным видом катастрофических явлений в литосфере. Эти методы опираются на систематическое накопление и обработку данных сейсмических пунктов, и носят вероятностный характер. Ряд этих методов рассмотрен в сборнике "Физические основания поисков методов прогноза землетрясений" (М. Наука, 1970). Однако эти методы используют преимущественно локальную информацию, не имеющую однозначной связи с контролируемым явлением. Поэтому прогноз, сформированный с их применением, характеризуется высоким уровнем ложных тревог и пропусками сигналов-предвестников. В целом точность прогноза невысока. Поэтому использование результатов такого прогноза в практической деятельности может привести к значительным экономическим потерям.

В последнее время получил распространение способ прогнозирования катастроф, выбранный авторами в качестве прототипа, основанный на измерении электромагнитных или корпускулярных излучений (электронной концентрации, ионизированных образований и т.п.) с помощью искусственных спутников Земли и выявления аномалий этих параметров, превышающих заданный порог, на высотах до нескольких сот км (см. например, Липеровский В.А. Похотелов О.А. Шалимов С. Л. "Ионосферные предвестники землетрясений", Москва, "Наука", 1992, стр. 151-181). Достоверность получаемых с помощью этого способа сведений вследствие влияния многочисленных помех земного и космического происхождения невысока. Чрезмерно велика вероятность ложных тревог, что может привести к крупным экономическим потерям, например, из-за необходимости эвакуации населения. Кроме того, реализация этого способа требует оборудования каждого контролируемого региона специальными радиолокационными датчиками (радиус действия датчиков радиолокационного типа 500.1000 км), имеющими высокую стоимость и требующими постоянного обслуживания.

Технической задачей, решаемой данным изобретением, является повышение точности прогноза катастроф, прежде всего землетрясений.

Решение указанной технической задачи обеспечивается тем, что в известном способе, включающем измерение электромагнитных и корпускулярных излучений в околоземном космическом пространстве и выявление аномалий этих излучений, новым является то, что низкочастотные электромагнитные излучения и высыпание заряженных частиц измеряют на высотах, превышающих высоту D-области ионосферы (более 50.60 км), строят карты таких излучений в магнитной системе координат, путем статистической обработки построенных карт совместно с данными об активности Солнца и геофизических процессах формируют динамическую модель магнитосферы Земли, отражающую взаимосвязь напряженности электромагнитных полей и плотности потоков ионосферной плазмы для каждой точки пространства с активностью Солнца, непрерывно сравнивают вновь получаемые результаты измерений электромагнитных излучений и высыпаний частиц для каждой области пространства при текущих значениях активности Солнца, с динамической моделью, выявляют аномальные излучения, дисперсия которых относительно динамической модели магнитосферы выходит за заданные пределы, регистрируют время появления таких аномальных излучений, с учетом геофизических процессов, выделяют из них те, которые появляются в точках пространства, однозначно связанных в магнитной системе координат с одним и тем же участком земной поверхности, сопоставляют периодичность времени появления указанных аномалий, кратную суткам, с рядом целых чисел n > m >.> k > 0, и, при совпадении периодичностей, прогнозируют вероятность катастрофы этого типа в упомянутом районе земной поверхности в момент времени, соответствующий члену ряда "0".

Особенностью способа является то, что измерения ведут в диапазоне высот 10.40 тыс. км, т.к. согласно данным выполненных экспериментов именно в этом диапазоне достигается наибольшее значение отношений сигнал/шум при поиске областей пространства с аномальными изменениями напряженности поля и высыпаний частиц. В этом же диапазоне высот обеспечивается необходимая глобальность наблюдений. Высокоэллиптические орбиты являются предпочтительными, т. к. с них обеспечивается оптимальное использование ресурса системы, космические аппараты которой будут большую часть времени находиться над контролируемым регионом. Измерения могут вестись также и с круговых орбит. Еще одной особенностью способа является выбор членов ряда n, m,k, о в соответствии с типом контролируемых катастроф, например, для землетрясений экспериментально установленные члены этого ряда следующие: 9,7,3,2,1,0, но возможны и небольшие отклонения, так, например, как показали исследования, может исчезать член "1", а член 7 заменяться членом 8.

Использование данного способа позволяет получить исходные данные для прогноза моментов возникновения любых катастроф с лито, гидро и атмосфере, развитие которых сопровождается электромагнитными явлениями в ионосфере.

Физическая основа данного способа состоит в следующем. Если в литосфере (гидросфере, атмосфере) имеется область с аномально высокой концентрацией энергии, в которой происходят процессы, создающие нейтральные волны, например, акустические, не регистрируемые в нижних слоях атмосферы, но возбуждающие ионосферу, то в ионосфере создаются плазменные волны, вызывающие появление аномальных напряженностей электромагнитных полей в околоземном космическом пространстве, регистрируемых выше области "D", и способствующие высыпаниям заряженных частиц. Таким образом, выделение из аномальной области литосферы некоторых порций энергии, предваряющее катастрофу, сопровождается резким повышением напряженности электромагнитных полей вдоль трубки, опирающейся своим основанием на область с аномально высокой концентрацией энергии и совпадающей по направлению с силовыми линиями магнитного поля Земли. При этом ионосфера выполняет роль усилителя, механизм действия которого пока не изучен. Скачки напряженности существуют довольно долго (до полусуток), что упрощает их обнаружение.

На фиг. 1 иллюстрируется схема системы, реализующей способ; на фиг.2 - схема выявления региона, вызвавшего аномалию в магнитосфере Земли.

Способ прогнозирования катастроф осуществляется следующим образом.

На высотах, превышающих высоту D-области ионосферы Земли измеряют низкочастотные электромагнитные излучения в диапазоне 0,1.20000 Гц и высыпания заряженных частиц. Диапазоном этих высот может быть диапазон 10.40 тысяч км. При этом измерения могут производиться на ввысокоэллиптических орбитах, апогей которых в магнитной системе координат расположен над полушарием Земли, в котором находится контролируемый район.

Используя полученные данные, строят карты таких излучений в магнитной системе координат, при этом выявляют характерные для данной точки пространства значения напряженностей полей и количества заряженных частиц.

Далее строят динамическую модель магнитосферы Земли. При этом учитываются данные о параметрах солнечной и геофизической активности. Путем статистической обработки, например, методом регрессионного анализа, проводят обработку полученных выше карт с данными о солнечной и геофизической активности. При этом получают функциональную взаимосвязь напряженности электромагнитных полей и плотности потоков плазмы для каждой точки пространства с активностью Солнца. Запоминают и хранят полученную динамическую модель магнитосферы.

Продолжая проводить на тех же высотах измерения низкочастотных электромагнитных излучений в отмеченном диапазоне и высыпания заряженных частиц, проводят коррекцию динамической модели по вновь полученным данным.

Продолжая проведение измерений, сравнивают вновь получаемые данные для каждой точки пространства с динамической моделью и выявляют излучения, дисперсия которых выходит за заданные пределы. Определяют время появления аномалий, выделяют те из них, которые появляются в точках пространства, однозначно связанных в магнитной системе координат с одним и тем же участком земной поверхности. При этом производится накопление данных о времени появления тех из них, которые соответствуют одним и тем же участкам земной поверхности.

Далее сопоставляют периодичность времени появления указанных аномалий, кратную суткам, с рядом целых чисел n > m >.> k > 0, свойственным заданному типу катастроф.

При совпадении периодичности прогнозируют вероятность катастрофы этого типа в упомянутом районе земной поверхности в момент времени, соответствующем члену ряда 0, и осуществляют выдачу предупреждений. С целью прогноза землетрясений при выделении аномалий используют ряд 9, 7, 3, 2, 1, 0.

Предложение может быть реализовано системой, представленной на чертеже фиг.1. На космических аппаратах (КА) 1, размещенных выше "D"-области 2 ионосферы Земли 3, например, на высокоэллиптических орбитах, установлены датчики напряженности электромагнитных полей и количества заряженных частиц, например, электронов. На борту КА могут быть также размещены средства предварительной обработки информации, обеспечивающие низкочастотную фильтрацию поступающих сигналов и снижающие объем данных, подлежащих передаче. Бортовая аппаратура КА через спутники-ретрансляторы 4 космической системы связи соединены с наземным пунктом 5 приема информации, который в свою очередь связан с центром 6 обработки информации, где размещен вычислительный комплекс для формирования карт магнитосферы Земли, формирования и коррекции динамической модели магнитосферы Земли и сравнения с ней поступающих данных. С центром 6 также связана Государственная Служба Солнца 7, а также средства контроля геофизических процессов на Земле, прежде всего сейсмические станции 8 и т.п.

Космические аппараты системы, двигаясь по орбитам, непрерывно измеряют напряженности электромагнитных полей и регистрируют заряженные частицы. При этом для обязательной передачи на землю выделяются напряженности полей, спектры колебаний которых лежат в диапазоне 0,1.20000 Гц. После поступления полученных данных через систему космической связи в центр 6 обработки информации эти данные через координаты КА в момент их получения с использованием информации о состоянии магнитосферы, определяемом преимущественно активностью Солнца, преобразуются в карту магнитосферы Земли, представляемую в магнитной системе координат.

Первоначально, в период развертывания системы, полученные карты используются преимущественно для формирования динамической модели магнитосферы, которая, как уже отмечено выше, формируется путем накопления последовательно поступающих карт и их статистической обработки (определение математического ожидания и дисперсии напряженностей и числа частиц). Такой подход к формированию модели требует длительного накопления информации. Однако поскольку к настоящему времени накоплен большой объем данных о магнитосфере, формирование модели целесообразно вести с применением этих накопленных данных. В этом случае поступающие данные будут использоваться для контроля точности и коррекции формируемой модели. Такой подход позволит сократить время формирования работоспособной модели с многих лет до нескольких месяцев.

После того, как будет сформирована динамическая модель ионосферы, карты магнитосферы, формируемые по поступающим данным, сравниваются с динамической моделью. По результатам сравнения выделяются аномальные значения напряженностей и числа заряженных частиц. Критерием при этом служит превышение дисперсией полученных данных заданного порога (т.е. значения допустимой дисперсии, установленной для данной области пространства при текущих значениях солнечной активности). Эти значения запоминаются совместно с моментом получения аномальных данных и координатами аномальной области. При повторном прохождении КА через выявленную аномальную область и появлении аномальных сигналов проверяется соответствие последовательности появления этих сигналов упомянутым рядам. Если соответствия не наблюдается, данные исключаются из последующего контроля и используются для коррекции модели. Если же выявляется соответствие (сравнение целесообразно вести корреляционным способом, т.к. упомянутые ряды могут терять или приобретать отдельные члены либо вследствие особенностей наблюдаемого процесса, либо из-за наличия помех) какому-либо из рядов, то выдается предупреждающий сигнал. Этот сигнал может быть использован самостоятельно или же в сочетании с данными других систем, контролирующих геофизические параметры. В последнем случае будет достигнута высшая точность прогноза.

Для обеспечения своевременного обнаружения аномалий при размещении КА 1 на высокоэллиптических орбитах необходимо иметь в составе орбитальной группировки не менее 4.6 КА, что позволит наблюдать контролируемый регион с аномально большой концентрацией энергии 9 (см.фиг.2), который, как сказано выше, в магнитной системе координат связан с соответствующей ему аномальной областью магнитосферы 10 магнитной силовой трубкой 11, образованной силовыми линиями магнитного поля Земли, не менее 1.2 раз в сутки. Описанные выше явления проявляются вдоль всей трубки и поэтому для выявления аномалии КА должен пересечь трубку в любой ее части выше области "В".

Чем большее число КА будет входить в орбитальную группировку, тем точнее будут определяться координаты эпицентра будущей катастрофы (для 4.6 КА ошибка определения местоположения эпицентра будущей катастрофы составляет +160. 300 км) и тем точнее будет прогноз.

Реализуемость способа подтверждена рядом экспериментов, выполненных в 80-х начале 90-х годах и наблюдением за работой космических систем.

В 1970-80-х г.г. при работе ряда космических информационных систем как в СССР, так и в США наблюдались многочисленные сбои и отказы в работе бортовой радиоэлектронной аппаратуры КА. Первоначально эти события были поставлены в прямую зависимость от активности Солнца. Однако статистическая обработка накапливающихся данных показала, что таким образом объясняется не более 70% всех отказов и сбоев. Остальные 30% происходили при спокойном Солнце. Сопоставление моментов сбоев с процессами на Земле показало, что большая их часть связана с различными явлениями на поверхности Земли, особенно с землетрясениями, ядерными взрывами и т.п. Так перед Спитакским землетрясением (7 декабря 1988 г) наблюдались сбои в работе бортовой аппаратуры спутников, начиная с 28 ноября, причем образовался ряд 9, 8, 3, 2, 0, где каждое число ряда соответствует числу суток до главного удара землетрясения. После главного удара сбои продолжались, но уже в обратной последовательности. Эта последовательность достаточно точно выдерживалась и при других крупных землетрясениях, причем в указанном ряде часто появляется дополнительный член 1. Например, при землетрясениях в 1988-89 г.г. в Грузии, Таджикистане, Киргизии, вместо восьмых суток сбои могли происходить на седьмые сутки. В связи с обнаруженным явлением были проведены измерения некоторых параметров околоземного космического пространства. Наиболее интересные результаты были получены при измерениях напряженности электрического поля и потоков плазмы в точках, где наблюдалась наибольшая интенсивность поля и плотность потоков плазмы в этих аномальных точках возрастала в десятки раз, причем положение аномальных точек проецировалось в магнитной системе координат в точки земной поверхности, где находились будущие эпицентры землетрясений или иных катастроф, т.е. в точки с аномальной концентрацией энергии в литосфере (гидросфере, атмосфере). Необходимо отметить, что каждая из этих точек в геоцентрической системе координат была смещена относительно подспутниковой точки в момент регистрации аномалии в направлении, определяемом положением силовых линий магнитного поля Земли, на величину, связанную с вектором напряженности этого поля и высотой полета КА. Этот факт позволяет сделать предположение, что источником аномалий в найденных точках пространства являются потоки плазмы, распространяющиеся в магнитном поле Земли вдоль магнитных силовых трубок. В частности, при наблюдении аномалии, соответствующей Спитакскому землетрясению, космические аппараты, на которых отмечались сбои, находились на высоте 20.40 тыс. км над юго-западной частью Украины и Черным морем, а диаметр горизонтальной проекции области, в которой регистрировалась аномалия, составлял около 300.500 км.

Реализация данногоо способа позволит повысить точность прогнозов катастрофических явлений (момент с точностью до суток, местоположение эпицентра до +100.160 км). Если при этом будут использованы и данные локальных наземных систем, то точность определения местоположения будущего эпицентра возрастает еще более, что создает существенный экономический эффект, заключающийся в следующем. За 40 лет, прошедших с момента Ашхабадского землетрясения (1948 г.), на территории бывшего СССР погибло от землетрясений 150.200 тыс. человек, а прямые экономические потери составили около 40 млрд. долл. причем в последнее время они достигли 1,5.2 млрд. долл. в год. Общемировые потери были существенно выше. Точный прогноз момента и положения эпицентра землетрясения позволил бы свести к минимуму людские потери и в несколько раз снизить прямой материальный ущерб.

При этом вследствие повышения точности прогноза снизятся и материальные потери, вызываемые ложными тревогами, приводящими к неоправданной эвакуации людей и материальных ценностей.

Возможность дистанционного выявления сейсмически опасных районов и определения уровня их сейсмичности позволит более точно определять требования к строениям, сооружаемым в отдаленных районах, что также создает определенный экономический эффект за счет сокращения расходов на геофизическую разведку и оптимизации расходов на строительство.

Использование: в геофизике, для прогнозирования катастрофических явлений в сферах Земли, например, землетрясений. Сущность изобретения: контролируют электромагнитные и корпускулярные излучения на высотах, превышающих высоту D - области ионосферы Земли, выявляют аномальные значения этих излучений, сравнивают периодичность появления аномалий с экспериментально установленной числовой последовательностью и прогнозируют время катастрофы при совпадении последовательностей. Для реализации способа используют систему космических аппаратов на высокоэллиптических орбитах. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ прогнозирования катастроф, вызываемых накоплением энергии в земных сферах, включающий измерение электромагнитных излучений в околоземном космическом пространстве и выявление аномалий этих излучений, отличающийся тем, что измеряют низкочастотные электромагнитные излучения в диапазоне 0,1
20000,0Гц и высыпания заряженных частиц на высотах, превышающих высоту D - области ионосферы Земли, строят карты таких излучений в магнитной системе координат, путем статистической обработки этих карт совместно с данными о солнечной и геофизической активности формируют динамическую модель магнитосферы Земли, отражающую взаимосвязь напряженности электромагнитных полей и плотности потоков плазмы для каждой точки пространства с активностью Солнца, непрерывно сравнивают вновь получаемые данные для каждой точки пространства с сформированной динамической моделью, выявляют излучения, дисперсия которых выходит за заданные пределы, определют время появления выявленных аномалий, выделяют из них те, которые появляются в точках пространства, однозначно связанных в магнитной системе координат с одним и тем же участком земной поверхности, сопоставляют периодичность времени появления указанных аномалий, кратную суткам, с рядом целых чисел и при совпадении периодичностей прогнозируют вероятность катастрофы этого типа в упомянутом районе земной поверхности в момент времени, соответствующий члену ряда 0. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерения ведут в диапазоне высот 10 40 тыс. км. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем что измерения ведут с высокоэллиптических орбит, апогей которых в магнитной системе координат расположен над полушарием Земли, в котором находится контролируемый регион. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для прогноза землетрясения при выделении аномалий используют ряд 9, 7, 3, 2, 1, 0 или близкий к нему.