СПОСОБ ПРЕДСКАЗАНИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 2003 года по МПК G01V9/00 

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

Предсказание замлетрясений базируется на анализе различных геофизических полей, изменяющих свои характеристики в потенциальном поле механических напряжений очага. Одним из чувствительных электродинамических датчиков литосферных аномалий является ионосфера Земли (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). Проявления сейсмической активности в литосфере сопровождается протеканием различных процессов в околоземной плазме, таких как вариации электронной плотности в слоях ионосферы над эпицентральной областью, низкочастотные всплески шумовых излучений в диапазоне 0,01-1 кГц, распространение акусто-гравитационных волн. Поскольку события в литосфере и ионосфере происходят синхронно, основой взаимодействия литосферы с ионосферой считают механизм электромагнитной резонансной связи (см., например, В.А. Липеровский, О. А. Похотелов, С.П. Шалимов "Ионосферные предвестники землетрясений", Наука, М., 1992 г., стр. 109, 127-129, 138).

Известен способ предсказания землетрясений, см. патент РФ 2120647, кл. G 01 V 9/00, 1998 г. - аналог.

В способе-аналоге проводят зондирование ионосферы электромагнитными волнами от СВЧ-генератора в режиме затягивания частоты на длине волны больше Дебаевского радиуса экранирования в плазме, сканируют лучом диаграммы направленности участок ионосферы над контролируемым районом, получают радиоизображение участка ионосферы путем частотного детектирования сигнала автогенератора каждого элемента сканирования, формируют из них кадр М(х,у) зависимости сигнала от пространственных координат, выделяют модулирующую функцию предвестника путем Фурье преобразования матрицы М(х,у), вычисляют параметры преобразования в виде энергетического спектра, интервала автокорреляции и по их изменению от кадра к кадру, времени существования судят о магнитуде и времени ожидаемого землетрясения.

Недостатками аналога являются:
- необходимость непрерывного, активного зондирования ионосферы в течение всего периода прогнозирования, что связано с дополнительными энергозатратами,
- косвенность измерений признака-предвестника в виде восстановления огибающей пространственного спектра по совокупности зарегистрированных отсчетов методом Фурье-преобразования,
- информационная ограниченность способа из-за низкого (десятки км/пиксель) пространственного разрешения изображения на волнах зондирования.

Ближайшим по технической сущности аналогом с заявляемым является способ предсказания землетрясений, патент РФ 2170446, кл. G 01 V 9/00, 2001 г.

В способе ближайшего аналога регистрируют приемными станциями космической навигационной системы появление сверхнизких литосферных волн, генерируемых очагом непосредственно перед толчком, вычисляют гипотетический центр очага как точку пересечения в пространстве радиус-векторов приемных станций, направляющие косинусов которых cosα, cosβ, cosγ рассчитывают через отношение отклонения Δ_i соответствующей координаты размещения станций к длине вектора а магнитуду М и время удара t_x определяют по регрессионным зависимостям

где Т₀ - период регистрируемых литосферных волн;
d, l - коэффициенты регрессии;
d_ekr - натуральный логарифм отношения амплитуд отклонений соответствующей координаты двух смежных периодов.

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести:
- возможность ошибок в определении расчетных параметров из-за маскировки волн очага периодическими приливными волнами большой амплитуды Луны и Солнца;
- задержка в обнаружении признака-предвестника, вызванная конечной скоростью распространения литосферных волн от очага до точки регистрации;
- ограниченная точность наземных станций GРS - измерений (пороговая чувствительность несколько см), не позволяющая зафиксировать скрытый (пороговой чувствительностью) начальный участок раскачки очага перед предстоящим землетрясением и, как следствие, сокращение времени заблаговременного оповещения населения.

Задача, решаемая заявляемым способом, заключается в оперативном обнаружении и регистрации всего волнового процесса, возникающего в околоземной плазме накануне землетрясения путем размещения измерителя на носителе непосредственно в слое возмущенного ионосферного образования и движения носителя со скоростью, превышающей скорость распространения волнового процесса в ионосфере на порядок.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе предсказания землетрясений, при котором 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 А( 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 доплеровская 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.

Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - изолинии электронной плотности ионосферы над очагом землетрясения в статическом состоянии;
фиг.2 - одна из возможных реализаций регистрограмм измеряемого волнового процесса в ионосфере;
фиг.3 - расчетная схема определения проекции гипоцентра очага на ионосферу;
фиг.4 - функциональная схема устройства, реализующая способ.

Вновь введенные операции, образующие совокупность существенных признаков, обеспечивают достижение таких качественных свойств способа, как:
- большой пространственный размах обнаружения возмущений ионосферы за счет движения носителя с периодичностью обзора любого участка возмущения не более 1,5 ч;
- возможность регистрации всего возмущенного участка за укороченное время, поскольку скорость движения носителя на порядок превосходит скорость распространения волнового процесса;
- устойчивость результата прогнозирования за счет формирования выборки из независимых регистрограмм измерений восходящих и нисходящих витков от нескольких КА.

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. В статическом состоянии над очагом землетрясения в ионосфере образуются неоднородности электронной плотности в виде двух полюсов с перепадом плотности в полюсах до 20%. Вид неоднородности ионосферы над очагом в виде изолиний электронной плотности иллюстрируется фиг.1. Накануне землетрясения, за 7-12 ч до удара, в литосфере происходит раскачка очага, сопровождаемая распространением от очага сверхнизких литосферных волн (см. ближайший аналог, патент РФ 2170446, кл. G 01 V 9/00, 2001 г.). Вследствие резонансной электромагнитной связи литосферы и ионосферы над очагом электромагнитный "диполь" неоднородности электронной плотности возбуждает в ионосфере пространственные волны плазменных колебаний, синфазно с раскачкой очага литосферы. Возникающий волновой процесс в ионосфере иллюстрируется графиком регистрограммы фиг.2. Ионосферные волны существуют как во времени, так и в пространстве. Для измерения пространственных волн в ионосфере предлагается размещать измеритель на космическом аппарате, высота орбиты которого соответствует высоте устойчивого ионосферного образования, например высоте слоя F. В качестве первичного датчика-преобразователя электронной плотности ионосферы в электрический сигнал использовать оболочку космического аппарата, выполненную в виде сферического конденсатора. За счет оседания зарядов на внешней оболочке такого конденсатора, при движении КА в слое ионосферного образования со скоростью V= 8 км/с, конденсатор будет заряжаться. При электронной плотности Ne=(2... 8)10¹¹ ед/м³ и преобладании в составе ионосферы слоя F атомных ионов (0⁺) (см., например, "Космонавтика", Энциклопедия под редакцией В.П.Глушко, из-во Сов. энциклопедия, М., 1985 г., стр. 142-143) потенциал заряда U конденсатора (С) определится из равенства кинетической энергии движения иона и потенциальной энергии выталкивания этого иона из электрического поля:
q•U=mV²/2,
где q - заряд иона 1,6•10^-19 Кл, m - масса иона 0⁺, 16•1,62•10^-27 кг, V - скорость движения, 8•10³м/с. Откуда потенциал внешней оболочки КА, U≅8,3 В.

Время накопления заряда рассчитывают из соотношения
СU=q=Ne•πR²•V•t•1,6•10^-19 Кл,
где πR² - площадь сечения сферы КА радиусом R, м.

Емкость конденсатора определяют из соотношения, см., например, "Справочник по радиоэлектронике" под редакцией А.А. Куликовского, т.2, из-во "Энергия", М., 1968 г., стр. 460)

где S - площадь обкладки, d - расстояние между обкладками, ε- диэлектрическая проницаемость среды.

Расчетная емкость сферы КА как конденсатора составляет единицы мкФ. Заданную емкость обеспечивают конструктивными размерами оболочки КА.

Чтобы напряжение конденсатора синфазно изменялось в соответствии с вариациями электронной плотности ионосферы, необходимо обеспечить требуемое быстродействие датчика-преобразователя. Быстродействие определяется постоянной времени τ цепочки RС на входе тракта измерений (по схеме фиг.4). При темпе измерений ~10 изм/с и емкости С единицы мкФ входное сопротивление R измерительного тракта (фиг.4) должно составлять единицы кОм.

Скорость (v) акустических волн в ионосфере определяется параметрами плазмы и для слоя F с преобладанием ионов 0⁺ и температурой плазмы (Т^o) 1000К зимой и 2000К летом составляет (см., например, Г.А. Зисман, О.М. Тодес "Курс общей физики", ч.1, Физ-матгиз, Наука, М., 1964 г., стр.304, а также "Космонавтика", Энциклопедия, под редакцией В.П. Глушко, из-во Сов. энциклопедия, М., 1985 г., стр. 143):

Скорость космического аппарата на высоте слоя F составляет V=8,2 км/с или на порядок выше скорости распространения волнового процесса в ионосфере. Пронизывая с космической скоростью ионосферу, весь волновой процесс, охвативший ионосферу, наблюдают как бы одномоментно.

Несколько раз обгоняя пространственную волну, измеритель, размещенный на КА, позволяет зарегистрировать весь процесс на одном проходе КА за укороченный интервал времени.

Вследствие доплеровского эффекта (см., например, "Теоретические основы радиолокации", под редакцией В.Е. Дулевича, Сов. радио, М., 1964 г., стр. 639) пространственный период (L) регистрируемых волн будет укорачиваться или удлиняться в зависимости от соотношения направлений движения волнового фронта и регистратора. При движении навстречу волне регистрируемая частота F возрастает:

а при движении регистратора вдогонку волне уменьшается:

где Т₀ - собственный период регистрируемого волнового процесса;
V_r - радиальная скорость движения регистратора относительно фазового центра волнового процесса,
v - скорость распространения волнового процесса в ионосфере, Для симметричных относительно траверзы полуволн регистрограммы получено, что отношение пространственных периодов регистрируемого процесса составит

а их разность

где λ_o ==T₀•v.

Откуда
Таким образом, собственный период волнового процесса, возникающего в ионосфере, может быть вычислен по одной регистрограмме, независимо от того, под каким углом пересекает трасса КА участок возмущения ионосферы над очагом.

Поскольку регистрограмма представляется цифровой функцией дискретных отсчетов с постоянной частотой дискретизации (темп измерений - const), то вычисление периода Т₀ является элементарной задачей. Численный расчет периода Т₀ по регистрограмме представлен ниже, в примере реализации.

Предсказать землетрясение - это значит определить гипоцентр очага, магнитуду и время ожидаемого удара. Проекция гипоцентра очага на ионосферу рассчитывается как точка пересечения траверз восходящих и нисходящих витков орбит КА. Поскольку восходящие и нисходящие витки орбит КА над заданным районом пересекаются, то и перпендикуляры к ним (траверзы) также пересекаются в одной точке, что однозначно указывает на гипоцентр очага. Траверзы к регистрограммам восстанавливают в точках, где доплеровская частота регистрируемого процесса равна нулю. Расчетная схема определения проекции гипоцентра очага на ионосферу иллюстрируется фиг.3. На фиг.3 представлены пространственные волны, распространяющиеся от фазового центра, трассы восходящего и нисходящего витков и соответствующие им участки регистрограмм с восстановленными траверзами в точках, где F_допл=0. Поскольку КА обращаются по строго детерминированным орбитам, то положение каждого витка с участком измерений регистрограмм известно по координатам. Точка на регистрограмме, где доплеровская частота равна нулю, определяется либо визуально, либо аналитически путем деления всего интервала регистрограммы полуволнами в пропорции L₂/L₁, начиная с концов регистрограммы. Экспресс-прогноз очага землетрясения осуществляют по карте путем наложения на карту трасс восходящих и нисходящих витков и восстановления траверз к ним в расчетных точках, где F_допл=0. Магнитуду землетрясения и время удара прогнозируют по регрессионным зависимостям способа ближайшего аналога. Расчет представлен в примере реализации.

Пример реализации способа.

Заявляемый способ может быть реализован на базе устройства по схеме фиг. 4. Функциональная схема устройства фиг.4 содержит группировку низкоорбитальных КА I, управляемую из Центра управления полетом (ЦУП) 2 по командной радиолинии управления 3 путем выдачи разовых команд либо суточных программ, закладываемым по радиолинии 3 в Бортовой комплекс управления (БКУ) 4. Суточная программа содержит время (либо координаты) включения режима измерений над запланированными районами земного шара. Для преобразования плазменных колебаний, распространяющихся в ионосфере накануне удара, используют внешнюю оболочку КА, выполненную в виде сферического конденсатора 5. Конденсатор 5 и входное сопротивление R6 образуют цепочку RC, напряжение на которой изменяется синфазно с изменением электронной плотности ионосферы. Напряжение с R6 подается на вход аналогово-цифрового преобразователя 7 с шагом квантования сигнала по амплитуде 1/256. Результаты измерений в виде цифрового потока данных вместе со служебной информацией от БКУ 4 (время измерений, координаты участка, признак измерителя) записываются в бортовое запоминающее устройство 8 (БЗУ типа "Нива"). Накопленная в БЗУ 8 информация в сеансах связи сбрасывается радиотелеметрической системой 9 (типа БИТС-2) по автономной радиолинии 10 на наземные пункты приема 11, где записывается на магнитофон (типа "Арктур"). С наземных пунктов приема 11 информация через ЦУП 2 перегоняется в Центр мониторинга землетрясений 12, где ведется архив данных измерений 13, выполненный на базе стриммеров (типа FT-120). Обработка результатов измерений, расчет характеристик ожидаемого удара осуществляется посредством ПЭВМ 14 (типа CYN) со стандартным набором элементов: процессора 15, оперативного запоминающего устройства 16, винчестера 17, дисплея 18, принтера 19, клавиатуры 20. Результаты обработки регистрограмм по заявленным операциям способа выводятся на сайт 21 сети "Интернет".

Все элементы устройства, реализующего способ, могут быть выполнены на стандартных, серийно выпускаемых в космической отрасли промышленности и находящихся в штатной эксплуатации космических системах изделиях. Аналогово-цифровой преобразователь 7 выполнен также на базе стандартных интегральных плат, совместимых с контроллерами ПЭВМ 14, например на плате типа ЛА-20 (см. Якубовский Б. и др. "Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы", "Справочник", М. , Радио и связь, 1990 г.). Экспресс-анализ регистрограмм осуществляют в следующей последовательности. Переданные с борта регистрограммы оперативно распечатывают на принтере ПЭВМ. В случае визуального обнаружения волнового процесса совмещают регистрограмму (по временным меткам) с соответствующим участком орбиты КА на карте региона. По соотношениям, приведенным выше, вычисляют период зарегистрированного процесса. Для регистрограммы графика фиг.2 эти соотношения составили L₁=360 с;
L₂=450 с; L₂/L₁=1,22; ΔL=L₂-L₁=90 с;
Т₀=11300 с; ΔL=90 с х 8,2 км/с=740 км
Деля интервал регистрограммы, начиная с концов полуволнами в пропорции L₂/L₁, находят точку, где F_допл=0, как это показано на графике фиг.3. В этой точке на карте восстанавливают перпендикуляры к трассам витков, точку пересечения которых отождествляют с гипоцентром очага. При расчетном периоде Т прогнозируемые параметры землетрясения составят


от момента возникновения колебательного процесса.

Эффективность способа характеризуется такими качественными показателями, как оперативность, достоверность, устойчивость краткосрочного прогноза. Способ может быть реализован на орбитальных группировках КА, находящихся в штатной эксплуатации, как дополнительная функция к решаемым функциональным задачам без существенных экономических затрат.

Использование: радиофизика, в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений. Сущность изобретения: для измерения пространственных волн в ионосфере предлагается размещать измеритель на космическом аппарате. В качестве первичного датчика - преобразователя электронной плотности ионосферы в электрический сигнал использовать оболочку космического аппарата, выполненную в виде сферического конденсатора. Несколько раз обгоняя пространственную волну, измеритель, размещенный на космическом аппарате, позволяет зарегистрировать весь процесс на одном проходе космического аппарата за укороченный интервал времени. Экспресс-прогноз очага землетрясения осуществляют по карте путем наложения на карту трасс восходящих и нисходящих витков и восстановления траверз к ним в расчетных точках. Технический результат: повышение оперативности, достоверности и устойчивости краткосрочного прогноза. 4 ил.

Способ предсказания землетрясений, при котором 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, отличающийся тем, что получают серию регистрограмм дискретных отсчетов А(L_i) электростатического потенциала внешней поверхности космических аппаратов при их полете по орбитам L_i непосредственно через область ионосферного образования, фазовый центр волнового процесса находят как точку пересечения траверз восходящих и нисходящих витков космических аппаратов, проведенных к участкам регистрограмм, где доплеровская частота измеряемого процесса равна нулю, отождествляют эту точку с проекцией гипоцентра очага на ионосферу, вычисляют период Т_о (ч), магнитуду М и время ожидаемого удара t_x из соотношений



где ΔL= L₂-L₁ - разница между пространственными периодами двух симметричных относительно траверзы полуволн регистрограмм;
отношение пространственных периодов двух симметричных относительно траверзы полуволн регистрограмм;
v - скорость акустических волн в ионосфере;
V_r - радиальная скорость движения измерителя относительно фазового центра волнового процесса;
d, l - коэффициенты регрессии;
d_ekr - натуральный логарифм отношения амплитуд отклонений соответствующей координаты двух смежных периодов.