ГЛОБАЛЬНАЯ СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТИ ПРЕДСТОЯЩЕГО ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к сейсмологии, в частности к наземно-космическим cредствам мониторинга природных сред, и может быть применено в национальных системах геофизического контроля для прогнозирования землетрясений.

Землетрясения были и остаются наиболее трудно предсказуемыми природными катастрофами, связанными с массовой гибелью людей и большими разрушениями инфраструктуры. Одной из причин такого состояния является отсутствие постоянно действующей и развитой глобальной системы измерения устойчивых признаков - предвестников грядущих землетрясений. Космические системы открывают возможности непрерывного оперативного наблюдения за сейсмоопасными регионами планеты.

Установлено, что в области подготовки грядущего землетрясения, размеры которой на поверхности Земли достигают 100... 150 км в диаметре, имеют место аномалии различных геофизических полей [см., например, "Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов". Доклады конференции. Объединенный Институт Физики Земли им. О.Ю.Шмидта, РАН, М., 1998 г., стр. 27].

Эти аномалии проявляются во всех средах: литосфере, атмосфере, ионосфере и магнитосфере Земли.

Атмосферные аномалии сопровождаются рядом визуально наблюдаемых эффектов: свечением, возникновением серебристых облаков и др. В частности, установлено появление над разломами за 4-10 суток до удара так называемых линейных облачных аномалий (ЛОА).

ЛОА представляют собой протяженные гряды высокой облачности на фоне безоблачного пространства со временем существования десятки часов. В зонах тектонической активности наблюдается увеличение количества ЛОА, группирующихся в окрестностях эпицентра накануне ожидаемого землетрясения.

Известен "Способ определения тектонической активности территории в реальном масштабе времени" путем отслеживания ЛОА [см., например, Давлат патент идорости, Расмий акбортиома 1994 г., №3 (5) с.115, Государственный фонд республики Узбекистан, 11-284, 51-5, G.01.V 9/00, 21-IHDP, 940.03-16.(22) от 26.04.1994 г. - аналог], а также [Морозова Л.И. "Динамика облачных аномалий над разломами в периоды природной и наведенной сейсмичности", статья в журнале "Физика Земли", РАН, №9, 1997 г., стр. 94-96 - аналог].

Способ-аналог предусматривает получение и обработку космических снимков Земли, выделение на снимках областей и степени тектонической активности по превышению количества ЛОА над среднемесячными фоновыми значениями, определение скорости распространения тектонического напряжения в земной коре по расстоянию между ЛОА на двух последовательных снимках.

Недостатками аналога являются:

- малая достоверность, обусловленная принятием решения по одному из отслеживаемых, а не по совокупности возникающих признаков - предвестников;

- субъективность анализа визуально наблюдаемых явлений, спорадичность появления ЛОА и нестационарность фонового уровня;

- отсутствие количественного расчета наблюдаемых факторов.

Более достоверный результат прогнозирования возможен путем программной обработки изображений областей подготовки грядущих землетрясений, получаемых в различных диапазонах электромагнитного спектра.

Ближайшим аналогом по технической сущности к заявляемой системе является "Способ обнаружения очагов землетрясений". Патент RU №2181495, G 01 V 9/00, 2002 г.

В способе ближайшего аналога осуществляют регистрацию собственного излучения подстилающей поверхности в двух взаимно ортогональных по поляризации плоскостях в виде зависимости амплитуды I (х, у) от пространственных координат, формируют результирующую матрицу изображения из попиксельных отношений амплитуд сигнала в двух взаимно ортогональных по поляризации каналах приема, выделяют контуры на результирующем изображении, вычисляют функцию фрактальной размерности изображения внутри выделенных контуров, фиксируют очаг землетрясения при совпадении фрактальной размерности участка текущего контура с эталонным либо при отклонении на величину не более пороговой.

Устройство, реализующее способ ближайшего аналога, содержит научно-исследовательский модуль, состыкованный с орбитальной станцией, на котором установлен блок сканирующих СВЧ-радиометров, осуществляющих прием восходящего СВЧ-излучения с вертикальной и горизонтальной поляризациями. Включение радиометров в режим измерений осуществляется по командам, передаваемым из ЦУПа по командной радиолинии управления. Выходы радиометров подключены к АЦП квантования сигнала по амплитуде в шкале 0... 256 уровней.

Результаты измерений в виде цифрового потока данных записываются на бортовой видеомагнитофон и в сеансах видимости станции с наземных пунктов передаются по телеметрической радиолинии и наземным каналам связи в Центр мониторинга МЧС.

Скомпонованные файлы измерительной информации по операциям способа ближайшего аналога подвергаются обработке на ПЭВМ в стандартном наборе элементов: процессора - вычислителя, оперативного ЗУ, винчестера, принтера, дисплея, клавиатуры. При этом комплект программ специализированного математического обеспечения типа ER MAPPER предварительно записывают на винчестер.

Идентификацию очага осуществляют программным вычислением коэффициентов фрактальной размерности фрагментов изображения внутри выделенных контуров.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- недостаточная достоверность идентификации очага, поскольку используется один признак (фрактальная размерность изображения), а несовокупность признаков - предвестников;

- невысокое пространственное разрешение СВЧ-радиометров, десятки км/пиксел, что соизмеримо с размерами области очага и, как следствие, статистическая неустойчивость результата вычисления расчетного признака;

- отсутствие количественной оценки вероятности землетрясения обнаруженного очага.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, состоит в обеспечении достоверного прогноза землетрясения путем предварительного выделения ЛОА на снимках облачного покрова Земли с последующей съемкой (по целеуказаниям) потенциальных областей подготовки грядущих землетрясений (выделенных ЛОА) в оптическом диапазоне (с высоким пространственным разрешением, единицы метров на пиксель) и детальным количественным анализом получаемых изображений.

Поставленная задача решается тем, что глобальная система определения вероятности предстоящего землетрясения, содержащая космические средства получения снимков облачного покрова Земли и выделения на них линейных облачных аномалий (ЛОА), средства получения изображений подстилающей поверхности по двум взаимно ортогональным по поляризации сигнала каналам приема и их программной обработки, дополнительно средства ортогональных по поляризации сигнала каналов приема выполнены для регистрации отраженного светового потока в сине-фиолетовой части видимого диапазона над выделенными ЛОА, для программной обработки используют фрагменты формируемого синтезированного изображения каналов приема между просветами ЛОА над эпицентральной областью, а вероятность землетрясения определяют по расчетной функции нормального закона зависимости вероятности землетрясения от соотношения длин модулей ширины автокорреляционной функции эталонного фрагмента изображения и взаимной корреляционной функции эталонного и текущего фрагмента изображения анализируемой области.

Изобретение поясняется чертежами, где

фиг.1 - функциональна схема глобальной системы;

фиг.2 - космический снимок облачного покрова с выделенной областью ЛОА;

фиг.3 - изображение той же ЛОА в поляризационных каналах сине-фиолетовой части видимого диапазона;

фиг.4 - функция взаимной корреляции фрагментов изображений эпицентральной области эталонной и текущей ЛОА;

фиг.5 - расчетная функция вероятности землетрясения от соотношения длин модулей ширины корреляционных функций.

Функциональная схема глобальной системы фиг.1 содержит орбитальные спутники наблюдения 1 типа NOAA, США с установленными на них сканирующими радиометрами 2 типа AVHRR, осуществляющими прием восходящего ИК-излучения в полосе сканирования 3.

Зарегистрированный радиометром сигнал с сопутствующей информацией (время приема, эфемериды) в режиме открытого доступа принимается наземными пунктами приема 4 (разнесенными по зонам Хабаровск, Красноярск, Москва... ), где записывается на видеомагнитофон 5 типа "Арктур".

По согласованному протоколу обмена данными (или запросам потребителей) информация в виде кадров перекачивается в центр Мониторинга МЧС 6, где организуется архив снимков облачного покрова 7 (на базе стриммеров типа FT-120).

Обзорный анализ снимков облачного покрова Земли и выделение по визуальным признакам ЛОА проводят на ПЭВМ8 в стандартном наборе элементов: процессора - вычислителя 9, оперативного ЗУ 10, винчестера 11, дисплея 12, принтера 13, клавиатуры 14.

Выделенные для детального анализа снимки ЛОА помещают в базу данных и выводят на сайт сети "Интернет 15". По каналу связи 16 сети "Интернет" оперативные снимки ЛОА вместе с координатами через Центр управления полетом (ЦУП) 17 перегоняют на борт Международной космической станции (МКС) 18. Дополнительно по оперативным каналам связи (19) космонавтам МКС дублируется задание на повторную съемку ЛОА по выданным целеуказаниям.

Повторную съемку выделенных ЛОА осуществляют в сине-фиолетовой части спектра видимого диапазона оптическими средствами высокого пространственного разрешения по двум каналам 20, 21, взаимно ортогональным по поляризации и соосным относительно объекта съемки. Изображения записываются на бортовой видеомагнитофон 22 и оперативно через спутник ретранслятор 23, наземный центр ретрансляции сообщений 24, ЦУП МКС 17 передают в Центр мониторинга МЧС 6.

Для приема излучения по ортогональным поляризациям используются поляризационные фильтры, надеваемые на объективы оптических средств каналов (20, 21).

В Центре мониторинга МЧС 6 формируют результирующую матрицу изображения из изображений, полученных в ортогональных каналах приема 20, 21 проводят программную обработку фрагментов изображений между просветами ЛОА на ПЭВМ 8, создают базу эталонных фрагментов 25 и рассчитывают функцию вероятности землетрясения в зависимости от соотношения числовых характеристик эталонных фрагментов изображений и фрагмента текущей ЛОА.

Динамика работы системы и взаимодействия элементов состоит в следующем.

Накануне землетрясения, в области механических напряжений зоны подготавливаемого землетрясения, происходит активная эманация ионов различных газов в атмосферу. Непрерывное поступление ионов образует нескомпенсированный электрический заряд в атмосфере, приводящий к возникновению купола электростатического поля над эпицентральной областью напряженностью порядка нескольких кВ/м.

Сопутствующим явлением является возникновение линейных облачных аномалий над зоной подготавливаемого землетрясения. Из классической физики известно, что системы, предоставленные сами себе, стремятся занять положение с минимальной энергией. Возникающие ЛОА "скатываются" с "купола" максимальной напряженности электростатического поля и группируются в его окрестностях, в то время как ни одна ЛОА не проходит непосредственно через эпицентр ожидаемого землетрясения. Характерный узор рисунка облачного образования оказывается достаточным, чтобы возникающие ЛОА можно было выделить по визуальным признакам на снимках облачного покрова Земли, получаемых путем сканирования с орбиты КА радиометрами в ИК-диапазоне. Снимок ЛОА, полученный радиометром AVHRR КА NOAA (США), иллюстрируется рисунком фиг.2. Однако достоверность прогноза землетрясений только по характерным ЛОА не превышает 60%, а объявление ложной тревоги приводит к ненужной панике среди населения и существенным материальным затратам. Достоверность предсказания землетрясений можно существенно повысить, если при прогнозе использовать совокупность измеряемых признаков-предвестников.

Накопление потенциальной энергии механических напряжений в области очага сопряжено с протеканием других процессов: изменением величины порового давления воды, образованием трещин, возникновением сколов, форшоков. Лабораторными экспериментами установлено, что на поверхности сколов пород образуются электростатические поля с плотностями зарядов в отдельных областях сколов 10^-4...^{10-2 Кл/м2. В результате, в растущих трещинах зоны подготовки землетрясения возникает сильное электрическое поле Е с напряженностью 108...109 В/м, сопровождаемое протеканием интенсивных электроразрядных процессов. Часть молекул воды свободно занимает поровое пространство, другая часть молекул воды находится в химической связи с веществом породы. Под действием повышенного давления, между породой и жидкостью, электрокинетические моменты могут достигать величины ≈ 2000 мВ/бар. Разность потенциалов в продольном слое трещин оценивают величиной порядка 10... 100 кВ. Величина (Е) на поверхности зависит от глубины очага, типа породы, геологического состояния, размера зоны подготовки землетрясения. Возникновение электростатического поля вдоль разломов в земной коре и атмосфере приводит к поляризации молекул воды в приповерхностном слое и атмосфере. Диэлектрическая проницаемость (ε ) вещества на макроуровне зависит от поверхностной плоскости (σ ) наведенных поляризацией зарядов.}

Молекула воды H₂O обладает постоянным нескомпенсированным дипольным моментом. Электрический дипольный момент единицы объема веществ с молекулами воды: Р≅ α _э·_{N· Е, где α э - коэффициент электронной поляризуемости молекул; N - число частиц в единице объема; Е - величина электрической напряженности внешнего поля. Между поляризуемостью молекул и диэлектрической проницаемостью (ε ) вещества существует зависимость}

где α _и - коэффициент ионной поляризуемости; М_др. - дипольный момент молекул; kT⁰ - тепловая энергия молекул.

В оптическом диапазоне, на границе раздела двух сред, с коэффициентами преломления n₁, n₂, происходит отражение светового потока. Коэффициент отражения:

К_отр=(n₂-n₁)²/(n₂+n₁)²

Коэффициент отражения является функцией коэффициента преломления, зависящего от первичных параметров среды , где ε - диэлектрическая проницаемость, μ - магнитная проницаемость.

Для всех веществ магнитная проницаемость в оптической части спектра μ ≅ 1, поэтому коэффициент преломления практически равен

Согласно классическим представлениям [см., "Преломление света", Физический энциклопедический словарь, под редакцией А.М.Прохорова, Изд-во Сов. Энциклопед., М., 1983 г., с.168] электроны и атомы вещества под действием световой волны совершают вынужденные колебания. Наличие собственной частоты атомов и молекул приводит к зависимости коэффициента преломления n как от концентрации вторичных излучателей в веществе, так и от соотношения длин волн подающего светового потока и собственного излучения вибраторов:

где N₁ - концентрация в веществе вибраторов i-го сорта; е - заряд электрона; m₁ - масса вибратора i-го сорта; λ _0i - собственная длина волны излучения вибратора i-го сорта; λ - текущая длина волны падающего светового потока.

Чем больше величина электростатического поля Е над разломом в земной коре, тем выше поверхностная плотность зарядов, наведенных поляризацией молекул воды, тем больше диэлектрическая проницаемость среды ε . В результате вторичного переизлучения падающего светового потока дипольно ориентированными молекулами воды наблюдается существенное изменение альбедо поверхности над очагом землетрясения. Причем, если длина волны падающего светового потока приближается к длине диполей молекул воды, что имеет место в сине-фиолетовой части видимого диапазона, то коэффициент преломления n₂ дополнительно возрастает.

Резонансное переизлучение света дипольно-ориентированными молекулами воды приводит к поляризации волн отраженного светового потока. Это означает, что альбедо поверхности очага землетрясения по величине и направлению в пространстве пропорционально величине электростатического поля и направлению электрических силовых линий этого поля.

При приеме таких сигналов по двум взаимно ортогональным по поляризации каналам разница в поляризации сигналов преобразуется в разницу амплитуд пикселей идентичных участков изображений в этих каналах. Для подчеркивания контраста синтезированного изображения и восстановления истинного направления поляризации принимаемого сигнала осуществляют попиксельное совмещение получаемых изображений в ортогональных по поляризации каналах приема с вычислением результирующего модуля амплитуды сигнала в каждой точке пространства из соотношения: Изображение той же ЛОА (фиг.2), полученной путем синтезирования изображений в поляризационных каналах сине-фиолетовой части видимого диапазона, иллюстрируется рисунком фиг.3.

Вычисление модуля результирующей амплитуды сигнала при попиксильном совмещении изображений осуществляют стандартной процедурой программного расчета [см., например, "Векторизация элементов матрица", MATH САД 7.0., PLUS, издан. 3-е стереотипное, информ. Издат. Дом. Филинъ, М., 1998 г., с.211].

В обработку включают фрагменты изображений между просветами ЛОА на снимке, поскольку именно они содержат информацию о степени модуляции отраженного от поверхности очага светового потока возникающим электростатическим полем.

Следующей задачей анализа является количественная оценка степени модуляции отраженного светового потока возникающим электростатическим полем над куполом очага путем сравнения с эталоном. За эталонный сигнал принимается сигнал фрагмента изображения, имевший место над эпицентральной частью за несколько часов до состоявшегося землетрясения. Базу эталонных сигналов создают апостериорным анализом снимков областей ЛОА по всем состоявшимися землетрясениям, полученных накануне удара.

Степень подобия двух сигналов оценивают функцией взаимной корреляции [см., например, Заездный А.М. "Основы расчетов по статической радиотехнике". Связь издат., М., 1969 г., с.91-97]. По определению, функцию взаимной корреляции В(I, I_э) текущего сигнала I(х, у) и эталонного сигнала I_э(х, у) вычисляют как

mxn – размер анализируемого фрагмента изображения, m – число строк, n – число столбцов.

Вид функции взаимной корреляции матриц изображений, полученных программным расчетом на ПЭВМ, иллюстрируется рисунком фиг.4. Как отмечалось выше, за 4-10 суток до землетрясения наблюдается повышенная концентрация ЛОА относительно фонового уровня. Увеличение тектонического напряжения в земной коре приводит к росту напряженности электрического поля над эпицентральной областью очага, и как следствие, изменению альбедо и поляризации отраженного светового потока от участка к участку по пространству очага.

Таким образом, накануне удара, изменяется скорость флюктуации регистрируемого сигнала. Изменение скорости флюктуации сигнала изменяет ширину расчетной функции взаимной корреляции. За ширину функции корреляции принимают интервал значений параметра на уровне ~0,5 В max. Для двумерной функции корреляции это длина модуля где r_ox, r_oy - интервалы корреляции по координатам х, у.

Наиболее быстро флюктуирует регистрируемый сигнал накануне землетрясения. По степени пологости или остроты функции автокорреляции сигнала можно судить о вероятности удара. В качестве параметра функции вероятности землетрясения F(ρ ₀/ρ ) служит отношение длин модулей ρ ₀/ρ , где ρ ₀ - длина модуля ширины функции автокорреляции эталонного сигнала изображения I_э (х, у) ρ - длина модуля ширины функции взаимной корреляции текущего и эталонного сигналов изображений.

В соответствии с Центральной предельной теоремой теории вероятностей П.Л.Чебышева [см., например, Г.Корн, Т.Корн "Справочник по математике для научных работников и инженеров", Из-во, Наука, М., 1970 г., с.506-507] поведение системы, зависящей от множества факторов, подчиняется нормальному закону. Для нормального закона построен график фиг.5 - зависимости вероятности землетрясения от величины расчетных параметров.

По статистике наблюдений "вспарывание" очага землетрясений происходит при длине модуля ширины эталонной автокорреляционной функции фрагмента изображения над эпицентральной областью порядка ρ ₀≈_{5... 7 км. Вычисляя величину модуля (ρ ) ширины функции взаимной корреляции эталонного и текущего фрагментов изображений, прогнозируют вероятность землетрясения по графику фиг.5.}

Заявляемая система обеспечивает глобальность, оперативность и достоверность прогноза, поскольку в основе опирается на несколько одновременно соответствующих признаков-предвестников: возникновение ЛОА, возникновение купола электростатического поля, изменение поляризации и альбедо отраженного от поверхности очага светового потока.

Изобретение может быть использовано в сейсмологии, дистанционном зондировании Земли, в национальных системах геофизического контроля для прогнозирования землетрясений. Согласно заявленному изобретению космическими средствами получают изображения облачного покрова Земли в ИК-диапазоне. Выделяют на них линейные облачные аномалии (ЛОА) средствами МКС по целеуказаниям. Регистрируют отраженный световой поток над ЛОА по двум взаимно ортогональным по поляризации каналам приема. Формируют синтезированную матрицу изображения и вычисляют ее числовые характеристики. По расчетным характеристикам прогнозируют вероятность землетрясения. Технический результат: повышение достоверности предсказания вероятности землетрясения. 5 ил.

Глобальная система определения вероятности предстоящего землетрясения, содержащая космические средства получения снимков облачного покрова Земли и выделения на них линейных облачных аномалий, средства получения изображений подстилающей поверхности по двум взаимно ортогональным по поляризации сигнала каналам приема и их программной обработки, отличающаяся тем, что средства ортогональных по поляризации сигнала каналов приема выполнены для регистрации отраженного светового потока в сине-фиолетовой части видимого диапазона над выделенными линейными облачными аномалиями, для программной обработки используют фрагменты формируемого синтезированного изображения каналов приема между просветами линейных облачных аномалий над эпицентральной областью, а вероятность землетрясения определяют по расчетной функции нормального закона зависимости вероятности землетрясения от соотношения длин модулей ширины автокорреляционной функции эталонного фрагмента изображения и взаимной корреляционной функции эталонного и текущего фрагмента изображений анализируемой области.