СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01V3/12 

Изобретение относится к радиофизике и может быть использовано при космическом мониторинге природных сред в национальных системах сейсмического контроля.

Установлено, что одним из наиболее достоверных и высокочувствительных признаков-предвестников подготовки разрушительных, с магнитудой М>5,5 баллов, землетрясений являются сейсмоионосферные аномалии. Они проявляются в изменении плотности электронной концентрации n_e [I/м³] слоев ионосферы на десятки процентов, захватывают области вблизи эпицентральной части грядущего землетрясения порядка 15° по широте и 20... 30° по долготе.

Для обнаружения областей ионосферных аномалий используют метод многочастотного просвечивания ионосферы путем определения критических частот ионосферных слоев и получения так называемых ионограмм (см., например, "Космонавтика", энциклопедия под редакцией В.П.Глушко, "Советская энциклопедия", М., 1985 г., стр.141, рис.1, ионозонд, ионограмма - аналог, а также "Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов", сборник. Доклады конференции ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, РАН, М., 1997 г., стр.111-112, Метод многочастотного радиопросвечивания ионосферы - аналог). В способе-аналоге зондируют ионосферу радиоимпульсами декаметрового диапазона с дискретно-изменяющейся несущей частотой, излучаемыми передатчиком, установленным на борту космического аппарата с высотой орбиты порядка 1000 км, осуществляют синхронную перестройку гетеродина приемника по закону изменения несущей частоты зондирующих импульсов, отслеживают изменение критической частоты слоя F2 (действующей высоты слоя F2 по трассе орбиты космического аппарата КА) в пространстве и времени. Способ позволяет достоверно выявить области ионосферных аномалий, но не дает ответа на вопрос об эпицентре, магнитуде и времени предстоящего удара. Скрытую информацию о характеристиках предстоящего удара содержат регистрограммы получаемых при зондировании функций сигнала, отраженного от слоев ионосферы.

Ближайшим аналогом по технической сущности к заявляемому является "Способ предсказания землетрясений" (патент РФ №2120647, кл. G01V, 3/12, 9/00, 1998 г.). Способ ближайшего аналога включает сканирование ионосферы лучом диаграммы направленности антенны СВЧ-генератора в режиме автомодуляции генерируемых колебаний отраженным сигналом на длине волны, больше Дебаевского радиуса экранирования в плазме, выделение модулирующей функции путем частотного детектирования сигнала и ее дискретизации по амплитуде и времени, формирование матрицы цифровых отсчетов модулирующей функции от пространственных координат М(х,у) для каждого цикла сканирования, вычисление энергетического спектра и автокорреляционной функции сигнала предвестника, отслеживание их изменения от кадра к кадру, прогноз магнитуды и времени ожидаемого землетрясения по времени существования и параметрам сигнала предвестника.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- трудность реализации, связанная с необходимостью зондирования с поверхности Земли ионосферной аномалии, координаты которой до землетрясения неизвестны, создание же сплошной сети сканирующих устройств по всей территории Земли экономически не выгодно;

- способ не устанавливает аналитической зависимости между параметрами регистрируемого сигнала и всеми характеристиками предстоящего удара.

Задача, решаемая заявляемым способом, заключается в количественной оценке характеристик прогнозируемого землетрясения: магнитуды, эпицентра, времени удара по числовым характеристикам сигнала измеряемой ионосферной аномалии.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе прогнозирования параметров землетрясения, включающем зондирование ионосферы зондами, установленными на группировке космических аппаратов, получение регистрограмм изменений критической частоты слоя F2 по трассе полета космических аппаратов, прогнозирование параметров землетрясения, одновременно регистрируют изменение критической частоты по двум координатам: по трассе полета f_кр (L) и по высоте f_кp (Н), рассчитывают результирующую турбулентность Д плотности электронной концентрации слоя как сумму дисперсий турбулентностей по координатам: , отслеживают изменение Д по серии измерений на последовательных витках, вычисляют время удара t и магнитуду М из соотношений:

lg t_y [сут]=0,54М-3,37,

определяют координаты проекции гипоцентра очага на ионосферу как точку пересечения радиус-векторов, направляющие косинусы которых вычисляют через их проекции на восходящих и нисходящих витках орбит из соотношений:

где Δ t=t₂-t₁ - интервал времени между двумя последовательными измерениями на витках;

Д₀ - турбулентность ионосферного слоя в момент удара;

Д₁, Д₂ - турбулентность ионосферного слоя в моменты измерений t₁, t₂;

Д_в, Д_н - турбулентность ионосферного слоя в двух взаимно-ортогональных плоскостях измерений на восходящем и нисходящем витках орбит КА.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - изменение критической частоты слоя F2:

а) невозмущенном, б) сейсмически возмущенном состоянии способа-аналога;

фиг.2 - зарегистрированные функции критической частоты слоя F2 способов-аналогов: а) при зондировании с Земли, б) при зондировании с КА (I - обыкновенная волна, 2 - необыкновенная волна);

фиг.3 - решение дифференциального уравнения для функции турбулентности электронной концентрации ионосферной аномалии накануне удара;

фиг.4 - определение гипоцентра проекции очага на ионосферу как точки пересечения радиус-векторов переноса энергии плазменными волнами в ортогональных плоскостях нисходящих и восходящих витков орбит КА;

фиг.5 - функциональная схема устройства, реализующая способ.

Вновь введенные операции, образующие совокупность существенных признаков, обеспечивают достижение таких качественных свойств способа, как:

- устойчивость идентификации сейсмоионосферной аномалии благодаря расчету фазового центра плазменных волн, отождествляемых с проекцией гипоцентра очага;

- достоверность прогноза благодаря количественной оценке параметров грядущего землетрясения с возможностью упреждающего оповещения населения о предстоящем ударе.

Техническая сущность способа состоит в следующем. За несколько суток до удара, в ионосфере, над эпицентральной областью очага, образуются статические неоднородности электронной концентрации в виде полюсов "min" и "max", достигающие ≈ 20% от нормального, фонового уровня (см. аналог, стр.31). Накануне удара, в литосфере происходит раскачка очага землетрясения, сопровождаемая распространением от него сверхнизких литосферных волн нарастающей амплитуды. Наклон касательных к нарастающей амплитуде раскачки очага связан с магнитудой предстоящего удара. Чем меньше наклон касательных, тем больше время существования признака-предвестника, тем больше ожидаемая магнитуда землетрясения (см. патент РФ №2170446, кл. G01V, 9/00, 2001 г. "Способ предсказания землетрясений"). Возникающие в приповерхностном слое атмосферы акусто-литосферные волны при их распространении вверх служат "спусковым крючком", затравкой для возникновения плазменных волн электронной концентрации в слоях ионосферы.

Нарастающая амплитуда волн раскачки очага приводит к возрастанию турбулентности электронной концентрации слоев ионосферы. Установлено, что непосредственно вблизи эпицентра готовящегося землетрясения за несколько часов до удара, изменения критической частоты слоя F2 могут достигать 40... 50% (см. аналог, стр.91-92, 157). Критическая частота слоя определяется плотностью электронной концентрации n_е [I/м³]. Хотя связь сейсмоионосферных аномалий с характеристиками ожидаемого землетрясения носит нелинейный характер, тем не менее с различной степенью достоверности можно утверждать о корреляционной зависимости параметров аномалии: пространственной протяженности, турбулентности, направления распространения плазменных волн с характеристиками ожидаемого удара: местом, временем, магнитудой.

На фиг.1 иллюстрируется изменение критической частоты слоя F2 сейсмоионосферной аномалии накануне удара (в виде плазменных волн), имевших место в способе-аналоге (см. аналог, стр.91-92).

На фиг.2 воспроизведены реализации измерений критической частоты слоев ионосферы f_кр ^(н):

a) при зондировании с Земли ионосферной станцией, б) при зондировании посредством ионозонда, установленного на космическом аппарате (см. аналог, стр.141). По совокупности реализаций регистрограмм f_кр(L ) и f_кр(Н), получаемых при зондировании ионосферы посредством ионозонда, вычисляют дисперсию измеряемого процесса. По физическому смыслу дисперсия процесса представляет собой мощность переменной составляющей. Результирующая мощность процесса равна сумме мощностей составляющих по координатам L, Н:

Таким образом, количественной характеристикой турбулентности ионосферы служит дисперсия плотности электронной концентрации слоя F2. Нарастающая раскачка очага землетрясения в литосфере сопровождается возрастающей турбулентностью ионосферы. Функция изменения турбулентности ионосферы во времени накануне удара представлена графиком фиг.3. Эту функцию получают, отслеживая динамику изменения f_кр обнаруженной аномалии по серии последовательных измерений на витках орбиты КА. Из математики известно (см., например, Н.С.Пискунов "Дифференциальное и интегральное исчисления", учебник для ВТУЗов, 5-е издание, М., Наука, 1964 г., стр.458), что общим решением линейного дифференциального уравнения первой степени служит экспонента. Начальными условиями для экспоненты являются постоянная времени Т и установившееся значение Д. Поскольку "вспарывание" очага в литосфере определяется динамическим напором колебательной массы, равным произведению максимальной амплитуды литосферной волны на круговую частоту (ω ), величина практически постоянная для различных землетрясений, то и турбулентность ионосферы Д₀, при которой происходит удар, следует считать "const". Из свойств экспоненты следует, что t₂-t₁=Tln h₁/h₂;

где h₁, h₂ (см. фиг.3) - значения экспоненты в серии двух последовательных во времени t₁, t₂ измерений. Разница в магнитуде ожидаемых ударов проявляется в разности постоянных экспоненты Т₁, Т₂, если М₂>М₁, то Т₂>Т₁. Время существования признака-предвестника от момента появления плазменных волн до установившегося значения максимальной турбулентности Д_о отождествляют со временем ожидаемого удара. С доверительной вероятностью 0,99 (из свойств экспоненты)

где Δ t=t₂-t₁ - интервал времени между двумя последовательными измерениями со значениями турбулентности ионосферы и . В соответствии с зависимостью Гутенберга-Рихтера время существования признака-предвестника определяет магнитуду ожидаемого удара (см. аналог, стр.10)

t_y (сут)=0,54 М-3,37.

Поскольку сейсмоионосферная аномалия отличается большими размерами, тыс. км, актуальна задача определения гипотетического центра проекции очага на ионосферу. Положение гипоцентра определяют как точку пересечения двух радиус-векторов в прямоугольной системе координат. За систему координат принимают две взаимно-ортогональные плоскости (L, Н) восходящего и нисходящего витков орбит КА. За радиус-вектор принимают направление переноса энергии плазменными волнами в ионосфере относительно фазового центра возбуждения этих волн. Положение радиус-вектора определяется его проекциями на оси координат, для которых справедливо: cos²α^{+cos2β+cos2γ=1. Направление переноса энергии пространственной волной перпендикулярно фазовому фронту в любой точке. Проекции полного вектора переноса энергии волной в каждой из ортогональных плоскостей вычисляют как:}

Длина полного вектора равна сумме квадратов из его проекций:

Откуда направляющие косинусов полного вектора переноса энергии плазменными волнами соответственно составят:

На фиг.4 представлена графическая иллюстрация изложенного метода определения проекции гипоцентра очага на ионосферу.

Пример реализации способа

Заявленный способ может быть реализован по схеме фиг.5. Функциональная схема устройства фиг.5 содержит орбитальную группировку 1 космических аппаратов 2 (типа "Вулкан") с установленными на каждом из них ионозондами 3 (типа "ИС-388"), осуществляющими зондирование ионосферы в полосе 4. Полоса зондирования 4 обеспечивается движением КА 2 по орбите. Включение ионозонда 3 над заданным районом наблюдения осуществляется по программе или по разовым командам, передаваемым из Центра управления системой 5 по радиолинии управления 6 в бортовой комплекс управления 7. Получаемые выборки измерений функций f_кр (L) и f_кр (H) записываются в бортовой магнитофон 8 и в сеансах видимости КА 2 с наземных пунктов приема информации 9 по автономной телеметрической радиолинии 10 передается в аналитический центр 11. Обработку полученной информации по операциям заявленного способа осуществляют на персональной ЭВМ 12 в стандартном наборе элементов: процессора-вычислителя 13, оперативного ЗУ 14, винчестера 15, дисплея 16, принтера 17, клавиатуры 18. Результаты обработки в виде идентифицированных сейсмоионосферных аномалий и расчетные параметры ожидаемого удара помещают в Базу данных 19 и выводят на сервер 20 сети "Интернет" 21.

Эффективность способа характеризуется такими показателями, как достоверность, устойчивость, оперативность, документальность. Если записанную информацию серии измерений f_кр (L) и f_кр (Н) воспроизводить со скоростью распространения плазменных волн в ионосфере, то нарастающую турбулентность ионосферы можно наблюдать на экране ПЭВМ визуально. Реализация способа обеспечит глобальность обнаружения очагов и прогнозирование параметров ожидаемых ударов.

Использование: при космическом мониторинге природных сред. Сущность изобретения: зондами, установленными на группировке космических аппаратов, регистрируют изменение критической частоты по двум координатам: по трассе полета и по высоте. Рассчитывают результирующую турбулентность Д плотности электронной концентрации как сумму дисперсий турбулентностей по координатам. Отслеживают изменение Д по серии измерений на последовательных витках и вычисляют время удара и магнитуду. Определяют координаты проекции гипоцентра очага на ионосферу как точку пересечения радиус-векторов, направляющие косинусы которых вычисляют через их проекции на восходящих и нисходящих витках орбит. 5 ил.

Способ прогнозирования параметров землетрясения, включающий зондирование ионосферы зондами, установленными на группировку космических аппаратов, получение регистрограмм измерений критической частоты слоя F2 по трассе полета космических аппаратов и ее отклонений во времени, прогнозирование параметров землетрясения, отличающийся тем, что одновременно регистрируют изменение критической частоты по двум координатам: по трассе полета f_кр (L) и по высоте f_кp (Н), рассчитывают результирующую турбулентность Д плотности электронной концентрации слоя как сумму дисперсий турбулентностей по координатам: , отслеживают изменение Д по серии измерений на последовательных витках, вычисляют время удара t_y и магнитуду М из соотношений

lgt_y [сут]=0,54М-3,37,

определяют координаты проекции гипоцентра очага на ионосферу как точку пересечения радиус-векторов, направляющие косинусы которых вычисляют через их проекции на восходящих и нисходящих витках орбит из соотношений

где Δt=t₂-t₁ - интервал времени между двумя последовательными измерениями на витках;

Д₀ - турбулентность ионосферного слоя в момент удара;

Д₁, Д₂ - турбулентность ионосферного слоя в моменты измерений t₁, t₂;

Д_в, Д_н - турбулентность ионосферного слоя в двух взаимно-ортогональных плоскостях измерений на восходящем и нисходящем витках орбит космического аппарата;

σ_Lв, σ_нв - дисперсии турбулентностей по координатам на восходящем витке орбиты космического аппарата;

σ_lн, σ_нн- дисперсии турбулентностей по координатам на нисходящем витке орбиты космического аппарата.