СПОСОБ КРАТКОСРОЧНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 2011 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к сейсмологии, в частности к космическим методам дистанционного мониторинга природных сред, и может найти применение при создании национальной системы контроля геофизических полей Земли для прогнозирования землетрясений.

Установлено, что первопричиной землетрясений является дегазация верхних слоев мантии Земли в виде восходящего под большим давлением потока газов: водорода, гелия, метана, радона, сопровождаемая накачкой земной коры дополнительной энергией. В соответствии с общефизическим принципом накачка любой системы дополнительной энергией приводит к возникновению колебательного процесса, в данном случае сверхнизкочастотных (10^-3) литосферных волн, распространяющихся от очага подготавливаемого землетрясения [см., например, Научное открытие, №365, 2008 г. «Явление раскачки очага землетрясения перед сейсмическим ударом»].

Эманация радона, период полураспада 3,81 суток, сопровождается γ-излучением, увеличением фонового уровня радиации над зоной подготавливаемого землетрясения, а также флуоресцентным свечением атмосферных газов. Эманация газов из земной коры изменяет и процентное соотношение между основными компонентами воздуха, азотом (78%) и кислородом (21%), создающим нормальное атмосферное давление.

Присутствие в воздухе дополнительного количества легких газов: водорода (Н₂), гелия (Не) при их концентрации в 1% понижает нормальное атмосферное давление на 5%.

Известен измеритель, одновременно измеряющий эти два предвестника: увеличение радиационного фона и концентрацию легких газов в атмосфере [см. Патент RU №2310894, 2007 г., «Измеритель предвестников землетрясений» - аналог].

Устройство аналога содержит измерительный канал получения результирующего сигнала от двух предвестников в составе генератора оптического излучения (типа светоизлучающего диода), который подключен для выбора рабочей точки на характеристике генератора к делителю напряжения в составе радиационного датчика (ток датчика радиоактивности является током инжекции генератора), и переменного сопротивления, оптическое волокно канализации излучения генератора, чувствительный элемент в виде электрооптического модулятора на основе брегговской решетки из дырчатого оптического волокна, фотоприемник, пиковый детектор, пороговое устройство, устройство обработки результирующего сигнала и синхронизации работы элементов устройства в виде компьютера.

К недостаткам аналога можно отнести:

- локальность измерений в точке размещения устройства аналога, не дающей объемной картины изменения предвестников по всему пространству зоны подготавливаемого землетрясения, что снижает достоверность прогноза;

- мощность радиоактивного фона источников убывает обратно пропорционально квадрату расстояния (1/R²) от них, что не позволяет измерять радиоактивный фон с орбиты, например МКС, высота полета которой 480 км.

Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является «Способ прогнозирования землетрясений», Патент RU №2295141, 2007 г., G01V, 9/00.

Способ ближайшего аналога включает визуальное обнаружение космонавтами сполохов ночного горизонта через видеокамеру, соосную с мультиспектрометром, регистрирует излучение подстилающей поверхности в спектральных полосах на последовательных витках полета космического аппарата, измеряет дисперсии сигналов головных спектральных полос излучения азота (650…675 нм), кислорода (762…764 нм), водорода (657…658 нм) и их сумму по трассе полета в обнаруженных областях, вычисляет постоянную времени (Т) изменения результирующей дисперсии сигнала в точках максимальной кривизны как

T=Δt/ln((D_o-D₁)/(D_o-D₂)),

а параметры удара рассчитывают по зависимостям

время удара t_y=4,7 T

и магнитуду (М) как

lgt_у[сут]=0,54М-3,37;

где Δt=(t₂-t₁)=(t₃-t₂) - интервал времени между последовательными моментами измерений,

D₁, D₂, D₃ - дисперсии результирующего сигнала в моменты измерений t₁, t₂, t₃. D_o - предельная величина установившегося значения сигнала, рассчитываемая как

D_o=D₂ ²-D₁*D₃/2D₂-D₁-D₃.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- существенный фоновый уровень помех радиометрических приемников в измеряемом диапазоне, снижающий чувствительность регистрирующих средств;

- невысокий уровень энергии флуоресцентных свечений атмосферных газов, поскольку основная энергия переизлучения газов под воздействием γ-излучения приходится на ультрафиолет.

[см., например, Сцинтилляционные детекторы, http://www.metrolux.de/contenido/cms/uv-ir.convertor].

Задача, решаемая заявленным способом, состоит в повышении достоверности обнаружения очагов подготавливаемых землетрясений и точности определения параметров предстоящего сейсмического удара путем регистрации ранее неизвестного, высокоэнергетического предвестника землетрясений в виде невидимого ультрафиолетового свечения атмосферы над пространством подготавливаемого землетрясения.

Технический результат достигается тем, что в способе краткосрочного прогнозирования землетрясений, при котором размещают измеритель на космическом носителе, осуществляют измерения интенсивности свечения в спектральных полосах атмосферных газов по трассе полета носителя над зоной подготавливаемого землетрясения, прогнозируют параметры ожидаемого сейсмического удара по динамике функций получаемых регистрограмм, дополнительно свечение атмосферных газов измеряют в ультрафиолетовой полосе 100…300 нм, измерителем с регулируемым интервалом длительности и скважности дискретных отсчетов вдоль трассы полета носителя, численным интегрированием функций получаемых регистрограмм рассчитывают их длину L, координаты гипоцентра очага отождествляют с максимумом регистрограмм, рассчитывают постоянную времени сейсмического процесса (Т) из соотношения

T=Δt/ln((L_o-L₁)/(L_o-L₂)),

прогнозируют время удара t_y=4,7 T и магнитуду (М) как

lgt_у[сут]=0,77М-4,4

где L₀ - предельная длина дуги функции регистрограммы, равная L_o=L₂ ²-L₁*L₃/2L₂-L₁-L₃;

L₁, L₂, L₃ - длины дуг функций регистрограмм в моменты измерений t₁, t₂, t₃;

t=(t₂-t₁)=(t₃-t₂) - межвитковый интервал времени космического носителя, на которых проводят измерения.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - динамика изменения мощности радиоактивного фона накануне состоявшегося землетрясения;

фиг.2 - полосы переизлучения атмосферных газов при их γ-облучении;

фиг.3 - диаграмма направленности измерителя при стробировании вдоль трассы полета носителя;

фиг.4 - регистограммы измерений сигнала ультрафиолетового свечения атмосферных газов в пространстве и времени;

фиг.5 - временная функция переходного сейсмического процесса;

фиг.6 - функциональная схема устройства, реализующая способ.

Техническая сущность способа состоит в следующем. В разломной зоне, за счет увеличения эманации радона и его последующего радиоактивного распада наблюдается увеличение фонового (~20 мкр/ч) радиационного уровня на один два порядка. Функция изменения мощности радиационного фона накануне и после сейсмического удара иллюстрируется графиком фиг.1. Период полураспада радона 3,81 суток. Радиоактивный распад радона ₈₆Rn²²², энергия связи ядра которого Есв=1.708,2 МэВ, отношение Есв к массовому числу (А) равно 7,69 МэВ, сопровождается мощным γ-излучением. Излучаемые при распаде радона γ-кванты поглощаются толщей атмосферных газов над зоной подготавливаемого землетрясения. Атмосферные газы (N₂, О₂, H₂, He) играют роль газовых сцинтилляторов [см., например, Сцинтилляционный счетчик ГНЦИФВЭ. г.Протвино, Интернет, http://theory.asu.ru/raikin/physics/PSR/RCRC/2008.St.Petersburg/RCRC2008/proc/EAS/EAS20.pdf].

В газовых сцинтилляторах молекулы под воздействием γ-квантов переходят на возбужденные (виртуальные) уровни, с последующим переизлучением энергии в ультрафиолетовой области. При этом интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, теряемой γ-квантом при взаимодействии. Приведенная толща атмосферы составляет ~12 км, поэтому эффективное сечение газового сцинтиллятора велико. Практически все излучаемые при радиоактивном распаде радона γ-кванты поглощаются толщей атмосферы при многократном взаимодействии. В соответствии с законом Стокса переизлучение поглощений энергии молекулами всегда происходит на большой длине волны, чем квантов возбуждения. Молекулы совершают переход между уровнями через промежуточные энергетические состояния, как это иллюстрируется графиком фиг.2. Известны спектральные полосы переизлучения газовых молекул как: серия Лаймана в ультрафиолете 100…300 нм, серия Бальмера в видном диапазоне 400…650 нм, серия Пашена в ближнем инфракрасном диапазоне 670…1200 нм.

Спектральные линии переизлучения, несущие наибольшую энергию, носят название головных линий. У сложных молекул наблюдается уширение спектральных линий, занимающих некоторую полосу частот. Энергетические уровни частиц микромира квантованы. Энергия кванта Δw=h·ν, где h - постоянная Планка, ν - частота излучения. Поскольку ультрафиолетовый диапазон 100…300 нм отличается по частоте от флуоресцентного свечения в диапазоне 650…760 нм в 6…7 раз, то и интенсивность свечения атмосферных газов в ультрафиолете в 6…7 раз мощнее флуоресцентного свечения атмосферных газов способа ближайшего аналога.

Для обеспечения необходимой дальности регистрации ультрафиолетового свечения атмосферы с орбиты космического носителя светосбор следует осуществлять как можно с большей площади, т.е. поле зрения ультрафиолетового измерителя должно быть широким. Однако при широком поле зрения ухудшается точность определения гипоцентра очага землетрясения. Геометрические размеры «купола» подготавливаемого землетрясения 150…250 км в диаметре, при скорости движения космического носителя >8 км/с, время пролета над очагом землетрясения составляет ~60 с.

Выборка измерений считается репрезентативной, если массив измерений содержит не менее 600 отсчетов, или применительно к данным условиям 600/60 с = 10 отсчетов/с. Для разрешения указанных противоречий - осуществление светосбора как можно с большей площади и точности определения координат гипоцентра в способе реализован режим стробирования, т.е. режим регулирования интервала дискретизации отсчетов (регулирования скважности измерений). Вид диаграммы направленности измерителя, удовлетворяющей перечисленным требованиям - иллюстрируется фиг.3.

По серии проходов космического носителя над зоной подготавливаемого землетрясения получают совокупность регистрограмм измерений, иллюстрированную графиками фиг.4. Известна зависимость радиуса R аномальной зоны (зоны подготавливаемого землетрясения) от магнитуды ожидаемого сейсмического удара lnR(км)≈M. [см., например, Доклады конференции, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов», РАН, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, М.: 1998 г., стр.9]. По мере нарастания сейсмической опасности радиус аномальной зоны расширяется. Параметрами регистрограмм измерений (фиг.4) являются амплитуда сигнала и интервал времени регистрации, в пределах которого амплитуда сигнала превышает пороговый уровень.

Обобщенной характеристикой регистрограммы, учитывающей и амплитуду, и время существования сигнала, является длина дуги регистрограммы (кривой) на графике фиг.4, функции L(t). Как следует из графика фиг.4, длина кривой изменяется от цикла к циклу прохода космического носителя над зоной подготавливаемого землетрясения.

Известно аналитическое выражение вычисления длины дуги кривой L(t) заданной в декартовых координатах

[см. Н.С.Пискунов. Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов, т.1, учебник, 5-е изд., Наука, М.: 1964 г., стр.194].

Поскольку в современных телекоммуникационных системах массивы информации представляются в цифровой форме, а аналитическое выражение регистрограмм отсутствует, то вычисление приведенного интеграла осуществляют численными методами по специализированной математической программе. Текст программы представлен в примере реализации.

Идентификацию очага землетрясения проводят по полученному массиву регистрограмм измерений. Максимум регистрограмм отождествляют с координатами очага землетрясения. В точке максимума производная функции регистрограммы равна нулю. За координаты очага принимают координаты космического носителя на данный момент времени. Поскольку измерение осуществляют в надир, то совокупность максимумов регистрограмм образуют траверзу, проходящую через зону очага землетрясения и перпендикулярную к направлению полета космического носителя.

Из математики известно [см. там же, Пискунов Н.С., стр.458], что функция и скорость ее изменения связаны дифференциальным уравнением первой степени, общим решением которого является экспоненциальная функция.

На фиг.5 представлено решение дифференциального уравнения в виде экспоненциальной функции

L(t)=1-ехр(-t/Т),

где Т - постоянная времени экспоненты, а сама функция характеризует переходный процесс зоны подготавливаемого землетрясения к сейсмическому удару. За начало переходного процесса принимается момент превышения сигналом установленного в измерителе порового уровня. Постоянная времени (Т) переходного к сейсмическому удару процесса зависит от конкретных геофизических условий земной коры зоны подготавливаемого землетрясения. Экспоненциальная зависимость обладает тем свойством, что по трем ее дискретным измерениям может быть восстановлена вся функция. Постоянную времени (Т) сейсмического процесса рассчитывают из соотношения

T=Δt/ln((L_o-L₁)/(L_o-L₂)),

где L₁, L₂ - длины регистрограмм измерений в моменты t₁, t₂. Δt=(t₂-t₁) - интервал времени между измерениями L₁, L₂, равный для космического носителя межвитковому интервалу ≈1,5 ч.

L_o - предельное (установившееся) значение экспоненты, рассчитывается по трем дискретным измерениям: L_o=L₂ ²-L₁*L₃/2L₂-L₁-L₃;

За ожидаемое время сейсмического удара tу принимают промежуток, за который экспонента переходного процесса достигает значения 0,99 L_o, это время tу=4,7 T.

Накануне удара наблюдается как увеличение размеров зоны подготавливаемого землетрясения, так и нарастание действующих в ней напряжений. По эмпирическим данным (более 1000 наблюдений) известно соотношение, связывающее размеры деформаций очаговой зоны с магнитудой lgtу[сут]=0,77М-4,4 (см. там же. Доклады конференции, 1998 г., стр.10).

Пример реализации способа

Функциональная схема устройства, реализующая способ, представлена на фиг.6.

Схема устройства содержит космический носитель 1 (тип МКС) с установленным на нем измерителем ультрафиолетового свечения атмосферы 2 в составе последовательно подключенных светофильтра 3, светособирающей фокусирующей системы 4 (из специального кварцевого стекла), лавинного фотодиода 5, порогового устройства 6, аналогово-цифрового преобразователя 7, буферного запоминающего устройства 8, радиоинтерфейса 9, бортового ноутбука 10, флеш-память 11. К пороговому устройству 6 подключен выход генератора меандра 12, запускаемого от дифференцирующей цепочки 13, подключенной к выходу порогового устройства 6.

Измеритель работает по суточной программе, закладываемой в бортовой комплекс управления (БКУ) 14 по радиолинии 15 из Центра управления полетом 16. Функционально суточная программа представляет собой массив (120…180) 64 разрядных слов. Каждое слово программы имеет временную и исполнительную часть. При совпадении временной части программы с бортовым временем происходит включение измерителя над запланированным для измерений регионом планеты Земля. Одновременно по текущему бортовому времени осуществляется привязка регистрограмм измерений к координатам носителя, а в последующем и установлении координат гипоцентра обнаруженной аномалии. При превышении установленного в пороговом устройстве уровня интенсивности свечения (над уровнем шумов) на его выходе появляется сигнал. Дифференциальная цепочка 13 запускает генератор меандра 12, посредством которого осуществляют стробирование сигнала. Исполнительной частью программы реализуют режим дискретных измерений вдоль трассы полета носителя; усиление сигнала лавинным фотодиодом 5, квантование сигнала в стандартной шкале 0…255 уровней в АЦП7 и его последующая запись через радиоинтерфейс 9 на флеш-память 11 бортового ноутбука 10.

Массив информации каждого сеанса измерений с флеш-памяти 11 по сотовому телефонному каналу связи 17 передают в ЦУП 16. ЦУП 16 имеет широкополосные Интернет каналы связи 18 с потребителями сейсмической информации - Геофизическим центром тематической обработки 19. Тематическую обработку осуществляют на компьютере по специальной математической программе.

Текст программы вычисления длины дуг регистрограмм.

Располагая расчетными значениями длины дуг регистрограмм L₁, L₂, L₃ для моментов времени измерений t₁, t₂, t₃ рассчитывают постоянную времени Т переходной функции наблюдаемого сейсмического процесса. В частности, для графиков фиг.7 расчетные значения длины дуг составили L₁=68 км, L₂=82 км, L₃=94 км.

Предельная длина дуги установившегося процесса

L_o=L₂ ²-L₁*L₃/2L₂-L₁-L₃ составляет 160 км.

Постоянная времени сейсмического процесса равна Т=Δt=1,5 ч/ln((L_o-L₁)/(L_o-L₂))=35,5 ч. Ожидаемое время удара t_у=4,7 Т=166 ч=6,9 сут.

Ожидаемая магнитуда сейсмического удара lgt_y[6,9]=0,77М-4,4, М=6,8 балла.

Все элементы измерителя выполнены по известным электронным схемам и на существующей элементной базе.

[См., например. Справочник по радиоэлектронике. Под редакцией А.А.Куликовского, Энергия, М., 1986 г., а также Иванов А.Б. «Волоконная оптика, компоненты, системы передачи, измерения». М., Компания Сайрус Системе, 1999 г., стр.154-155].

Новым элементом устройства по сравнению с известными аналогами является измеритель ультрафиолетового свечения атмосферных газов. В качестве такого измерителя может быть использована ультрафиолетовая камера типа «Фиалка-МВ-КОСМОС» [См., например, Комплект оборудования для космического эксперимента, шифр «Землетрясение», Приложение 2 к техническому заданию «Измерение краткосрочных динамических предвестников землетрясений средствами PC МКС». Роскосмос, ЦНИИМаш, 2009 г.].

Эффективность заявленного способа характеризуется оперативностью, глобальностью, достоверностью обнаружения зоны подготавливаемого землетрясения и расчета параметров ожидаемого сейсмического удара. Сам факт обнаружения зоны ультрафиолетового свечения атмосферы на теневой стороне полета носителя свидетельствует о начале переходного сейсмического процесса. Поскольку основная энергия свечения атмосферных газов под воздействием радиоактивного распада радона приходится на ультрафиолет, то и мощность полезного сигнала будет больше мощности сигналов-аналогов, что обеспечивает повышение достоверности и точности прогноза.

Изобретение относится к способам дистанционного прогнозирования землетрясения. Сущность: на космическом носителе размещают измеритель с регулируемым интервалом длительности и скважности дискретных отсчетов. Вдоль трассы полета носителя измеряют интенсивность свечения атмосферных газов в ультрафиолетовой полосе в диапазоне 100-300 нм. Рассчитывают длины дуг функций полученных регистрограмм в моменты измерений. По рассчитанным значениям прогнозируют время и магнитуду ожидаемого землетрясения. Координаты гипоцентра очага отождествляют с максимумом регистрограмм. Технический результат: повышение достоверности прогноза. 6 ил.

Способ краткосрочного прогнозирования землетрясений, при котором размещают измеритель на космическом носителе, осуществляют измерения интенсивности свечения в спектральных полосах атмосферных газов по трассе полета носителя над зоной подготавливаемого землетрясения, прогнозируют параметры ожидаемого сейсмического удара по динамике функций получаемых регистрограмм, отличающийся тем, что свечение атмосферных газов измеряют в ультрафиолетовой полосе 100-300 нм измерителем с регулируемым интервалом длительности и скважности дискретных отсчетов вдоль трассы полета носителя, численным интегрированием функций получаемых регистрограмм рассчитывают их длину L, координаты гипоцентра очага отождествляют с максимумом регистограмм, рассчитывают постоянную времени сейсмического процесса Т из соотношения:
T=Δt/ln((L_o-L₁)/(L_o-L₂)), прогнозируют время удара t_y=4,7T и магнитуду (М) как lgt_y[cут]=0,77M-4,4, где L_o - предельная длина дуги функции регистрограммы, равная L₀=L₂ ²-L₁*L₃/2L₂-L₁-L₃, L₁, L₂, L₃ - длины дуг функций регистрограмм в моменты измерений t₁, t₂, t₃; Δt=(t₂-t₁)=(t₃-t₂) - межвитковый интервал времени космического носителя, на котором проводят измерения.