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

Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение при создании космических систем контроля геофизических полей Земли.

Установлено, что одной из первопричин землетрясений является дегазация верхней мантии Земли. Накануне землетрясения, за несколько суток до сейсмического удара, наблюдается активная эманация из земной коры в атмосферу легких газов: водорода Н₂, гелия Не, метана СН₄, радона Rn.

Восходящая диффузия газов под большим литостатическим давлением сопровождается накачкой верхних слоев земной коры дополнительной энергией, что приводит к раскачке зоны подготавливаемого землетрясения [см., например, Научное открытие №365 «Явление раскачки очага землетрясения перед сейсмическим ударом», Бюллетень, Научные открытия, 2009 г., РАЕН, М., Санкт-Петербург, стр.66-68, а также патенты RU №2.275.659, 2006 г., №2.295.141, 2007 г., №2.302.020, 2007 г.].

Известна «Система измерений предвестника землетрясений» (Патент Ru №2.275,659, 2006 г. - аналог) для контроля избыточной концентрации водорода в атмосфере воздуха в зоне подготавливаемого землетрясения накануне сейсмического удара.

Система измерений аналога содержит измерительный канал из соединенных генератора оптического излучения, чувствительного элемента, фотоприемника, порогового устройства, аналогово-цифрового преобразователя, буфера накопителя, а также программируемую схему выборки, подключенную к пороговому устройству, аналогово-цифровому преобразователю и буферу-накопителю.

Чувствительный элемент выполнен в виде электрооптического модулятора на отрезке дырчатого оптического волокна, частота модуляции светового потока которого пропорциональна концентрации водорода в атмосфере воздуха. Буфер-накопитель и программируемая схема выборки подключены на соответствующие входы-выходы абонентского телефона передачи адресного сигнала на узел сотовой связи международной сети телекоммуникаций.

К недостаткам аналога следует отнести:

- локальность измерений в точке размещения системы, что не позволяет достоверно судить о динамике сигнала по пространственным координатам;

- невозможность получения всего профиля и масштаба зоны подготавливаемого землетрясения.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Способ прогнозирования землетрясений», патент RU №2.295.141, G01V 9/00, 2007 г.

Способ ближайшего аналога включает регистрацию дисперсии сигналов излучения в головных спектральных полосах азота и кислорода и их суммы по трассе полета носителя на последовательных витках, отождествление гипоцентра очага с координатами максимальной кривизны регистрограммы суммарной дисперсии, вычисление постоянной времени (Т) изменения результирующей дисперсии в точках максимальной кривизны, как

,

а параметры удара рассчитывают по зависимостям: время удара t_y≈4,7 Т, магнитуда как lgt_y [сут]=0,54 М - 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;

D₀ - предельная величина установившегося значения результирующего сигнала, рассчитываемая как

Недостатками ближайшего аналога являются:

- косвенность измеряемого признака-предвестника, поскольку дисперсии сигналов переизлучения в спектральных полосах азота и кислорода появляются только после радиоактивного распада радона, выделяющегося в атмосферу из земной коры накануне сейсмического удара;

- сокращение времени упреждающего прогноза за счет косвенности измеряемого предвестника, поскольку период полураспада радона составляет 3,81 суток;

- недостаточная мощность измеряемых сигналов переизлучения азота и кислорода в головных спектральных полосах, что делает проблематичной возможность их регистрации.

Задача, решаемая изобретением, состоит в повышении достоверности прогноза землетрясения путем прямого измерения признака-предвестника в виде избыточной концентрации водорода в атмосфере воздуха над зоной подготавливаемого землетрясения и прогнозе параметров предстоящего сейсмического удара по динамике изменения измеряемой концентрации водорода во времени и по пространственным координатам.

Технический результат достигается тем, что осуществляют прямые измерения концентрации водорода в атмосферном воздухе над зоной подготавливаемого землетрясения с космического носителя путем определения затухания светового потока, дважды прошедшего атмосферу в спектральной полосе поглощения кислорода ΔW(O₂)=W_этал(O₂)-W(O₂) в окрестностях λ≈760 нм и спектральной полосе поглощения водорода ΔW(H₂)=W_этал(H₂)-W(H₂) в смежной полосе λ≈ 660 нм, расчет концентрации водорода из соотношения

получение семейства регистрограмм измерений объемной (V) концентрации водорода по трассе полета носителя на последовательных витках, расчет постоянной времени (Т) скорости изменения объемной концентрации

и прогноз параметров сейсмического удара: времени ожидаемого удара t_y≈4,7 Т, магнитуды удара как lgR [км]=0,46 М - 0,35,

где O₂ [%] - концентрация кислорода в атмосфере, равная 21%;

- энергия регистрируемого сигнала в спектральной полосе O₂;

- энергия регистрируемого сигнала в спектральной полосе H₂;

I_i(O₂), I_i(Н₂) - амплитуды регистрируемых сигналов каждого из газов на i-й длине волны;

λ_i - длина волны спектральной линии;

n - количество спектральных линий в каждой полосе;

Δt=(t₂-t₁)=(t₃-t₂) - межвитковый интервал измерений, равный ≈ 1,5 час;

V₁, V₂, V₃ - измеренные значения концентрации водорода в моменты t₁, t₂, t₃;

V₀ - предельное установившееся значение концентрации

R, км - максимальное эпицентральное расстояние зоны подготавливаемого землетрясения, определяемое по регистрограммам.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - изменение атмосферного давления при эманации легких газов (Н₂, Не) в атмосферу в зоне состоявшегося землетрясения;

фиг.2 - метод измерений затухания светового потока, дважды прошедшего атмосферу в полосах поглощения атмосферных газов;

фиг.3 - эталонный, по Планку, солнечный спектр, пронормированный относительно максимума;

фиг.4 - измеренная в лабораторных условиях полоса поглощения атмосферного кислорода, выбранная в качестве канала сравнения;

фиг.5 - смежная полоса поглощения атмосферного водорода, выбранная в качестве измерительного канала;

фиг.6 - регистрограммы измеренных значений концентрации водорода в атмосфере над зоной подготавливаемого землетрясения по трассе полета носителя;

фиг.7 - динамика изменения эпицентрального расстояния (R) зоны подготавливаемого землетрясения;

фиг.8 - динамика изменения объемной концентрации водорода;

фиг.9 - функциональная схема устройства, реализующего способ.

Техническая сущность изобретения состоит в следующем.

Дегазация земной коры накануне сейсмического удара и активная эманация водорода в атмосферу изменяет процентное соотношение между компонентами воздуха. Нормальное соотношение компонент: ≈78% азота, 21% кислорода, 1% - остальные газы (молярный вес воздуха 28,7) создают атмосферное давление 748 мм рт.ст. или 26 мм рт.ст. на один средний вес моля воздуха. Присутствие в воздухе легкого водорода (молярный вес 2) понижает расчетное атмосферное давление в пропорции 4% мм рт.ст. на 1% концентрации водорода. На фиг.1 иллюстрируется изменение атмосферного давления перед землетрясением, зарегистрированным на полигоне МЧС Кавказские Минеральные Воды, имевшем место в районе с. Лысогорская 21.12.1995 г., магнитудой 5,1 балла. Избыточная концентрация водорода в атмосфере может быть измерена новым поколением технических средств типа гиперспектрометра «Астрогон-1» [см., например, «Малый космический аппарат «Вулкан-Астрогон» с гиперспектрометром высокого разрешения, Инженерная записка, РАКА. НИИЭМ, НТЦ «Реагента, М. 2002 г., стр.7 - 8]. «Астрогон-1» обеспечивает спектральное разрешение ≈1…3 нм с оцифровкой измерений в шкале 12 бит.

Из опытов Кирхгофа известно, что непрерывный солнечный спектр, проходя через газовую среду, становится линейчатым, в нем появляются темные линии, или полосы поглощения. Одноатомные газы имеют линейчатый спектр поглощения, совпадающий по положению спектральных линий со спектром испускания. При этом интенсивность поглощения пропорциональна концентрации примесного газа.

Способ спектрометрических измерений затухания светового потока, дважды прошедшего атмосферу, иллюстрируется фиг.2.

Принцип измерений основан на сравнении затухания солнечного потока в спектральной полосе измеряемого газа с его затуханием в спектральной полосе газа, концентрация которого известна. В качестве канала сравнения выбрана спектральная полоса поглощения кислорода (в окрестностях λ≈760 нм), концентрация которого в атмосфере равна 21%. Смежная спектральная полоса поглощения водорода известна [см. ближайший аналог, Патент №2.295.141, стр. 5], она находится в окрестности λ≈660 нм.

На рисунке фиг.4, 5 воспроизведены спектральные полосы пропускания кислорода и водорода, измеренные в лабораторных условиях.

Для исчисления абсолютной величины затухания светового потока по трассе распространения в спектральных полосах измерений необходим эталон для сравнения. В качестве эталона используют функцию солнечного спектра, I (λ) по Планку. Эталонная (по Планку) функция солнечного спектра, нормированная относительно максимальной интенсивности, иллюстрируется фиг.3.

Энергию затухания светового потока за счет поглощения газовыми молекулами (O₂ и Н₂) по трассе распространения рассчитывают из соотношений

ΔW(H₂)=W_этал-W(Н₂);

ΔW(O₂)=W_этал-W(O₂),

где W(H₂), W(O₂) - энергия сигналов в спектральных полосах измерений;

W_этал - энергия эталонного (по Планку) солнечного спектра в тех же спектральных полосах, что и измеряемых газов.

Энергия одного кванта (по квантовой теории Планка) w=hν, где h - постоянная Планка, ν - частота. Поскольку длина волны λ=c/ν (с - скорость света), то энергия кванта . Полную эталонную энергию светового потока вычисляют по соотношению Релея [см., например, Заездный В.М. «Основы расчетов по статистической радиотехнике», Связь-издат, М., 1964 г., стр.93-94]

где I(λ_i) - амплитуда эталонного сигнала на спектральной линии λ_i (фиг.3);

n - количество спектральных линий в полосе затухания, на которых проводят измерения Н₂ и О₂.

Устойчивость результата измерений, не зависимого от систематических ошибок (высоты Солнца, азимута зондирования), достигается использованием метода отношений измеряемых величин, а именно:

.

С учетом изложенного приоритетное значение приобретает правильный выбор спектральных полос поглощения для кислорода (O₂) и водорода (Н₂).

Наиболее близкая к полосе поглощения кислорода (λ - 760 нм) смежная полоса поглощения водорода 660 нм при равной ширине полос порядка 11 нм.

Апертура гиперспектрометра «Астрагон-1» обеспечивает измерения со спектральным расширением ≈1 нм в полосе до 30 км. Таким образом, зондирование атмосферы с орбиты космического аппарата гиперспектрометром позволяет измерить объемную концентрацию водорода в атмосфере в широкой полосе по трассе полета носителя. Регистрограммы измерений объемной концентрации водорода на последовательных витках иллюстрируются графиками фиг.6.

Для вычисления прогнозируемых параметров землетрясения: времени удара и магнитуды отслеживают динамику изменения концентрации водорода в области максимальной амплитуды регистрограмм.

Исходя из общего физического принципа, какой бы мощностью не обладал источник, переход из начального состояния в другое установившееся занимает конечный временной интервал. Огибающая переходного процесса содержит скрытую информацию о параметрах сейсмического удара. Переходные процессы описываются дифференциальными уравнениями первого и второго порядка. Общим решением для дифференциальных уравнений для огибающей служит экспонента [см., например, Н. С.Пискунов. «Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов», т.1, 5-е издание, Наука, М., 1964 г. стр.458, 506-507]. Начальные условия для решения дифференциальных уравнений получают из серии регистрограмм фиг.6. Экспонента характеризуется двумя параметрами: постоянной времени процесса (Т) и установившимся (конечным) значением V_o. Из свойств экспоненты следует [см. ближайший аналог], что постоянная времени

где Δt=(t₂-t₁) - интервал времени между измерениями концентрации водорода на последовательных витках;

Огибающая переходного процесса в виде экспоненты иллюстрируется графиком фиг.8. Располагая функцией огибающей переходного процесса, прогнозируют время удара t_y≈4,7 Т, за которое функция с вероятностью 0,99 достигает установившегося (максимального) значения V₀.

Кроме временной характеристики, регистрограммы фиг.6 содержат пространственную характеристику, а именно размеры зоны подготавливаемого землетрясения, над которой наблюдается избыточная концентрация водорода.

Существует регрессионная зависимость, связывающая размеры зоны подготавливаемого землетрясения и ожидаемую магнитуду сейсмического удара: lgR [км]≈0,46 М - 0,35, где R (км) - максимальное эпицентральное расстояние зоны [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов». Доклады конференции. РАН, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, М., 1998 г., стр.13].

Динамика изменения эпицентрального расстояния зоны подготавливаемого землетрясения иллюстрируется фиг.7.

Пример реализации способа

Заявленный способ может быть реализован по схеме фиг.9. Функциональная схема устройства содержит космическую платформу наблюдения 1 типа лабораторного модуля 77 КЛМ, стыкуемого с международной космической станцией (МКС). На космической платформе установлена гиперспектральная оптико-электронная камера 2 (типа гиперспектрометра «Астрогон-1»), осуществляющая трассовую покадровую съемку запланированных регионов 3 по командам от бортового комплекса управления (БКУ) 4 из центра управления полетом (ЦУП) 5 по радиолинии командного управления 6. Результаты измерений записываются в буферное запоминающее устройство 7 и по командам БКУ в зонах радиовидимости МКС с наземных пунктов сбрасываются по мобильному каналу связи 8 на пункты приема информации (ППИ) 9. После предварительной обработки кадров по служебным признакам (номер витка, время съемки, координаты участка) на средствах 10 ППИ информацию передают в Центр тематической обработки 11, где через устройство ввода 12 она вводится в ПЭВМ 13 в стандартном наборе элементов: процессор 14, винчестер 15, оперативное ЗУ 16, дисплей 17, принтер 18, клавиатура 19. Результаты измерений концентрации водорода по трассе полета МКС выводятся на сервер 20 сети Интернет.

Гиперспектрометр «Астрогон-1» имеет несколько параллельных спектральных каналов, в том числе в полосе 0,65…0,9 мкм со спектральным разрешением 1 нм. При исходных данных трактов зондирования в полосе поглощения кислорода (O₂) ≈760 нм и полосе поглощения водорода (Н₂) ≈660 нм (графики фиг.4, 5) расчетные значения сигналов в измерительных трактах приняли значения, представленные таблице.

Тракт измерений Ширина полосы поглощения, нм Энергия эталонного сигнала Среднее пропускание сигнала в полосе Энергия измеряемых сигналов ΔW затухания O₂ 11 0,28 0,6 0,168 0,112 Н₂ 11 0,34 0,96 0,326 0,0136

Измеренная величина избыточной концентрации водорода (Н₂) составила

На графиках фиг.6 представлено семейство регистрограмм процентного содержания водорода по трассе полета носителя на последовательных витках. Скорость изменения объемной концентрации во времени иллюстрируется графиками фиг.8. При значениях объемных концентраций V₁=1%, V₂=1,6%, V₃=1,95% предельное установившееся значение V₀ составит

Постоянная времени скорости изменения объемной концентрации

Ожидаемое время сейсмического удара t_y≈4,7Т≈13,5 час.

Максимальное эпицентральное расстояние для V_o=2,5 (фиг.6, 7) составило R_max≈70 км.

Ожидаемая магнитуда сейсмического удара

lg[70]=0,46 М - 0,35;

Накануне сейсмического удара из-за насыщения земной коры дополнительной энергией восходящего потока газов под большим литостатическим давлением происходит раскачка очага землетрясения. Гипоцентр очага землетрясения отождествляют с максимумом амплитуд регистрограмм (фиг.6). Ожидаемый центр сейсмического удара, как правило, находится на периферии от гипоцентра на окружности радиусом R_max от гипоцентра.

Эффективность способа характеризуется глобальностью, оперативностью, высокой достоверностью за счет измерения концентрации водорода с точностью сотых долей процента.

Кроме того, установлено, что избыточная концентрация водорода наблюдается и над морской поверхностью, что открывает перспективы достоверного предсказания землетрясений над акваториями морей и океанов.

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для прогнозирования землетрясений. Сущность: с космического носителя определяют затухание светового потока, дважды прошедшего атмосферу, в спектральной полосе поглощения кислорода и в смежной спектральной полосе поглощения водорода. Определяют избыточную концентрацию водорода, свидетельствующую о готовящемся землетрясении. Измеряют концентрации водорода над зоной готовящегося землетрясения. Получают семейство регистрограмм измерений объемной концентрации водорода по трассе полета носителя на последовательных витках. На основании полученных данных прогнозируют параметры сейсмического удара. Технический результат: повышение достоверности результатов прогнозирования. 9 ил., 1 табл.

Способ краткосрочного прогнозирования землетрясений, при котором осуществляют прямые измерения концентрации водорода в атмосферном воздухе над зоной подготавливаемого землетрясения с космического носителя путем определения затухания светового потока, дважды прошедшего атмосферу, в спектральной полосе поглощения кислорода ΔW(O₂)=W_этал(O₂)-W(O₂) в окрестностях λ≈760 нм и спектральной полосе поглощения водорода ΔW(H₂)=W_этал(H₂)-W(H₂) в смежной полосе λ≈660 нм, расчет концентрации водорода из соотношения: ; получение семейства регистрограмм измерений объемной (V) концентрации водорода по трассе полета носителя на последовательных витках, расчет постоянной времени (Т) скорости изменения объемной концентрации и прогноз параметров сейсмического удара: времени ожидаемого удара t_y≈4,7T, магнитуды удара как lgR[км]=0,46М-0,35, где
O₂[%] - концентрация кислорода в атмосфере, равная 21%;
- энергия регистрируемого сигнала в спектральной полосе O₂;
- энергия регистрируемого сигнала в спектральной полосе Н₂;
I_i(O₂), I_i(Н₂) - амплитуды регистрируемых сигналов каждого из газов на i-й длине волны;
λ_i - длина волны спектральной линии;
n - количество спектральных линий в каждой полосе;
Δt=(t₂-t₁)=(t₃-t₂) - межвитковый интервал измерений, равный ~1,5 ч;
V₁, V₂, V₃ - измеренные значения концентрации водорода в моменты t₁, t₂, t₃;
V₀ - предельное установившееся значение концентрации,

R, км - максимальное эпицентральное расстояние зоны подготавливаемого землетрясения, определяемое по регистрограммам.