Способ определения опасности цунами Российский патент 2020 года по МПК G01V1/38 G01V9/00 G01V11/00 

Изобретение относится к организации мер безопасности объектов прибрежного базирования, расположенных в сейсмически активных районах, и может быть использовано для оповещения о волнах цунами.

Известны способы и системы оповещения о волнах цунами в океане (патенты RU №2276388 С1, 10.05.2006 [1], RU №2238574 С1, 20.10.2004 [2], JP №5072346 А, 26.03.1993 [3], RU №2270464 С1, 20.02.2006 [4], RU №2339977 С2, 27.11.2008 [5]), предназначенные для заблаговременного оповещения о цунами и организованные на постоянной основе регистрация волн цунами донными станциями в открытом глубоком океане и аналогичные системе DART в США со стороны Тихого океана Основным элементом этой системы являются донные станции, которые представляют комплексные сооружения, состоящие из донного блока с регистратором колебаний давления и поверхностного радиобуя для передачи данных через спутник, связанные между собой многокилометровым кабель-тросом, а также блоков контроля и управления. Станции постоянно регистрируют подводную обстановку и передают данные по радиоканалу на спутник.

Недостатком этих донных станций и системы в целом является их сложность в изготовлении, трудоемкость при постановке донных станций в океане, поддержании их в рабочем режиме, высокая стоимость изготовления донных станций и эксплуатации системы. Кроме того, многоэлементность системы, длительная работа в условиях помех в виде волнения, ветра, осадков, подергивания кабеля приводят к ненадежности системы, которая для выбранной схемы может компенсироваться только наращиванием количества донных станций в районе наблюдений.

В известном техническом решении [5], предложено существенное упрощение способа регистрации волн цунами и оповещения о них, упрощение конструкции донных станций, удешевление их изготовления и эксплуатации системы в целом. В отличие от известных способов с использованием донных станций, сложных в изготовлении и эксплуатации и ненадежных из-за многоэлементности конструкции, в предложенном техническом решении [5], для обеспечения заблаговременного оповещения о цунами используются донные станции одноразового действия, оборудованные регистратором колебаний давления на частотах, характерных для волн цунами, и блоком с радиопередатчиком, отцепляющимся от донного блока станции при поступлении сигнала, превышающего определенный уровень, и всплывающим на водную поверхность для передачи данных через спутник.

Спецификой способа является автономная работа донных станций в ждущем режиме вдали от берегов на глубинах ложа океана 4-5 км с регистрацией волн давления на частотах в области 0,001-0,002 Гц. Исходя из механизма образования волн цунами (Ч. Дрейк и др. Океан сам по себе и для нас. М.: "Прогресс", с. 143-145), их высота на водной поверхности для представляющих опасность разрушительных волн цунами составляет несколько метров при длине волн более 100 м, что приводит к давлению на дне, превышающему существенно, до 1000 раз, естественный окружающий шум океана в указанной полосе частот (E.E. Gossard. Spectra of atmospheric scalas. J. Geoph. Res., 1960, v. 65, N 10, 3339-3351).

Исходя из рассмотренных условий, донная станция должна быть малочувствительной и работать на дне океана в ждущем режиме в течение значительного времени - до 10 и более лет, характерных для интервалов возникновения волн. Станция должна состоять из двух блоков, механически связанных друг с другом и автономных по электропитанию: блок радиопередатчика и блок, регистрирующий колебания давления в указанной полосе частот, характерных для цунами, и служащий донным якорем станции. При регистрации колебаний, превышающих определенный уровень, характерный для разрушительных цунами, блок станции с радиопередатчиком должен автоматически отсоединяться от донной станции и всплывать на водную поверхность, после чего передавать через спутник радиосигнал оповещения о цунами и координаты станции. Оба блока затем прекращают свое существование, что экономически целесообразно, учитывая большой срок непрерывной работы станции.

Для обеспечения быстрого всплытия блока с радиопередатчиком, что важно для своевременного оповещения о цунами, он должен иметь достаточно большую подъемную силу, и материал его корпуса должен быть прозрачным для радиоволн. Учитывая то, что блок должен выдерживать давление воды на глубинах 4-5 км, оптимальным известным конструктивным решением для блока является стеклянная сфера, состоящая из двух полусфер. Такие глубоководные сферы диаметром 30 см уже давно применяются в океанологических работах в основном как элемент плавучести для глубоководной аппаратуры. Налажено их промышленное производство. Ожидаемое расчетное время всплытия такой сферы, оборудованной радиопередатчиком, составляет не более часа.

Известны также способы сейсмического микрорайонирования, которые могут быть использованы для обнаружения потенциального наступления катастрофических явлений преимущественно на море (патенты RU №1251694 С1, 30.07.1994 [6], RU №2346300 С1, 10.02.2009 [7], Башилов И.П. и др. Донные геофизические обсерватории: методы конструирования и области применения. - Научное приборостроение, 2008, т. 18, №2, с. 91-95 [8], заявка US №2006195263 А1, 31.08.2006 [9], патент RU №2436125 С1, 10.12.2011 [10]), а также могут быть использованы при решении следующих фундаментальных задач: изучение строения земной коры в акваториях мирового океана, исследование совокупности проявления геофизических полей в зонах тектонических разломов непосредственно на дне океана, исследование состояния морской среды в придонной зоне и ее взаимодействие с тектоническими процессами, геофизический мониторинг сложных гидротехнических сооружений, оперативная оценка сейсмического и гидродинамического состояния районов и прогноза возможных сейсмических и экологических последствий, а также заблаговременное оповещение о землетрясениях и цунами. Известно, что вследствие тектонических особенностей Земли свыше 80% всех землетрясений происходит под дном морей и океанов. В то же время сейсмологическая сеть расположена практически полностью на континентах и некоторых островах. Регистрация удаленных сильных морских землетрясений наземными сейсмографами приводит к большим погрешностям в определении магнитуды и координат гипоцентров, слабые морские землетрясения практически не регистрируются. Самые сильные землетрясения с магнитудой 8 и более баллов, вызывающие в основном катастрофические волны цунами, концентрируются под океаническим дном вблизи сейсмически активных континентальных окраин. В России такими районами являются побережье Камчатки, Курильские острова и остров Сахалин. В настоящее время путем долгосрочного сейсмологического прогноза выявлены места ожидаемых сильнейших землетрясений в этом регионе. Это Авачинский залив Камчатки и пролив Буссоль между островами Урупом и Симуширом Южных Курил. Однако время наступления таких землетрясений на основе долгосрочных прогнозов определяется с погрешностью в десятки-сотни лет. Известные способы, основанные на использовании глубоководных регистраторов волны цунами, установленных вдоль защищаемого побережья, производят измерение давления или толщины водного слоя и должны иметь очень высокую чувствительность. Высота волны цунами в открытом океане в 10 см может многократно увеличиваться на мелководье и представлять существенную опасность. Поэтому при постановке на глубину, например, 3 км регистраторы должны иметь чувствительность не хуже 3×10^-5.

Такую чувствительность обеспечивают кварцевые измерители давления. Для измерения толщины водного слоя используют донные эхолоты. Наиболее развитые системы наблюдения и предупреждения цунами, содержащие сотни наземных сейсмографов и глубоководных регистраторов, имеются в США (DART, NOAA) и Японии (JAMSTEC). Данные системы имеют высокую стоимость и сложный программно-математический аппарат для обработки зарегистрированных сигналов. Имеется также принципиальная возможность обнаружения волн цунами с помощью спутниковых наблюдений. Однако для обеспечения требуемого разрешения по высоте и времени последовательного сканирования земной или водной поверхности не хуже 10-15 минут необходимо запустить на орбиты несколько десятков спутников. Кроме того, для выделения волн цунами, которые в открытом океане имеют высоту в несколько сантиметров, требуется сложная математическая обработка для исключения помех в виде ветровых и приливных волн, ветровых нагонов. Известные способы и устройства в условиях открытого моря для прогноза возможности возникновения цунами практически не могут быть применимы, поскольку на значительных расстояниях (больших размера очага) невозможно определить характер деформации дна, а существенная волна цунами возникает только при вертикальных или наклонных его движениях. Ложные же тревоги приводят к большим материальным потерям. Кроме того, существенную роль в повышении точности измерения сигналов, по которым устанавливают предвестники катастрофических явлений, играет база измерений и ориентация средств измерений относительно источника. Так, например, разнос измерителей в высоких и экваториальных широтах на более чем на 10 километров при измерении электрических и магнитных компонент приводит к большим (до 50%) погрешностям измерений импеданса.

Известно, что высокая подвижность земной коры наблюдается в пределах наиболее динамичных структур дна Мирового океана, которыми являются переходные зоны и средне-океанические хребты.

На материковых платформах (за некоторыми исключениями) и в ложе океана землетрясения случаются крайне редко и не приобретают разрушительно силы. При этом сейсмика переходных зон и средне-океанических хребтов различается. Известно, что по глубине нахождения очаги землетрясения делят на поверхностные (глубина гипоцентра до 60 км), среднефокусные (60-300 км) и глубокофокусные (более 300 км). В переходных зонах представлены все типы землетрясений. В срединно-океанических зонах отмечены исключительно поверхностные землетрясения. Наиболее сильные землетрясения приурочены преимущественно к переходным зонам, в области срединных хребтов отмечены лишь единичные сильные землетрясения.

Недостатки, аналогичные перечисленным выше способам и устройствам, присущи также способам и устройствам, предназначенным для регистрации сигналов сейсмического происхождения в морских условиях. В известных способах существенное значение погрешности обусловлено тем, что при обработке зарегистрированных сигналов используют среднее поле распространения сигналов. В то время как максимальные отклонения реального поля от среднего отличаются именно на горизонтах максимальных градиентов. При этом реальное поле резко отличается от идеальной модели. При влиянии внешних факторов с использованием акустических средств регистрации сигналов образуется зона тени, расположенная в полосе 5-16 километров от источника. Причем ее протяженность в разных направлениях неодинакова и может отличаться в 5 раз и более, а с увеличением дистанции между приемником и источником сигналов погрешности возрастают. Для морских условий до 15 километров они находятся в пределах 2 дБ, далее в промежутке от 15 до 30 километров наблюдается их резкий рост до 6 дБ. В дальнейшем в промежутке от 30 до 60 километров величина погрешности монотонно увеличивается до 7,5 дБ.

Основным методом предотвращения человеческих жертв и уменьшения материального ущерба является эвакуация населения прибрежных районов на возвышенные места суши, вывод судов из береговой зоны в открытое море и принятие ряда других оперативных мер. Это возможно осуществить только при своевременном оповещении о цунами береговыми службами.

В Тихом океане, средняя глубина которого порядка 4 км, скорость цунами составляет около 700 км/ч. Заметить цунами в открытом океане, посредством известных способов и устройств, практически невозможно, так как при высоте 1-2 м волны имеют длину от нескольких десятков до сотен километров.

В большинстве исследований, в области исследования процессов возникновения волн цунами, предполагается, что начальное возвышение свободной поверхности в зоне очага возникновения цунами не превышает нескольких метров, а периоды волн лежат в диапазоне от 2 до 200 мин. (В.Л. Чубаров. Численное моделирование волн цунами: диссертация на присвоение звания доктора физико-математических наук: Новосибирск, 2000 [11]).

Известные способы и устройства обнаружения океанских длинных волн типа цунами, основанные на придонных датчиках гидростатического давления и гидрофонах для выявления подводных землетрясений (патенты RU №2473930 С2, 29.09.2010 [12], RU №2435178 С1, 14.09.2010 [13], RU №2555498 С2, 14.10.2013 [14], RU №2339977 С2, 13.11.2006 [15], RU №2362190 С2, 04.05.2007 [16], RU №2455664 С1, 09.03.2011 [17], RU №2363963 С1, 15.04.2008 [18], RU №2349939 С1, 14.08.2007 [19], US №10422908, 24.09.2019 [20], Винокуров Л.В. Прогноз и предупреждение удара цунами/Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2007, №7, с. 242-248 [21] не позволяют однозначно фиксировать параметры океанских длинных волн, например, измерения высоты и наклонов водной поверхности в сотнях и тысячах километров от побережья.

Кроме того, известные сейсмические способы отягощены многочисленными и трудоемкими вычислениями.

Известные способы и устройства обнаружения океанских длинных волн типа цунами, основанные на наблюдении отраженных радиосигналах радиолокационными станциями (патент US №10042051, 27.04.2016 [22]) в основном применимы в прибрежных районах и неприемлемы в открытом океане.

Известные способы и устройства обнаружения океанских длинных волн типа цунами, основанные на наблюдении отраженных радиосигналах ГНСС искусственными спутниками Земли (Tsunami-Wave Parameter Estimation Using GNSS-Based Sea Surface Height Measurement, Kegen Yu, IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, VOL. 53, NO. 5, MAY [23]) далеки от практической реализации. Анализ состояния дел в области обнаружения океанских длинных волн типа цунами показывает, что для решения поставленной задачи традиционно системы предупреждения о цунами строятся:

- главным образом на обработке сейсмической информации;

- для выявления волн цунами в открытом океане используются придонные датчики гидростатического давления - система DART;

- для выявления волн цунами в открытом океане используются радиолокационные станции;

- для выявления волн цунами в открытом океане используются отраженные сигналы ГНСС, принимаемые на космических аппаратах.

Эти методы затруднительно и дорого реализовать на больших площадях океанских акваторий.

В мировой практике успешно используются различные типы отечественных и зарубежных образцов навигационной аппаратуры потребителей (НАП) глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) типа ГЛОНАСС и GPS, а также радиодоплеровских измерителей скорости, угла сноса и высоты полета летательных аппаратов. Проведенные предварительные исследования в обеспечение использования современных радиодоплеровских измерителей показали принципиальную возможность их использования для обнаружения океанских длинных волн типа цунами. Для этого в самолетной НАП предлагается производить фазовые измерения и сравнение параметров прямых и отраженных от морской поверхности сигналов ГНСС. Анализ выполнения полетов по кроссполярным маршрутам (официальный Интернет-ресурс Федерального агентства воздушного транспорта: rusavia @scaa.ru) показал, что за январь - декабрь 2018 года было выполнено 18 672 полета, а за январь - февраль 2019 года было выполнено 3088 полетов.

Задачей заявляемого технического решения является расширение функциональных возможностей известных способов с одновременным повышением достоверности прогноза.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения опасности цунами, включающим размещение исследуемых и опорных пунктов наблюдений на участках с различными инженерно-геологическими условиями, регистрацию в них сейсмических колебаний от землетрясений из потенциально опасных и других очаговых зон, определение динамических параметров сейсмических колебаний и их вариаций в каждом исследуемом пункте наблюдений относительно опорных в заданном частотном диапазоне исследований, в котором дополнительно проводят трехкомпонентную регистрацию сейсмических колебаний по ортогональной, ориентированной на потенциально опасные очаговые зоны сети профилей, дополнительно регистрируют давление волн цунами на дно на частотах 0,003-0,01 Гц посредством донных сейсмографов с широкополосными сейсмическими каналами 0,003-20 Гц, транслируют зарегистрированные сигналы по гидроакустическому каналу связи на опорные пункты, размещенные в исследуемых районах, при этом донные сейсмографы размещают на материковом склоне и шельфе вдоль линии подножия континентального склона, при обработке сейсмических колебаний определяют временные вариации геомагнитного поля путем измерения параметров гравитационного и магнитного полей в местах установки донных сейсмографов, в отличие от известного технического решения [10], выбранного в качестве прототипа, в процессе регистрации сейсмических колебаний с определением эпицентра подводного землетрясения дополнительно регистрируют приливные колебания морской поверхности, путем измерения высоты и направления волн с последующим вычислением фазовых скоростей волн, движущихся от эпицентра подводного землетрясения в сторону побережья для разных видов волновых движений, при этом, выполняют учет внешних сил приливного потенциала, переменного атмосферного давления поля напряженности ветра и гидростатического давления по трассе распространения волн. При этом по измеренным линейным масштабам подвижки морского дна, зарегистрированным посредством кварцевых датчиков на глубоководных сейсмических станциях определяют размеры образующих при этом волновых изменений методом начальных параметров и/или интерполяционно - разностным методом, измерения высоты и направления волн с последующим вычислением фазовых скоростей волн в открытом океане выполняют посредством штатных радиовысотомеров, установленных на рейсовых самолетах, прогноз возникновения волны цунами выполняют по двум выделенным уединенным волнам в форме холмов, следующих друг за другом с периодом колебаний от 15 до 60 минут и значениям наклона для выделенных волн, при этом если значения наклонов в течение 2-3 циклов превысят 4-5 угл. сек, то данная волна определяется как волна цунами, на опорных пунктах выделяют волны Ляви и Рэлея, по которым определяют свободные гравитационные волны по возрастанию спектральной плотности при приближении к берегу в низкочастотной области, которые служат сигналом о приближении цунами, дополнительно на опорных пунктах выполняют моделирование колебаний уровня океана, вызываемых атмосферными возмущениями с выделением сигнала цунами на шельфе с учетом неоднородной береговой линии и в открытом океане на фоне естественного длинноволнового шума с выделением длинных волн, для которых возникает эффект резонансного отражения, включая уединенные волны в форме холмов с периодом колебаний от 15 до 60 минут. Новые отличительные признаки заключаются в том, что дополнительно регистрируют приливные колебания морской поверхности путем измерения высоты и направления волн с последующим вычислением фазовых скоростей волн, движущихся от эпицентра подводного землетрясения в сторону побережья, для разных видов волновых движений, при этом выполняют учет внешних сил приливного потенциала, переменного атмосферного давления поля напряженности ветра и гидростатического давления по трассе распространения волн и при этом по измеренным линейным масштабам подвижки морского дна, зарегистрированным посредством кварцевых датчиков на глубоководных сейсмических станциях, определяют размеры образующих при этом волновых изменений методом начальных параметров и/или интерполяционно - разностным методом, измерения высоты и направления волн с последующим вычислением фазовых скоростей волн в открытом океане выполняют посредством штатных радиовысотомеров, установленных на рейсовых самолетах, прогноз возникновения волны цунами выполняют по двум выделенным уединенным волнам в форме холмов, следующих друг за другом с периодом колебаний от 15 до 60 минут и значениям наклона для выделенных волн, при этом если значения наклонов в течение 2-3 циклов превысят 4-5 угл. сек, то данная волна определяется как волна цунами, на опорных пунктах выделяют волны Ляви и Рэлея, по которым определяют свободные гравитационные волны по возрастанию спектральной плотности при приближении к берегу в низкочастотной области, которые служат сигналом о приближении цунами, дополнительно на опорных пунктах выполняют моделирование колебаний уровня океана, вызываемых атмосферными возмущениями с выделением сигнала цунами на шельфе с учетом неоднородной береговой линии и в открытом океане на фоне естественного длинноволнового шума с выделением длинных волн, для которых возникает эффект резонансного отражения, включая уединенные волны в форме холмов с периодом колебаний от 15 до 60 минут позволяют получить оперативную оценку сейсмического состояния исследуемых районов с достоверным прогнозом возможных сейсмических событий, а также осуществить раннее оповещение о приближающихся землетрясениях и цунами.

Кроме того, появляется возможность выявления гравитационных и магнитных аномалий в районах исследований. Это обстоятельство при выполнении сейсмических исследований на континентальном шельфе позволяет использовать предлагаемое техническое решение для выявления нефтегазоносных районов. Поскольку многие шельфы представляют собой продолжение низменностей, приуроченных к крупным платформенным прогибам или синеклизам, то толщи, выполняющие эти прогибы, наклонены в сторону шельфа и достигают максимальной мощности именно в его пределах. Большая мощность терригенных осадков в нефтегазоносных районах является условием, благоприятствующим нефтегазоносности.

Известные способы позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении достоверности, только в условиях изотропного поля, так как характер убывания интенсивности звукового сигнала по мере удаления от источника в горизонтально неоднородном поле (особенно в океане) резко отличается от той же зависимости в условиях изотропного поля. Мезомасштабные неоднородности океана (фронты, ринги) резко перестраивают звуковое поле, вызывая колебания интенсивности сигнала до 5 дБ при прогнозе дальности их действия (Д) до 10 км. Поэтому для эффективного прогноза метеорологических, гидрологических и акустических условий в аномальных районах необходимо четкое установление центров и границ, а также определение параметров возмущающих образований. Неопределенность в расчете звукового поля по климатическим данным или опорному полю выражается в стандартных отклонениях реального уровня от опорного в 4-9 дБ при Д=90 км, что соответствует погрешности в прогнозе ожидаемой дальности действия гидроакустических систем на 60-90%. Использование единственной кривой вертикального распределения скорости звука для акустических расчетов допустимо лишь на малых дистанциях (до 10 км), что крайне редко встречается в реальных условиях. По величине и направлению (знаку) горизонтального градиента вдоль трассы распространения сигнала можно судить о степени изменчивости интенсивности звукового поля на горизонте приема относительно фиксированного источника. Для расчетов акустического поля параметром является профиль скорости звука, точно совпадающий с фактическим профилем в месте расположения источника. Однако при использовании режимной информации среднеквадратический профиль, как правило, не совпадает с фактическим профилем, что приводит к дополнительным случайным погрешностям в конечном результате. Совокупность новых признаков из известного уровня техники не выявлена, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности "изобретательский уровень". Предлагаемый способ реализуется посредством устройства, включающего как датчики и устройства прототипа [10], а именно: донного сейсмографа, состоящего из датчиков слабых сейсмических сигналов и датчиков сильных движений дна, цифрового многоканального накопителя информации, буферной памяти, блока регистрации и управления, канала гидроакустической связи, источника питания, датчика магнитного поля, донного гравиметра, гидрофизического модуля, блока оптических измерений, средства хранения информации, блока гидрохимических измерений, спектроанализатора, сейсмоакустического блока, блока гидроакустического телеуправления, модема кабельной линии связи, блока контроля радиоактивных элементов, датчика обнаружения метана, так и дополнительных устройств, имеющих промышленную применимость.

Данные устройства могут быть размещены как в корпусе автономных донных станций, так и в корпусе подводных глубоководных обсерваторий, например, типа DONET (см., например, Смирнов Г.В., Еремеев В.И., Агеев М.Д. и др. Средства и методы океанологических исследований. - М.: Наука, 2005, Ковчин И.С. Автономные океанографические средства измерений. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991, Современные донные станции для сейморазведки и сейсмологического мониторинга / Зубко Ю.Н., Левченко Д.Г., Леденев В.В., Парамонов А.А. // Научное приборостроение, 2003, том 13, №4, с. 70-82 [24-26]).

В качестве измерительных датчиков могут быть использованы акустические сейсмические датчики для регистрации акустических сигналов, протонные или квантовые вариометры и магнитометры для измерения электрической и магнитной компоненты естественного электромагнитного поля земли с выделением магнитотеллурической составляющей на фоне помех с разносом электрических и магнитных датчиков на величину Δr≤(0,013…0,025)r, (где r - расстояние между приемником и источником). При этом выделение магнитотеллурической составляющей на фоне помех существенно упрощается, так как помехи по электрическому и магнитному каналам вызваны различными источниками (являются некоррелированными) ввиду разноса датчиков на величину Δr. При этом магнитные составляющие естественного магнитного поля меньше, чем электрические, зависят от характера геоэлектрического разреза вдали от горизонтальных неоднородностей. В качестве датчика магнитного поля, предназначенного для измерения абсолютного значения магнитной индукции поля земли в морских акваториях до глубин 6000 метров, применен датчик с диапазоном измеряемой величины магнитной индукции 20000-100000 нТ. Аналогом является морской донный магнитометр типа SFSM. Для выполнения гравиметрических измерений может быть применен гравиметр, представляющий собой конструкцию принудительно уравновешенного акселерометра, в котором рабочая частота поддерживается в нулевом положении с помощью механизма обратной связи, или струнный гравиметр типа BGM-3. В качестве датчиков сейсмоакустического блока применен трехкомпонентный сейсмоакустический датчик, который предназначен для преобразования третьей производной колебания грунта в электрический сигнал в частотном диапазоне 20-1000 Гц, динамический диапазон которого в полосе 1/3 октавы и с центральной частотой 30 Гц составляет не менее 60 дБ, а также сейсмоприемник типа СМ-5 (велосиметр), включающий три сейсмических датчика с частотным диапазоном регистрации сейсмических сигналов 0,003-20 Гц, полный динамический диапазон не менее 120 дБ. В качестве донного датчика давления применен датчик с диапазоном до 600 атм с погрешностью измерений 0,03%.

Гидроакустический канал связи обеспечивает дальность до 8000 м с диапазоном частот сигналов переносчиков команд 7-10 кГц.

Спектроанализатор предназначен для измерения спектров комбинационного рассеяния оптического излучения в составе подводной обсерватории. По спектрам комбинационного рассеивания получают информацию о составе морской воды.

Основные технические характеристики спектроанализатора спектральный диапазон 0,52-0,78 мкм, полоса пропускания 0,54 нм на 0,783 мкм, точность позиционирования по спектру 0,2 нм, число спектральных каналов 4096.

Блок питания предназначен для обеспечения автономного питания.

Блок контроля радиоактивных элементов предназначен для определения содержания гамма-излучающих радионуклидов (как техногенного, так и естественного происхождения) в морской воде.

Основные технические характеристики блока - диапазон регистрируемых энергий 0,2-3,0 мэВ, энергетическое разрешение по линии цезия 13713%, число уровней квантования спектра 256, максимальное число отсчетов в канале 65000, максимальная скорость регистрации не менее 1000 м/с.

Модем кабельной линии связи предназначен для передачи зарегистрированных параметров на диспетчерскую станцию.

Блок регистрации и управления подводным комплексом предназначен для сбора информации от датчиков подводной обсерватории, привязки ее к системе точного времени, сжатия и передачи по кабельной линии связи через модем кабельной линии связи или для записи информации на жесткий магнитный диск в автономном режиме. Аппаратура блока гидроакустического телеуправления предназначена для управления режимами работы и тестирования подводной обсерватории, а также для подачи сигнала на всплытие радиобуев.

Аппаратура блока гидроакустического телеуправления состоит из двух частей. Аппаратура, входящая в состав диспетчерской станции и осуществляющая передачу команд управления на расстоянии до 8 километров, предназначена для управления режимами работы путем передачи гидроакустических команд управления, приема квитанций от подводной обсерватории, подтверждающих выполнение команд, измерения дальности до подводной обсерватории.

Подводная часть аппаратуры гидроакустического телеуправления, размещенная в подводной обсерватории, обеспечивает прием, декодирование гидроакустических команд управления режимами работ подводной обсерватории и передачу квитанций, подтверждающих выполнение команд, а также подачу команд на всплытие радиобуев, сообщающих о превышении тех или иных параметров, измеряемых подводной обсерватории при работе в автономном и кабельном режиме. Гидрофизический модуль предназначен для выполнения измерений следующих величин:

- температуры,

- давления, электропроводимости,

- вектора скорости течения (трехосный акустический измеритель течений),

- ориентации платформы обсерватории (величины крен-дифферент).

Донный сейсмограф предназначен для обеспечения непрерывного сейсмического мониторинга морского дна в широком частотном и динамическом диапазонах. Он включает в себя датчики слабых сейсмических сигналов и датчики сильных движений дна, блок пространственной ориентации. Блок пространственной ориентации предназначен для определения точного положения в пространстве всех сейсмодатчиков.

При этом используются трехкомпонентные сейсмические датчики (две горизонтальные и одна вертикальная компоненты), предназначенные для преобразования скорости колебания грунта в электрический сигнал в соответствующем динамическом и частотном диапазонах. Сейсмоакустический блок представляет собой трехкомпонентный сейсмоакустический датчик и предназначен для преобразования третьей производной колебания грунта в электрический сигнал в соответствующем динамическом и частотном диапазонах. Основные технические характеристики сейсмоакустического блока: количество сейсмоакустических каналов 3, частотный диапазон 20-1000 Гц, динамический диапазон в полосе 1/3 октавы и с центральной частотой 30 Гц не менее 60 дБ, амплитуда выходного сигнала не более ±10 В, амплитуда контрольного сигнала при токе нагрузки 4 мА не более ±5 В. В качестве датчика магнитного поля используется модуль электрического компаса ТСМ-2 фирмы "Precision Navigation", представляющий из себя трехосный феррозондовый магнитометр и блок электроники, выполненные на одной плате, что позволяет измерять величины магнитной индукции поля земли в морских акваториях до глубин 6000 м, в диапазоне измеряемой величины магнитной индукции 20000…100000 нТ, с погрешностью отсчитывания ±10 нТ.

Блок гидрохимических измерений представляет собой устройство, которое предназначено для классификации загрязнений морской воды по спектральным характеристикам и молекулярному составу (Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию под ред. Ю.И. Дытнерского. - М.: Химия, 1983, Химико-аналитические комплексы фирмы Agilent Technologies (US), http://www.chem.agilent.com., Химико-аналитические комплексы фирмы SRI Instruments (US), http://www.perichrom.com., Химико-аналитические комплексы ЗАО "Хроматэк" (RU), http://www.chronomatec.ru).

Опорные пункты выполнены в виде береговых сооружений или плавсредств (плавучие, стационарные и заякоренные платформы, суда). Средства опорного пункта включают в себя:

- персональный компьютер, совместимый с IBM PC,

- приемник спутниковой навигационной системы GPS,

- блок автономного гидроакустического размыкателя,

- аппаратуру гидроакустического телеуправления.

Минимальная конфигурация персонального компьютера включает:

- процессор - Pentium 166 МГц,

- ОЗУ - 32 Мбайт,

- плату SVGA с памятью 1 Мбайт,

- дополнительную плату с двумя последовательными портами с FIFO памятью (UART16550 - совместимая).

Они используются для обработки информации, полученной с подводной обсерватории.

Программно-математическое обеспечение средств обработки зарегистрированной информации опорного пункта предназначено для проверки всех измерительных каналов подводной обсерватории и блока регистрации и управления через последовательный порт RS-485, привязки к системе единого времени внутренних часов блока регистрации и управления посредством аппаратуры блока гидроакустического телеуправления и приемника GPS, осуществления привязки к географическим координатам посредством аппаратуры блока гидроакустического телеуправления, получения информации по результатам тестовых проверок после установки подводной обсерватории на дно.

Алгоритм основного режима работы опорного пункта заключается в обеспечении связи между подводным комплексом и диспетчерской станцией, которая осуществляется через оптоволоконный глубоководный кабель по методу доступа с временным разделением абонентов. Каждая подводная обсерватория имеет свой адрес. В этом случае сеть диспетчерских станций работает в симплексном режиме. К одной диспетчерской станции одновременно возможно подключение через глубоководный кабель до 16-ти подводных обсерваторий, работающих в автономном необслуживаемом режиме.

Количество измерительных каналов в каждой подводной обсерватории зависит от решаемой задачи в конкретном месте постановки подводной обсерватории. В принципе, максимальное количество цифровых измерительных каналов может быть до 30, а аналоговых - до 6.

Управляющий компьютер опорного пункта и программно-математическое обеспечение реального времени предназначены для управления оборудованием подводной обсерватории, диагностирования ее неисправностей, приема данных, получаемых с подводной обсерватории, и размещения получаемых данных на устройствах накопления информации. Функционирование всего аппаратно-программного комплекса определяется файлом конфигурации, который создается специальной программой и задает наличие подводных обсерваторий, тип используемых геофизических каналов, параметры каналов, а также наличие или отсутствие аппаратуры синхронизации времени (приемник GPS). При запуске программы регистрации считывается конфигурация всей сети подводной обсерватории, производится привязка времени по Гринвичу с точностью до нескольких десятков микросекунд и расчет поправок к частоте кварца компьютера для поддержания функционирования комплекса в случае кратковременного отказа приемника GPS. Синхронизация времени осуществляется каждую секунду от приемника GPS.

Вслед за синхронизацией происходят опрос, программирование, синхронизация и запуск оборудования отдельных подводных обсерваторий. Запрашивается состояние оборудования каждой подводной обсерватории (ее исправность, наличие каналов, исправность каналов и т.д.). В случае возникших проблем на экран выдается соответствующее сообщение (оно также записывается в файл протокола функционирования). В блок регистрации и управления 6 подводной обсерватории передается программа работы для каждого измерительного канала, частота опроса и коэффициент усиления.

Перед запуском каждый блок управления и регистрации синхронизируется по времени компьютера опорного пункта (в дальнейшем синхронизация проводится каждые 10 сек). При синхронизации учитывается время прохождения сигнала от компьютера диспетчерской станции до синхронизируемого блока регистрации и управления. После этого блок регистрации и управления запускается и начинает сбор данных с измерительных каналов. Блок регистрации и управления в каждой подводной обсерватории работает независимо и всю информацию сжимает и складывает в буферную память. Управляющий компьютер опорного пункта циклически запрашивает у соответствующего блока регистрации и управления данные о зарегистрированных датчиками сигналов и, в случае их наличия, принимает их и записывает в свои буфера в оперативной памяти. После накопления достаточного количества данных для канала они переписываются в файл, соответствующий типу канала. Обычно эти файлы расположены на другом компьютере и доступны по локальной сети, хотя для кратковременных экспериментов система может быть сконфигурирована таким образом, что будет использоваться локальный диск. При кратковременных разрывах связи (до 10 мин) данные не теряются, в силу наличия у каждого блока регистрации и управления достаточно большого собственного буфера. В процессе обмена данными оператором может быть проведена калибровка любого измерительного канала, входящего в состав сети опорного пункта. При возникновении нештатных ситуаций (разрыв связи с подводной обсерваторией, его поломка, отказ отдельных каналов, либо восстановления вышеперечисленного), а также некоторых штатных ситуаций (возникновение события или запуск калибровки соответствующего измерительного канала) выдается сообщение на экран, включающее время по Гринвичу наступления ситуации, имена подводных обсерваторий и канала, а также само сообщение. Сообщения также записываются в буфер размером 100 строк и в файл протокола. Буфер может быть просмотрен оператором в любое время. Измерительные датчики подводной обсерватории после ее постановки на дно функционируют по прямому назначению. Зарегистрированные датчиками сигналы записываются на средства хранения информации и при сеансах связи передаются на опорный пункт, где выполняется полный анализ оценки сейсмического и гидродинамического состояния исследуемых районов, по результатам которого делается прогноз о возможных сейсмических и экологических катастрофических событиях природного и техногенного характера. В состав измерительных средств также введен датчик обнаружения метана, например типа METS ("CAPSUM"), который позволяет измерять концентрацию метана в водной толще. Датчик представляет собой полупроводниковый прибор, принцип работы которого заключается в том, что диффузия молекул углеводородов из воды через специальную силиконовую мембрану транслируется в камеру датчика. Адсорбция молекул углеводов на активном слое датчика приводит к электронному обмену с молекулами кислорода, таким образом, меняется сопротивление активного слоя, которое преобразуется в выходное (измеряемое) напряжение. Основные характеристики датчика:

- 10 мкМ силиконовая мембрана,

- рабочая глубина 0-3500 м,

- рабочая температура 2-20 градусов С,

- время измерения 1-3 с,

- время стабилизации диффузии до 5 мин в зависимости от турбулентности,

- входное напряжение 9-36 В,

- расход энергии 160 мА/ч,

- выходной сигнал - аналоговый 0-5 В и цифровой RS-485,

- метан 50 нмоль/л - 10 мкмоль/л.

Дополнительные датчики и устройства включают штатные радиовысотомеры (РВ) и радиодоплеровские измерители скорости и сноса (РДИСС), установленные на самолетах, выполняющих рейсы по трассам в цунамигенных регионах, а также датчики атмосферного и гидростатического давления, измерители параметров ветра и измерители уровня моря, установленные в прибрежных районах. Посредством РВ и РДИСС определяют высоту полета самолета, высоту морской волны (средняя высота волны от подошвы до вершины), длину морской волны в направлении полета и в месте, над которым пролетает самолет. При этом о высоте морской волны судят по разности между максимальными и минимальными значениями амплитуд электромагнитного сигнала (средняя высота волны от подошвы до вершины), о длине морской волны в направлении полета и в месте, над которым пролетает самолет, судят в зависимости от соотношения высоты волны к крутизне волны, период волнения определяют в зависимости от соотношения амплитуды волны и амплитуды ускорения в соответствии с известными алгоритмами (патент RU №2557999 С1, 27.07.2015). Блок-схема такого устройства, как и в прототипе, включает антенну, приемопередатчик,, блок измерения высоты, измеритель частоты Доплера, блок измерения скорости движения, вычислитель для определения высоты волн и фазовой скорости волн, блок для определения направления прихода волн, блок для определения флюктуационной составляющей скорости, блок для определения угла встречи с волной, блок для измерения вертикальных перемещений летательного аппарата, блок для оценки ошибок измерения.

Зная профили взволнованной морской поверхности в точках пересечения с ней радиолучей и определив по ним временной интервал т прохождения морской волной последовательно точек пересечения двух радиолучей с морской поверхностью, можно вычислить угол встречи с волной.

Из теории морских гравитационных волн известно, что между значением фазовой скорости волны и ее длиной λ_в существует зависимость V_ф=√gλ_в/2π (где g - ускорение свободного падения). Причем значение λ_в связано с высотой волны h_в соотношением, зависящим от вида аппроксимации. Согласно Регистру λ_в=2,44(h_в+1)². В свою очередь высота волн может быть определена из флюктуационной составляющей показаний измерителей высоты, которая вследствие нормальности возвышений морской поверхности также является нормальной. В этом случае высота волн 3% обеспеченности h_в3%=5,3σ_в, где σ_в - среднеквадратическое отклонение измеренных возвышений морской поверхности.

Сущность способа заключается в следующем.

На участках с различными инженерно-геологическими условиями размещают исследуемые и опорные пункты наблюдений. В указанных пунктах наблюдений регистрируют сейсмические колебания от землетрясений из потенциально опасных и других очаговых зон.

Определяют динамические параметры сейсмических колебаний и их вариаций в каждом исследуемом пункте наблюдений относительно опорных в заданном частотном диапазоне. Дополнительно проводят трехкомпонентную регистрацию сейсмических колебаний по ортогональной, ориентированной на потенциально опасные очаговые зоны сети профилей.

Кроме того, на материковом склоне и шельфе вдоль линии подножия континентального склона размещают автономные донные станции или подводные обсерватории, на которых установлены средства измерения.

Посредством датчиков слабых сейсмических сигналов, измеряющих три компоненты (горизонтальная, вертикальная и наклонная составляющие) в диапазоне 0,003-0,1 Гц, и датчиков сильных движений дна в диапазоне 0,01-20 Гц, измеряющих также три компоненты, регистрируют сигналы на границе раздела морская вода - морской грунт. При обработке сигналов в качестве решающей статистики используется сумма квадратов амплитуд, имеющая максимальное значение для сигнала ожидаемой структуры. Вычисления выполняются для каждого момента времени для получения временной зависимости для каждого поля. Присутствие в ней максимума означает наличие в источнике ожидаемой структуры возбуждения того или иного поля. Глобальный максимум соответствует времени прихода совокупного принятого сигнала. При достижении величины глобального максимума, равного среднему значению между амплитудами, характеризующими уровни состояния естественного геофизического и гидрофизического полей, судят о возможности наступления катастрофического явления. При обработке сейсмических колебаний определяют временные вариации геомагнитного поля путем измерения параметров гравитационного и магнитного полей в местах установки донных сейсмографов. По зарегистрированным сигналам устанавливают эпицентр подводного землетрясения. По характерным линейным масштабам подвижки дна определяют размеры образующих при этом волновых изменений.

Далее выполняют измерение параметров волнения по трассе движения волн от эпицентра в сторону побережья посредством штатного радиовысотомера и радиодоплеровского измерителя скорости. При полетах над водной поверхностью излучаемые радиовысотомером электромагнитные волны отражаются от водной поверхности от гребня и подошвы волны, что позволяет измерить и высоту волны, как разницу между высотой гребня и подошвы. Кроме того, при изменении высоты полета самолета по показаниям радиовысотомера, в частности, уменьшения приборной высоты на 0,5-1 м и более с учетом изменения наклона средней океанской отражающей поверхности можно утверждать, что выявлена волна типа цунами. Посредством штатного радиодоплеровского измерителя скорости определяют направление движения волн, регистрируют приливные колебания морской поверхности, путем измерения высоты и направления волн с последующим вычислением фазовых скоростей волн, движущихся от эпицентра подводного землетрясения в сторону побережья для разных видов волновых движений, при этом, выполняют учет внешних сил приливного потенциала, переменного атмосферного давления поля напряженности ветра и гидростатического давления по трассе распространения волн и при этом по измеренным линейным масштабам подвижки морского дна, зарегистрированным посредством кварцевых датчиков на глубоководных сейсмических станциях определяют размеры образующих при этом волновых изменений методом начальных параметров и/или интерполяционно - разностным методом, измерения высоты и направления волн с последующим вычислением фазовых скоростей волн в открытом океане выполняют посредством штатных радиовысотомеров, установленных на рейсовых самолетах, прогноз возникновения волны цунами выполняют по двум выделенным уединенным волнам в форме холмов, следующих друг за другом с периодом колебаний от 15 до 60 минут и значениям наклона для выделенных волн, при этом если значения наклонов в течение 2-3 циклов превысят 4-5 угл. сек, то данная волна определяется как волна цунами, на опорных пунктах выделяют волны Ляви и Рэлея, по которым определяют свободные гравитационные волны. По возрастанию спектральной плотности при приближении к берегу в низкочастотной области, которые служат сигналом о приближении цунами, дополнительно на опорных пунктах выполняют моделирование колебаний уровня океана, вызываемых атмосферными возмущениями с выделением сигнала цунами на шельфе с учетом неоднородной береговой линии и в открытом океане на фоне естественного длинноволнового шума с выделением длинных волн, для которых возникает эффект резонансного отражения, включая уединенные волны в форме холмов с периодом колебаний от 15 до 60 минут позволяют получить оперативную оценку сейсмического состояния исследуемых районов с достоверным прогнозом возможных сейсмических событий, а также осуществить раннее оповещение о приближающихся землетрясениях и цунами.

На наземных станциях приема и обработки сигналов службы предупреждения о цунами по информации, поступающей от соответствующих измерительных датчиков устанавливают эпицентр подводного землетрясения о чем оповещают соответствующие технические центры, в том числе экипажи рейсовых самолетов, находящихся в регионе подводного землетрясения.

После получения информации от средств измерения параметров океанской поверхности, установленных на рейсовых самолетах, по измеренным сигналам выполняют моделирование колебаний уровня океана, вызываемых атмосферными возмущениями с выделением сигнала цунами на шельфе с учетом неоднородной береговой линии и в открытом океане на фоне естественного длинноволнового шума с выделением длинных волн, для которых возникает эффект резонансного отражения, включая уединенные волны в форме холмов с периодом колебаний от 15 до 60 минут, прогноз возникновения волны цунами выполняют по двум выделенным уединенным волнам в форме холмов с периодом колебаний от 15 до 60 минут и значениям наклона для выделенных волн, при этом если значения наклонов в течение 2-3 циклов превысят 4-5 угл. сек, то данная волна классифицируется как волна цунами.

При анализе выявленной волны цунами из зарегистрированных длинных волн принимаются следующие факторы: магнитуда более 7 по шкале Рихтера и центр землетрясения расположен под водой, зарегистрированные уединенные волны в форме холмов длинной от 10 до 100 км и более, при этом, за каждой такой волной неизбежно следует другая такая же волна с периодом колебаний от 15 до 60 мин (В.В. Шулейкин. Краткий курс физики моря. Гидрометеорологическое издательство. Л., 1959, с. 105-108 [27]), скорость волны в открытом океане составляет 500-700 км, регистрируют релеевскую волну - предвестника цунами, которая распространяется со скоростью примерно в 20 раз больше, чем волна цунами, расстояние между двумя уединенными волнами в форме холма 100 км, высота волны менее 1 м (Рабинович А.Б. Наблюдения цунами в открытом океане. Известия РАН, сер. Физика атмосферы и океана, 2014, т. 50, №5, с. 508-523 [28]. Рабинович А.Б. Длинные гравитационные волны в океане. СПб., Гидрометеоиздат, 1993, 326 с. [29]).

При этом, если измеренные параметры превышают параметры для спокойного моря более, чем на 75% для первого уровня и 50% для второго уровня и при этом параметры волнения имеют тенденцию дальнейшего синхронного увеличения, то опасность волны цунами составляет более 85%.

На береговых станциях выполняют анализ всех зарегистрированных сигналов с обнаружением и классификацией помех посредством коррелятора полезного сигнала. Обработка зарегистрированных сигналов выполняется посредством вычислительного модуля логических операций. В первую очередь выделяют волны типа Ляви и Рэлея, так как при прохождении по дну океана определенных волн (Ляви и Рэлея) в водном слое возникают свободные гравитационные волны, которые более чем на час опережают вступление волн цунами. При этом происходит возрастание спектральной плотности при приближении к берегу в низкочастотной области.

Волны Рэлея наблюдаются вдали от эпицентра землетрясения и их регистрация осуществляется посредством прибрежных донных станций типа ОБС-3. Далее выделяют длинные волны в диапазоне 4-28 Гц, фазовые скорости которых варьируются в диапазоне 350-700 м/с. Затем выделяют свободные гравитационные волны, возбуждаемые в океане сейсмическими поверхностными волнами. Скорости поверхностных гравитационных волн и внутренних гравитационных волн разные из-за плотности водной среды. Волны с короткопериодными колебаниями (0,1-8 час), связаны с атмосферными возмущениями или цунами. Различие фазовых скоростей для разных видов волновых движений приводит к физическому выделению каждого из видов. Учет внешних сил приливного потенциала, переменного атмосферного давления поля напряженности ветра и других. Групповая скорость волн всегда меньше фазовой по модулю (Волны в пограничных областях океана. Под ред. В.В. Ефимова. Л., Гидрометеоиздат, 1985, с. 280, с. 10 [30]). Незначительные колебания уровня моря у берега, обязанные этим гравитационным волнам, могут служить своеобразным естественным сигналом о приближении цунами (Газета «Санкт-Петербургские ведомости», 25 февраля 2020 года, стр. 4, №33(6631) [31]).

При обработке всех зарегистрированных сигналов на береговых станциях используют метод начальных параметров и/или интерполяционно - разностный метод. Реализация предлагаемого способа сейсмического микрорайонирования позволит выявить длинные волны, оценить их параметры и использовать полученные данные в меньшие сроки и существенно повысить достоверность прогноза цунами.

Реализация устройства технической сложности не представляет, так как устройство реализовано на серийно выпускаемых датчиках и элементах микроэлектроники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности "промышленная применимость".

Источники информации

1. Патент RU №2276388 С1, 10.05.2006.

2. Патент RU №2238574 С1, 20.10.2004.

3. Патент JP №5072346 А, 26.03.1993.

4. Патент RU №2270464 С1, 20.02.2006.

5. Патент RU №2339977С2, 27.11.2008.

6. Патент RU №1251694 С1, 30.07.1994.

7. Патент RU №2346300 С1, 10.02.2009.

8. Башилов И.П. и др. Донные геофизические обсерватории: методы конструирования и области применения. - Научное приборостроение, 2008, т. 18, №2, с. 91-95.

9. Заявка US №2006195263 А1, 31.08.2006.

10. Патент RU №2436125 С1, 10.12.2011.

11. В.Л. Чубаров. Численное моделирование волн цунами: диссертация на присвоение звания доктора физико-математических наук: Новосибирск, 2000.

12. Патент RU №2473930 С2, 29.09.2010.

13. Патент RU №2435178 С1, 14.09.2010.

14. Патент RU №2555498 С2, 14.10.2013.

15. Патент RU №2339977 С2, 13.11.2006.

16. Патент RU №2362190 С2, 04.05.2007.

17. Патент RU №2455664 С1, 09.03.2011.

18. Патент RU №2363963 С1, 15.04.2008.

19. Патент RU №2349939 С1, 14.08.2007.

20. Заявка US №10422908, 24.09.2019.

21. Винокуров Л.В. Прогноз и предупреждение удара цунами/Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2007, №7, с. 242-248.

22. Патент US №10042051, 27.04. 2016.

23. Tsunami-Wave Parameter Estimation Using GNSS-Based Sea Surface Height Measurement, Kegen Yu, IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, VOL. 53, NO. 5, MAY.

24. Смирнов Г.В., Еремеев В.И., Агеев М.Д. и др. Средства и методы океанологических исследований. - М.: Наука, 2005.

25. Ковчин И.С. Автономные океанографические средства измерений. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991.

26. Современные донные станции для сейморазведки и сейсмологического мониторинга / Зубко Ю.Н., Левченко Д.Г., Леденев В.В., Парамонов А.А. // Научное приборостроение, 2003, том 13, №4, с. 70-82.

27. В.В. Шулейкин. Краткий курс физики моря. Гидрометеорологическое издательство. Л., 1959, с. 105-108.

28. Рабинович А.Б. Наблюдения цунами в открытом океане. Известия РАН, сер. Физика атмосферы и океана, 2014, т. 50, №5, с. 508-523.

29. Рабинович А.Б. Длинные гравитационные волны в океане. СПб., Гидрометеоиздат, 1993, 326 с.

30. Волны в пограничных областях океана. Под ред. В.В. Ефимова. Л., Гидрометеоиздат, 1985,с. 280, с. 10.

31. Газета «Санкт-Петербургские ведомости», 25 февраля 2020 года, стр. 4, №33(6631).

Изобретение относится к способам сейсмического микрорайонирования и может быть использовано для обнаружения возможности наступления катастрофических явлений. Согласно заявленному способу размещают исследуемые и опорные пункты наблюдений на участках с различными инженерно-геологическими условиями. В указанных пунктах наблюдений регистрируют сейсмические колебания от землетрясений из потенциально опасных и других очаговых зон. Определяют динамические параметры сейсмических колебаний и их вариаций в каждом исследуемом пункте наблюдений относительно опорных в заданном частотном диапазоне. Дополнительно проводят трехкомпонентную регистрацию сейсмических колебаний по ортогональной, ориентированной на потенциально опасные очаговые зоны сети профилей. Кроме того, на материковом склоне и шельфе вдоль линии подножия континентального склона размещают донные сейсмографы с широкополосными сейсмическими каналами 0,003-20 Гц. Регистрируют при помощи указанных сейсмографов давление волн цунами на дно на частотах 0,003-0,01 Гц. Зарегистрированные сигналы транслируют по гидроакустическому каналу связи на опорные пункты. В местах установки донных сейсмографов также определяют временные вариации геомагнитного поля посредством измерения параметров гравитационного и магнитного полей. Дополнительно регистрируют приливные колебания морской поверхности путем измерения высоты и направления волн с последующим вычислением фазовых скоростей волн, движущихся от эпицентра подводного землетрясения в сторону побережья, для разных видов волновых движений, при этом выполняют учет внешних сил приливного потенциала, переменного атмосферного давления поля напряженности ветра и гидростатического давления по трассе распространения волн. По линейным масштабам подвижки морского дна, зарегистрированным посредством кварцевых датчиков на глубоководных сейсмических станциях определяют размеры образующих при этом волновых изменений методом начальных параметров и/или интерполяционно - разностным методом. Измерения высоты и направления волн с последующим вычислением фазовых скоростей волн в открытом океане выполняют посредством штатных радиовысотомеров, установленных на рейсовых самолетах. Прогноз возникновения волны цунами выполняют по двум выделенным уединенным волнам в форме холмов, следующих друг за другом с периодом колебаний от 15 до 60 минут, и значениям наклона для выделенных волн, при этом если значения наклонов в течение 2-3 циклов превысят 4-5 угл. сек, то данная волна определяется как волна цунами. На опорных пунктах выделяют волны Ляви и Рэлея, по которым определяют свободные гравитационные волны по возрастанию спектральной плотности при приближении к берегу в низкочастотной области, которые служат сигналом о приближении цунами. На опорных пунктах также выполняют моделирование колебаний уровня океана, вызываемых атмосферными возмущениями с выделением сигнала цунами на шельфе с учетом неоднородной береговой линии и в открытом океане на фоне естественного длинноволнового шума с выделением длинных волн, для которых возникает эффект резонансного отражения, включая уединенные волны в форме холмов с периодом колебаний от 15 до 60 минут. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ определения опасности цунами, включающий размещение исследуемых и опорных пунктов наблюдений на участках с различными инженерно-геологическими условиями, регистрацию в них сейсмических колебаний от землетрясений из потенциально опасных и других очаговых зон, определение динамических параметров сейсмических колебаний и их вариаций в каждом исследуемом пункте наблюдений относительно опорных в заданном частотном диапазоне исследований, в котором дополнительно проводят трехкомпонентную регистрацию сейсмических колебаний по ортогональной, ориентированной на потенциально опасные очаговые зоны сети профилей, дополнительно регистрируют давление волн цунами на дно на частотах 0,003-0,01 Гц посредством донных сейсмографов с широкополосными сейсмическими каналами 0,003-20 Гц, транслируют зарегистрированные сигналы по гидроакустическому каналу связи на опорные пункты, размещенные в исследуемых районах, при этом донные сейсмографы размещают на материковом склоне и шельфе вдоль линии подножия континентального склона, при обработке сейсмических колебаний определяют временные вариации геомагнитного поля путем измерения параметров гравитационного и магнитного полей в местах установки донных сейсмографов, отличающийся тем, что в процессе регистрации сейсмических колебаний с определением эпицентра подводного землетрясения дополнительно регистрируют приливные колебания морской поверхности путем измерения высоты и направления волн с последующим вычислением фазовых скоростей волн, движущихся от эпицентра подводного землетрясения в сторону побережья, для разных видов волновых движений, при этом выполняют учет внешних сил приливного потенциала, переменного атмосферного давления поля напряженности ветра и гидростатического давления по трассе распространения волн, прогноз возникновения волны цунами выполняют по двум выделенным уединенным волнам в форме холмов, следующих друг за другом с периодом колебаний от 15 до 60 минут, и значениям наклона для выделенных волн, при этом если значения наклонов в течение 2-3 циклов превысят 4-5 угл. сек., то данная волна определяется как волна цунами.

2. Способ определения опасности цунами по п. 1, отличающийся тем, что по линейным масштабам подвижки морского дна, зарегистрированным посредством кварцевых датчиков на глубоководных сейсмических станциях, определяют размеры образующих при этом волновых изменений методом начальных параметров и/или интерполяционно - разностным методом.

3. Способ определения опасности цунами по п. 1, отличающийся тем, что измерения высоты и направления волн с последующим вычислением фазовых скоростей волн в открытом океане выполняют посредством штатных радиовысотомеров, установленных на рейсовых самолетах.

4. Способ определения опасности цунами по п. 1, отличающийся тем, что на опорных пунктах выделяют волны Ляви и Рэлея, по которым определяют свободные гравитационные волны по возрастанию спектральной плотности при приближении к берегу в низкочастотной области, которые служат сигналом о приближении цунами.

5. Способ определения опасности цунами по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно на опорных пунктах выполняют моделирование колебаний уровня океана, вызываемых атмосферными возмущениями с выделением сигнала цунами на шельфе с учетом неоднородной береговой линии и в открытом океане на фоне естественного длинноволнового шума с выделением длинных волн, для которых возникает эффект резонансного отражения, включая уединенные волны в форме холмов с периодом колебаний от 15 до 60 минут.