Патент на изобретение №2302020

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к сейсмологии и может быть использовано для краткосрочного предсказания землетрясений. Сущность: визуальными наблюдениями с орбитальной станции осуществляют обнаружение протяженных гряд облачных линейных аномалий и их одновременную съемку видеокамерой и гиперспектрометром на спектральных линиях атома водорода. Отслеживают изменение суммы среднеквадратических значений сигналов в каналах приема на последовательных витках. Определяют постоянную времени переходного процесса, прогнозируют время удара и магнитуду удара. Координаты очага землетрясения отождествляют с координатами снимков облачных линейных аномалий. Технический результат: повышение достоверности, оперативности и глобальности прогноза. 5 ил.

Изобретение относится к сейсмологии, в частности космическим методам дистанционного мониторинга природных сред, и может найти применение в национальных системах сейсмического контроля для краткосрочного предсказания землетрясений.

К настоящему времени известен ряд динамических признаков-предвестников грядущего землетрясения, проявляющихся за несколько суток до удара. Среди них – возникновение над очаговой зоной в атмосфере электростатического поля напряженностью несколько кВ/м, эманация в атмосферу легких газов из разломов в земной коре, появление на фоне безоблачного неба протяженных облачных линейных аномалий вблизи эпицентральной зоны [см., например, “Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов”, Доклады конференции. Объединенный Институт Физики Земли им. О.Ю.Шмидта, РАН, М, 1998 г., стр.27, а также Морозова Л.И. “Динамика облачных аномалий над разломами в периоды природной и наведенной сейсмичности”, статья в журнале “Физика Земли”, РАН, №9, 1997 г., стр.94-96].

Перечисленные признаки-предвестники изменяют характеристики электромагнитного поля как собственного излучения подстилающей поверхности, так и отраженного от нее светового потока. Известен “Способ определения вероятности землетрясения”, Патент RU №2183844, G01V 9/00, 2002 г. – аналог.

В способе-аналоге получают изображение собственного излучения подстилающей поверхности по двум взаимно-ортогональным по поляризации каналам приема в виде матриц цифровых отсчетов зависимости амплитуды сигнала А (x, y) от пространственных координат, формируют синтезированную матрицу изображения из попиксельных отношений амплитуд сигнала изображений в этих каналах, выделяют методами пространственного дифференцирования контуры на синтезированном изображении, вычисляют интервал автокорреляции (r) функции внутри выделенного контура, по серии последовательных изображений отслеживают динамику его изменения, рассчитывают вероятность землетрясения как интеграл от функции распределения вероятностей интервала автокорреляции в пределах от начала наблюдения r_нач до r(Т), где Т – интервал прогнозирования.

Недостатками способа-аналога являются:

отсутствие количественных оценок параметров прогнозируемого землетрясения;

малая достоверность, обусловленная использованием при прогнозировании одного из множества возможных расчетных параметров.

Ближайшим по технической сущности аналогом является “Способ идентификации очагов землетрясений”, Патент RU №2242773, G01V 9/00, 2004 г.

В способе ближайшего аналога регистрируют показатели, характеризующие изображения подстилающей поверхности – восходящее излучение подстилающей поверхности в виде зависимости амплитуды сигнала А (x, y) от пространственных координат в каналах ₁, ₂, разнесенных на края инфракрасного диапазона волн (1…10) мкм, результирующую матрицу изображения формируют из производных идентичных пикселей исходных изображении, осуществляют выделение контуров на синтезированном изображении и расчет их фрактальной размерности, вычисляют пространственный спектр Фурье фрагмента изображения внутри выделенного контура и находят среднее значение пространственной частоты F_cp, осуществляют перемножение пространственного спектра на передаточную функцию высокочастотного фильтра с граничной частотой среза, равной F_cp, обратным Фурье преобразованием восстанавливают отфильтрованное изображение, и по значению фрактальной размерности, узору рисунка изолиний полученного поля напряжений, форме выделенного контура, визуального сравнения их с эталонными судят о принадлежности выявленной аномалии к очагу землетрясения.

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести:

низкую достоверность, обусловленную субъективностью анализа визуальных признаков;

отсутствие количественных характеристик параметров прогнозируемого землетрясения.

Задача, решаемая заявляемым способом, состоит в повышении достоверности определения прогнозируемых характеристик землетрясения путем измерения нескольких одновременно существующих признаков-предвестников при повышении оперативности и глобальности прогноза землетрясений.

Технический результат достигается тем, что в способе определения параметров землетрясения, включающем регистрацию показаний, характеризующих изображения подстилающей поверхности, в виде зависимости амплитуды сигнала А (x, y) от пространственных координат по нескольким каналам приема, совместную обработку изображений каналов приема, прогнозирование землетрясений по числовым характеристикам результирующего сигнала, дополнительно визуальными наблюдениями с орбитальной станции осуществляют обнаружение протяженных гряд облачных линейных аномалий (ЛОА) и их одновременную съемку видеокамерой и гиперспектрометром на спектральных линиях атома водорода, отслеживают изменение суммы среднеквадратических значений () сигналов в каналах приема на последовательных витках, определяют постоянную времени Т переходного процесса как прогнозируют время удара: t_y4,7T и магнитуду (М) из соотношения: lgt_y[сут]=0,54M-3,37, а координаты очага землетрясения отождествляют с координатами полученных снимков ЛОА, где

t=t₂-t₁=t₃-t₂ – интервал времени между последовательными съемками на витках;

₀ – предельная величина результирующего сигнала, при котором происходит удар из очага

₁, ₂, ₃ – сумма среднеквадратических значений сигналов в каналах приема в моменты измерений t₁, t₂, t₃.

Изобретение поясняется чертежами, где

фиг.1 – зарегистрированное на полигоне Министерства Чрезвычайных Ситуаций (МЧС) при землетрясении падение атмосферного давления в очаговой зоне;

фиг.2 – гряды линейных облачных аномалий над очаговой зоной, снятые со спутника “Метеор”;

фиг.3 – спектральные линии водорода (серия Бальмера) в видимом диапазоне;

фиг.4 – функция изменения величины результирующего сигнала (функция переходного процесса);

фиг.5 – функциональная схема устройств, реализующая способ.

Техническая сущность способа состоит в следующем.

Сначала производят регистрацию показателей, характеризующих изображения подстилающей поверхности, в виде зависимости амплитуды сигнала А (x, y) от пространственных координат по нескольким каналам приема, затем по совместной обработке изображений каналов приема производят прогнозирование землетрясений по числовым характеристикам результирующего сигнала.

Накануне землетрясения, за счет асимметрии приложения сил сжатия и упругой отдачи, в литосфере происходит раскачка очага землетрясения, сопровождаемая распространением от его гипоцентра сверхнизких литосферных волн [см., например, Патент RU №217.446, 2001 г.]. Раскачка очага сопровождается интенсивным выделением водорода в атмосферу из разломов в земной коре. Поскольку молярный вес водорода в 15 раз меньше молярного веса составляющих атмосферного воздуха (азота, кислорода), то поступление водорода из земной коры сопровождается понижением атмосферного давления над очаговой зоной в пропорции порядка 20 мм рт.ст. на 1% содержания водорода. Падение атмосферного давления в очаговой зоне, зарегистрированное на полигоне МЧС “Кавказские Минеральные воды” накануне состоявшегося землетрясения, иллюстрируется рисунком фиг.1. Легкие молекулы водорода, поднимаясь вверх, вызывают инверсию в слоях атмосферы, наблюдаемую визуально в виде протяженных гряд высокой облачности на фоне безоблачного пространства. Полученные со спутника “Метеор” изображения линейных облачных аномалий (ЛОА) иллюстрируются рисунком фиг.2. Однако падение атмосферного давления и аномальные облачные образования могут возникать на границах циклонов и по погодным условиям. Поэтому прогноз землетрясений по перечисленным признакам-предвестникам недостаточно достоверен. Достоверность прогноза можно существенно повысить, если проводить непосредственные измерения процентного содержания водорода в атмосферном воздухе в зонах обнаруженных ЛОА. Возможность дистанционного измерения процентного содержания водорода путем зондирования атмосферы с орбиты КА обеспечивают приборы так называемого “химического зрения” [см., например, “Малый космический аппарат “Вулкан-Астрогон” с гиперспектрометром высокого разрешения”, Инженерная записка, ВНИИ ЭМ-НТЦ “Реагент”, РАКА, 2002 г.].

Каждый газ, в том числе и водород, имеет строго определенные спектральные линии “излучения-поглощения” в видимом диапазоне. На рисунке фиг.3 воспроизведена серия Бальмера спектральных линий водорода. Взаимодействие падающего светового потока с повышенным содержанием водорода в атмосфере (за счет диффузного переизлучения, эквивалентно увеличению яркости отраженного света в спектральных полосах, примыкающих к спектральным линиям водорода). Регистрацию спектральных полос переизлучения видимого света атомами водорода обеспечивает прибор “химического зрения”, гиперспектрометр высокого разрешения “Астрогон-1” (ширина полосы 1-3 нм с пространственным разрешением до 2 м с высоты орбиты КА до 500 км) [см., там же Инженерная записка, стр.8].

За несколько суток до удара отмечается увеличение ЛОА в зонах тектонической активности примерно на порядок [см., Патент РФ №2242774, G01V, 9/00, 2004 г.], а также увеличение процента содержания водорода в атмосфере (см. фиг.1). Таким образом, накануне удара оба процесса жестко коррелированы между собой. Степень подобия двух процессов оценивают функцией взаимной корреляции [см., например, Заездный A.M. “Основы расчетов по статистической радиотехнике”, Связьиздат, М., 1969 г., стр.92-95]. Переход от начального состояния (фоновый уровень) к конечному состоянию (“вспарывание” очага) сопровождается нарастанием турбулентности обоих процессов. По определению [см., там же, Заездный A.M.] значение корреляционной функции в нуле равно средней мощности процесса, т.е. сумме переменной и постоянной составляющих. По физическому смыслу переменная составляющая сигнала равна его дисперсии. Поэтому, чтобы отследить нарастание турбулентности процессов, достаточно вычислять сумму их дисперсий и отслеживать ее изменение во времени на последовательных витках. Скрытую информацию о характеристиках предстоящего землетрясения содержит огибающая сигнала отслеживаемого переходного процесса.

Известно, что зависимость между самой функцией и скоростью ее изменения представляется дифференциальным уравнением первой степени, общим решением которого является экспонента [см., например, Н.С.Пискунов “Дифференциальные и интегральные исчисления для втузов”, учебник, 5-е издание. Наука, М., 1964 г., стр.458].

Начальные условия для решения дифференциального уравнения получают путем серии проводимых измерений. Из свойств экспоненты следует, что

[см., рисунок фиг.4], где Т – постоянная времени экспоненты, ₀ – предельная величина турбулентности, при которой происходит удар очага землетрясения, ₁, ₂ – значения отслеживаемого параметра в моменты измерений t₁, t₂. Если измерения проводить через равные интервалы времени t=t₂-t₁=t₃-t₂, то представляется возможность вычислить аналитически установившееся (предельное) значение ₀:

После вычисления характеристик переходного процесса определяют параметры ожидаемого удара. За время удара t_y принимают интервал времени, за который огибающая переходного процесса с вероятностью 0,99 достигает значения ₀, что соответствует величине t_y4,7T. Магнитуду удара вычисляют по формуле Гуттенберга-Рихтера:

lgt_y[сут]=0,54M-3,37

Заявляемый способ может быть реализован по схеме фиг.5. Функциональная схема устройства фиг.5 содержит орбитальную станцию 1 типа международной космической станции (МКС), управляемую из Центра Управления Полетом 2 (ЦУП) через командную радиолинию 3. По предварительным целеуказаниям над сейсмоопасными регионами планеты 4 осуществляют включение бортовой аппаратуры МКС по разовым командам или суточной программе, передаваемым по радиолинии 3 в бортовой комплекс управления 5 (БКУ). По визуальным наблюдениям космонавтов под запланированными регионами осуществляют обнаружение протяженных (несколько сот километров) гряд линейных облачных аномалий 6.

Проводят съемку обнаруженных ЛОА широкоугольной телекамерой 7 и гиперспектрометром 8 (типа Астрогон-1). Отснятые кадры записывают в бортовой видеомагнитофон 9 (типа “Нива”) и в сеансах видимости МКС по высокоскоростному каналу передачи данных 10 сбрасывают на пульт приема информации 11, где осуществляют запись на видеомагнитофон 12 (типа “Арктур”).

После предварительной обработки на основе служебных признаков записанную информацию перегоняют в Геофизический центр обработки 13 (МЧС), где ведется архив 14 всех обнаруженных ЛОА на базе стримеров (типа FT-120). Тематическую обработку полученных кадров по операциям заявляемого способа осуществляют на персональных электронно-вычислительных машинах (ПЭВМ) 15 в стандартном наборе элементов:

процессора 16, оперативного ЗУ 17, винчестера 18, дисплея 19, принтера 20 и клавиатуры 21. Информация о состоянии обнаруженных очагов землетрясения и динамике их поведения выводится на сайт 22 сети “Интернет”.

Увеличение количества ЛОА вокруг эпицентральной части очага накануне удара изменяет соотношение между числом светлых и темных пикселей в кадре ее изображения (см. фиг.2). Поскольку функция яркости изображения А (x, y) обычно квантуется в шкале 0…256 уровней, то увеличение количества светлых пикселей эквивалентно увеличению мощности (дисперсии) сигнала. Аналогичная закономерность происходит и в каналах приема на спектральных линиях атома водорода. При увеличении концентрации водорода в атмосфере воздуха увеличивается количество молекул, участвующих в диффузном переизлучении падающего светового потока на спектральных линиях, что эквивалентно увеличению мощности принимаемых сигналов.

Поскольку гиперспектометр “Астрогон-1” обеспечивает площадь обзора 30×30 км при приеме на спектральных линиях, то для корректной привязки данных съемку гиперспектрометром проводят синхронно с широкоугольной телекамерой. В каждом цикле измерений результирующий сигнал представляется среднеквадратической суммой дисперсии i-тых каналов приема, т.е.

Процедуру определения начальных условий для отслеживаемого переходного процесса проводят как минимум на трех последовательных витках, с интервалом t=1,5 час. Измеренные в эксперименте значения _i составили ₁=81; ₂=163; ₃=200, откуда ₀=246.

Постоянная времени Т переходного процесса 16,8 час. Ожидаемое время удара t_y4,7T=3,3 сут, ожидаемая магнитуда удара М 7,2.

Поскольку возникающие ЛОА “кучкуются” вокруг эпицентральной части очага, то гипоцентр землетрясения определяют визуально по снимкам широкоугольной телекамеры (см. фиг.2). Координаты очага землетрясения совпадают с координатами полученных снимков ЛОА.

Эффективность заявляемого способа характеризуется такими качественными показателями, как глобальность, оперативность, достоверность, документальность. При штатном режиме работы космонавтов МКС по предполагаемой технологии представляется возможность упреждающего оповещения населения о предстоящем землетрясении в глобальном масштабе с оперативной передачей документальных материалов в центр мониторинга МЧС.

Формула изобретения

Способ определения параметров землетрясения, включающий регистрацию показателей, характеризующих изображения подстилающей поверхности, в виде зависимости амплитуды сигнала А (x, y) от пространственных координат по нескольким каналам приема, совместную обработку изображений каналов приема, прогнозирование землетрясений по числовым характеристикам результирующего сигнала, отличающийся тем, что визуальными наблюдениями с орбитальной станции осуществляют обнаружение протяженных гряд облачных линейных аномалий и их одновременную съемку видеокамерой и гиперспектрометром на спектральных линиях атома водорода, отслеживают изменение суммы среднеквадратических значений сигналов в каналах приема на последовательных витках, определяют постоянную времени Т переходного процесса как прогнозируют время удара t_y4,7T и магнитуду удара (М) из соотношения 1gt_y[сут]=0,54M-3,37, а координаты очага землетрясения отождествляют с координатами снимков облачных линейных аномалий, где t=t₂-t₁=t₃-t₂ – интервал времени между последовательными съемками на витках;

₀ – предельная величина результирующего сигнала, при котором происходит удар;

где ₁, ₂, ₃ – сумма среднеквадратических значений сигналов в каналах приема в моменты измерений t₁, t₂, t₃.

РИСУНКИ