Патент на изобретение №2383039

(54) СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЙ ПРЕДВЕСТНИКА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано при создании сети геофизических наблюдений в сейсмоопасных регионах планеты. Сущность: система состоит из средств наблюдения и отслеживания электроразрядных процессов «сухих» гроз в атмосфере, средств измерений теплового излучения инфракрасного диапазона, установленных на поворотной платформе, тракта обработки и расчета характеристик землетрясения по параметрам обрабатываемого сигнала. При этом реализован режим измерений атмосфериков «сухих» гроз, исключающий фоновый уровень теплового излучения Земли в измерительном канале наземных средств, включающих грозопеленгатор – дальномер с круговой диаграммой направленности антенны по пеленгу и радиометр ближнего ИК-диапазона, сканирующий объем атмосферика по его пеленгу на интервале времени существования атмосферика. Технический результат: повышение оперативности и достоверности результатов. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано при создании сети геофизических наблюдений в сейсмоопасных регионах планеты.

Достоверный прогноз землетрясений возможен при установлении их первопричины и измерения сопутствующих признаков предвестников.

В настоящее время существует несколько моделей, претендующих на объяснение первопричины землетрясений [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических, наземно-космических методов», доклады конференции ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта РАН, М., 1998 г., стр.14-18. Разработка моделей подготовки сильных землетрясений и стратегия прогноза]. Одной из альтернативных и перспективных моделей является модель блочно-иерархической структуры литосферы. Накануне удара, из-за насыщения земной коры газовой компонентой, отдельные блоки сливаются, образуя крупномасштабную зону неустойчивого состояния – очаг будущего землетрясения. Первопричиной консолидации блоков является общепланетарная дегазация земной коры и ядра планеты [см., например, Гуфельд И.Л. «Сейсмический процесс. Физико-химические аспекты», Королев М.О., ЦНИИМАШ, ИФЗ им. О.Ю.Шмидта РАН, М., 2007, стр.10-18]. Эстафетный механизм передачи упругой энергии восходящих потоков газов сопровождается накачкой земной коры дополнительной энергией и установлением механических колебаний всей зоны подготавливаемого землетрясения [см., например, патент RU 2170446, 2001]. Факт эманации газов из земной коры в атмосферу накануне удара см. патент RU 2204852, 2003, 2275659, 2006 г., 2302020, 2007 г.

Известен «Способ прогнозирования землетрясений», патент RU 2295141, 2007, – аналог.

Способ-аналог включает визуальное обнаружение космонавтами сполохов ночного горизонта через видеокамеру, соосную с мультиспектрометром, регистрацию излучения подстилающей поверхности на последовательных витках полета космического аппарата, измерение дисперсии сигналов головных спектральных полос излучения азота и кислорода и их суммы по трассе полета в обнаруженных областях, 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=4,7 Т, магнитуда как lg t_y [сут]=0,54М – 3,37, где – интервал времени между последовательными моментами измерений D₁, D₂, D₃ – дисперсии результирующего сигнала в моменты t₁, t₂, t₃; D₀ – удельная величина установившегося значения результирующего сигнала, рассчитываемая как

К недостаткам аналога следует отнести:

– большой фоновый уровень стационарного теплового излучения подстилающей поверхности, маскирующий полезный сигнал, а также нестационарного теплового излучения из-за климатических аномалий, локальных парниковых эффектов над зонами тектонических разломов;

– ненадежность, субъективность человеческого фактора, занятость космонавтов в других операциях при наблюдениях сполохов ночного горизонта.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Способ прогноза землетрясений», патент RU 2298818, G01V 9/00, 2007 г.

Способ ближайшего аналога включает регистрацию множественных электроразрядных процессов в атмосфере над исследуемой территорией при облачности не выше 2 баллов в период после заката и до восхода Солнца широкоугольной телекамерой, установленной на поворотной платформе на летательном аппарате, выявление в обнаруженных областях посредством тепловизора, установленного соосно с телекамерой, зоны повышенной температуры, соответствующей газовым выделениям над разломами в земной коре, отождествление выявленной зоны по координатам летательного аппарата и угла поворота платформы с координатами очага готовящегося землетрясения в интервал времени, соответствующий регистрации электроразрядных процессов, через равные промежутки времени производят получение изображения выявленных зон, определение функции П(t)=m/ нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения как отношение среднего из измеренных значений яркости (m) изображений выявленных зон к его среднеквадратическому отклонению (), определяют время ожидаемого землетрясения из соотношения

где П₀ – предельное значение функции нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения П₁, П₂, П₃ – значения функции нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения в моменты t₁, t₂, t₃; t – интервал времени между моментами получения изображений (час); определяют магнитуду землетрясения из соотношения lg (t₃)=0.54 М-3.37, а координаты гипоцентра отождествляют с координатами максимальной яркости изображения выявленных зон.

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести:

– высокий фоновый уровень как стационарного, так и нестационарного инфракрасного излучения из-за локальных климатических аномалий или локальных парниковых эффектов (в виде смога от промышленных выбросов), маскирующих полезный сигнал и снижающих достоверность идентификации выявленных зон и прогноза землетрясений;

– трудность практической реализации регистрации множественных электроразрядных процессов в атмосфере широкоугольной телекамерой с борта летательного аппарата без априорного знания координат для нацеливания поворотной платформы.

Задача, решаемая заявленной системой, состоит в упреждающем обнаружении и однозначной идентификации зон электроразрядных процессов в виде атмосфериков «сухих» гроз грозопеленгатором, достоверном прогнозе характеристик землетрясения по текущим измерениям в инфракрасном диапазоне параметров атмосфериков наземными средствами на интервале времени существования атмосфериков.

Технический результат достигается тем, что в системе измерений предвестника землетрясений, состоящей из средств наблюдения и отслеживания электроразрядных процессов «сухих» гроз в атмосфере, установленных на поворотной платформе средств измерений теплового излучения инфракрасного диапазона, тракта обработки и расчета характеристик землетрясения по параметрам обрабатываемого сигнала, дополнительно реализован режим измерений атмосфериков «сухих» гроз, исключающий фоновый уровень теплового излучения Земли в измерительном канале наземных средств, включающих грозопеленгатор – дальномер с круговой диаграммой направленности антенны по пеленгу и радиометр ИК-диапазона, сканирующий объем атмосферика по его пеленгу на интервале времени существования атмосферика.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 – функциональная схема системы измерений;

фиг.2 – спектральные линии головных полос излучения атмосферных газов и теплового излучения электроразрядных процессов в объеме сканирования;

фиг.3 – функции переходного процесса (сигнала) перед сейсмическим ударом.

Функциональная схема системы измерений предвестника землетрясений содержит грозопеленгатор-дальномер 1 (типа «Очаг-2П), рамочную антенну 2 с круговой диаграммой направленности по пеленгу, сканирующий радиометр ИК-диапазона 3 (типа «Астрогон-1»), установленный на поворотной платформе 4, программно управляемой сканированием в азимутальной плоскости блоком 5, программируемую схему выборки измерений 6, буферное запоминающее устройство записи сигнала сканирования 7, персональную ЭВМ 8, синхронизирующую работу элементов системы и осуществляющую обработку сигнала в стандартном наборе элементов: процессора 9, оперативного запоминающего устройства 10, винчестера 11, дисплея 12, принтера 13, клавиатуры 14. Результаты обработки сигнала и прогнозируемых характеристик сейсмического удара выводятся на сервер 15 сети «Интернет».

Динамика взаимодействия элементов системы при отслеживании и измерении сигналов физических процессов накануне сейсмического удара состоит в следующем. Как отмечалось выше, первопричиной землетрясений следует считать общепланетарную дегазацию земного ядра. Накануне сейсмического удара в зонах тектонических разломов наблюдается активная эманация из земной коры в атмосферу различных газов: водорода, гелия, метана, радона. Увеличение концентрации радона в атмосфере (период полураспада 3.81 суток) сопровождается -излучением, которое взаимодействует с газовыми компонентами воздуха: азотом N₂, кислородом O₂, водородом Н₂, парами воды H₂O, углекислым газом CO₂, метаном СН₄. Одним из видов такого взаимодействия является флуоресценция [см., например, Р. Межерие. «Лазерное дистанционное зондирование», перев. с англ., М.: Мир, 1987, стр.124, 234-236]. При поглощении молекулами газов -квантов с большой энергией молекулы переходят в возбужденное состояние на так называемые виртуальные уровни, которые являются неустойчивыми. В соответствии с законом Стокса переизлучение энергии молекулами всегда происходит на большей длине волны. Возбужденные молекулы газов, составляющих атмосферу, переизлучают серию комбинационных частот в длинноволновом участке видимого и ближнего инфракрасного диапазона. У сложных молекул наблюдается уширение спектральных линий, занимающих некоторую полосу. Полосы головных частот переизлучения газовых молекул атмосферы иллюстрируются фиг.2. При наличии облаков аэрозолей ионизация атмосферного воздуха, в свою очередь, приводит к возникновению локальных нестационарных электрических полей и всплесков инфракрасного излучения в атмосфере. Химический состав аэрозолей в приземном слое достаточно разнообразен, разнообразны и электрические эффекты. При определенных условиях аэрозольные облака в атмосфере могут являться своего рода электрогравитационными генераторами, образующими, так называемые, атмосферики «сухих» гроз. В таблице 1 представлены количественные оценки параметров атмосфериков [см., например, «Сборник материалов научно-практической конференции», Академия гражданской защиты МЧС России, Химки, 2007 г., стр.73-76].

Таблица 1
qi	102	3·102	103	3·103	104	3·104
r(при =104)	30	10	3	1	0.55	–
Elmax{при =104)	2·106	6·105	2·105	0.6·105	0.3·105	–
r(при =105)	–	–	30	10	3	1
Elmax(при =105)			2·106	6·105	2·105	0.6·105

(см^-3) – концентрация положительно заряженных аэрозолей;

q_i (см ^-3 с^-1) – интенсивность ионизации;

_r(c) – характерное время всплеска локального электрического поля, мин;

E_lmax (В/м) – максимальное электрическое поле.

Генерация ИК-излучения и свечение атмосферы имеют место как при пробойных значениях электрического поля (5·10⁵ В/м), так и при значениях меньше пробойного. Поскольку в ночное время суток (при отсутствии солнечного света) отсутствуют излучатели красного и ближнего ИК-излучения в атмосфере, то обнаружение атмосфериков и сполохов флуоресценцией свидетельствует о начале переходных процессов в зоне подготавливаемого землетрясения. Координаты атмосферика (электроразрядных процессов) по пеленгу и дальности грозопеленгатора – дальномера «Очаг-2П» отождествляют с координатами эпицентра очага землетрясения. Измеряемыми параметрами предвестника являются размеры, форма атмосферика в сканируемом объеме и мощность регистрируемого сигнала.

Очевидно, что мощность сигнала зависит от объема ионизированного газа, поступающего в атмосферу из зоны подготавливаемого землетрясения. Размеры зоны подготавливаемого землетрясения, в свою очередь, связаны с магнитудой предстоящего сейсмического удара [см. «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов», доклады конференции, РАН, ИФЗ им. О.Ю.Шмидта, М., 1998, стр.27-31].

Достоверную идентификацию атмосфериков и прогноз характеристик сейсмического удара осуществляют путем обработки сигнала. В рассматриваемом случае сигнал представляется множеством совокупности пикселей яркости в виде матрицы ИК-изображения. ИК-изображение получают сканированием объема пространства в вертикальной и горизонтальной плоскостях гиперспектрометром «Астрогон-1», установленным на поворотной платформе, относительно пеленга, полученным грозопеленгатором дальномером «Очаг-2П». Двухосная поворотная платформа (типа платформы орбитального комплекса «Мир») в автоматическом (программном) или ручном управлении (вводом уставок) обеспечивает сканирование ночного горизонта (во взаимно перпендикулярных плоскостях) с углами прокачки от +120° до -75°.

Гиперспектометр «Астрогон-1» формирует матрицу изображения области размером 30×30 км, с разрешением пикселя 3 м не менее чем в 10 полосах спектра шириной 3-10 нм каждая на дальностях до 500 км. Количество элементов в строке порядка 250000 с оцифровкой каждого элемента в 12-разрядной шкале.

Энергия выходящей из земной коры диффузии газов преобразовывается в атмосфере в энергию флуоресцентного свечения и всплесков ИК-излучения. Интегральный эффект данного явления заключается в увеличении средней температуры объема атмосферика. Вместе с «прогревом» атмосферика увеличивается мощность регистрируемого сигнала. Исходя из общего физического принципа, какой бы мощностью не обладал источник, переход из одного (начального состояния) в другое установившееся значение занимает конечный временной интервал. Огибающая переходного процесса содержит скрытую информацию о характеристиках сейсмического удара. Сама функция и скорость ее изменения связана дифференциальным уравнением первого порядка, общим решением которого является экспоненциальная зависимость [см., например, Н.С.Пискунов, «Дифференциальное и интегральное исчисление для ВТУЗов», т.1, 5-е изд., М.: Наука, 1964, стр.458, 506-507]. Амплитуда сигнала матрицы изображения содержит постоянную составляющую (среднее значение яркости m) и переменную составляющую (среднеквадратическое отклонение ). Функцию переходного процесса (по операциям аналога) определяют как отношение среднего m к дисперсии При «прогреве» атмосферика средняя температура растет, а перепад температур внутри сканируемого объема уменьшается. Вид функции переходного процесса иллюстрируется графиками фиг.3.

Начальные условия для решения дифференциального уравнения переходного процесса получают из серии регистрируемых матриц изображений атмосферика через дискретные интервалы времени t=t₂-t₁=t₃-t₂.

Экспонента характеризуется двумя значениями: постоянной времени Т и установившимся (конечным) значением П₀.

Из свойств экспоненты следует, что постоянная времени По трем независимым дискретным измерениям функции переходного процесса П₁, П₂, П₃ вычисляют величину П₀:

Располагая функцией огибающей переходного процесса, прогнозируют характеристики ожидаемого сейсмического удара по регрессионным зависимостям Гуттенберга-Рихтера: время удара t_y~4,7 Т, за которое экспонента достигает своего максимального значения П₀ с вероятностью 0.99; а магнитуду из соотношения lg t_y [сут]=0.54 М-3.37. Элементы системы измерений представляют серийные отечественные разработки. Грозопеленгатор-дальномер «Очаг-2П», см. Техническое описание, ГГФО им. А.И.Воейкова, Ленинград, Гидрометеоиздат, 1988 г.

Гиперспектрометр высокого пространственного разрешения «Астрогон-1», см. «Малый космический аппарат «Вулкан-Астрогон» с гиперспектрометром высокого разрешения»; Инженерная записка, РАКА, ФГУП НИИ ЭМ, 2002 г., стр.9-16.

По сравнению с известными аналогами заявленная система измерений имеет более высокую чувствительность, поскольку фоновое тепловое излучение Земли не попадает в тракт измерений. Кроме того, имеется возможность вычислить функцию переходного процесса за счет непрерывных измерений на его начальной стадии, что существенно увеличивает интервал времени упреждающего оповещения о предстоящей катастрофе.

Следует ожидать, что эффективность системы измерений по таким интегральным показателям, как достоверность, устойчивость обнаружения, точность прогноза характеристик сейсмического удара, будет выше известных аналогов.

Формула изобретения

Система измерений предвестника землетрясений, состоящая из средств наблюдения и отслеживания электроразрядных процессов «сухих» гроз в атмосфере, установленных на поворотной платформе средств измерений теплового излучения инфракрасного диапазона, тракта обработки и расчета характеристик землетрясения по параметрам обрабатываемого сигнала, отличающаяся тем, что реализован режим измерений атмосфериков «сухих» гроз, исключающий фоновый уровень теплового излучения Земли в измерительном канале наземных средств, включающих грозопеленгатор-дальномер с круговой диаграммой направленности антенны по пеленгу и радиометр ближнего ИК-диапазона, сканирующий объем атмосферика по его пеленгу на интервале времени существования атмосферика.

РИСУНКИ