СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЙ ПРЕДВЕСТНИКА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
SYSTEM OF FORESHOCK MEASUREMENTS

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.
y
1
2
3
1
2
3
0
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 [сут]=0,54М - 3,37, где  - интервал времени между последовательными моментами измерений D, D, D - дисперсии результирующего сигнала в моменты t, t, t; D - 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/σ нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения как отношение среднего из измеренных значений яркости (m) изображений выявленных зон к его среднеквадратическому отклонению (σ), определяют время ожидаемого землетрясения из соотношения
0
1
2
3
1
2
3
3
где П - предельное значение функции нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения  П, П, П - значения функции нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения в моменты t, t, t; Δt - интервал времени между моментами получения изображений  (час); определяют магнитуду землетрясения из соотношения lg (t)=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».
2
2
2
2
2
4
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 γ-излучением, которое взаимодействует с газовыми компонентами воздуха: азотом N, кислородом O, водородом Н, парами воды HO, углекислым газом CO, метаном СН. 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 γ-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
q<sub>i</sub>
10<sup>2</sup>
3·10<sup>2</sup>
10<sup>3</sup>
3·10<sup>3</sup>
10<sup>4</sup>
3·10<sup>4</sup>
τ<sub>r</sub>(при <img file="00000007.tif" he="6" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />=10<sup>4</sup>)
30
10
3
1
0.55
-
E<sub>lmax</sub>{при <img file="00000008.tif" he="6" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />=10<sup>4</sup>)
2·10<sup>6</sup>
6·10<sup>5</sup>
2·10<sup>5</sup>
0.6·10<sup>5</sup>
0.3·10<sup>5</sup>
-
τ<sub>r</sub>(при <img file="00000008.tif" he="6" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />=10<sup>5</sup>)
-
-
30
10
3
1
E<sub>lmax</sub>(при <img file="00000008.tif" he="6" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />=10<sup>5</sup>)
2·10<sup>6</sup>
6·10<sup>5</sup>
2·10<sup>5</sup>
0.6·10<sup>5</sup>
-3
(см) - концентрация положительно заряженных аэрозолей;
i
-3
-1
q (см  с) - интенсивность ионизации;
r
τ(c) - характерное время всплеска локального электрического поля, мин;
lmax
E (В/м) - максимальное электрическое поле.
5
Генерация ИК-излучения и свечение атмосферы имеют место как при пробойных значениях электрического поля (5·10 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 σ). Функцию переходного процесса (по операциям аналога) определяют как отношение среднего m к дисперсии σ  При «прогреве» атмосферика средняя температура растет, а перепад температур внутри сканируемого объема уменьшается. Вид функции переходного процесса иллюстрируется графиками фиг.3.
2
1
3
2
Начальные условия для решения дифференциального уравнения переходного процесса получают из серии регистрируемых матриц изображений атмосферика через дискретные интервалы времени Δt=t-t=t-t.
0
Экспонента характеризуется двумя значениями: постоянной времени Т и установившимся (конечным) значением П.
1
2
3
0
Из свойств экспоненты следует, что постоянная времени  По трем независимым дискретным измерениям функции переходного процесса П, П, П вычисляют величину П:
y
0
y
Располагая функцией огибающей переходного процесса, прогнозируют характеристики ожидаемого сейсмического удара по регрессионным зависимостям Гуттенберга-Рихтера: время удара t~4,7 Т, за которое экспонента достигает своего максимального значения П с вероятностью 0.99; а магнитуду из соотношения lg t [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.