УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ВАРИАЦИЙ ВНУТРЕННИХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН В АТМОСФЕРЕ

Устройство относится к области использования космических лучей для наземного мониторинга вариаций характеристик гравитационных волн, таких как частота, амплитуда, мощность, и может применяться метеорологическими службами для прогноза турбулентных процессов в атмосфере.
Под гравитационными волнами понимают распространяющиеся во времени колебания плотности, давления, температуры и скорости воздуха внутри атмосферы, обусловленные гравитационными полями (В.В.Булатов, Ю.В.Владимиров, Внутренние гравитационные волны в неоднородных средах. М.: Наука, 2005, 195 с.). Вариации гравитационных волн связаны с такими процессами в атмосфере, как турбулентность воздуха, диффузию, штормовые процессы и т.д. Однако оперативное выявление этих процессов связано со многими техническими трудностями.
Известно устройство для определения состояния атмосферы, основанное на дистанционном, радиолокационном принципе. Устройство относится к радиолокационной метеорологии. Достигаемый технический результат - возможность обнаружения в атмосфере газовых примесей. Устройство включает в себя: последовательно соединенные синхронизатор, передатчик с блоком запуска, циркулятор и антенну с блоком управления, приемник, блок стробирования, аналогово-цифрового преобразователь, блок вычисления коэффициента автокорреляции, блок пороговой селекции (Патент RU 2128847, 10.04.1999). Недостатком радиолокационной метеорологии является ограниченная дальность измерения в случае сильного облачного покрова, а так же чувствительность к естественным и искусственным радиошумам.
Известен метод определения турбулентных характеристик в зонах атмосферных явлений по спутниковым данным. Метод состоит в выявлении зон повышенной турбулентности в верхней атмосфере по данным геостационарных метеорологических спутников (Е.К.Крамчанинова, А.Ф.Нерушев, Определение турбулентных характеристик в зонах опасных атмосферных явлений по спутниковым данным. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2008. т.5. №1. с.484-490). Недостатком спутниковых систем является, то, что измерения проводятся непосредственно в точке местонахождения спутника, а это не дает полного представления о структуре турбулентных процессов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемой полезной модели является способ генерирования и приема гравитационных волн и устройство для его реализации. Формирование продольных гравитационных волн в вакууме ведут в виде перемещающихся зон его сжатия и разряжения упругой среды. Устройство генерирования и приема гравитационных волн содержит разнесенные в пространстве передатчик и приемник, формирующие канал связи, причем передатчик и приемник содержат идентичные гравитационные антенны. Использование предлагаемого устройства позволяет генерировать и принимать продольные гравитационные волны, создавать новые каналы связи, обеспечить неразрушающий контроль усталости металла в авиации, космической технике, наземном и морском транспорте, контроль за процессами в металлургии, в области связи - создать новые каналы передачи и приема информации, отличные от применения традиционных электромагнитных волн и др. (Патент RU 2184384, 21.05.2001). Недостатком данного устройства является то, что появление таких гравитационных волн имеет локальный характер, и поэтому данное устройство и способ не применимы для обнаружения турбулентных процессов в атмосфере Земли.
Технический результат полезной модели заключается в возможности обнаружения гравитационных волн, связанных с развитием турбулентных процессов в атмосфере, в режиме реального времени над территорией в тысячи квадратных километров.
Указанный технический результат достигается за счет конструкции устройства, которая обеспечивает регистрацию потока космических частиц в виде матриц вариаций его интенсивности, и на основе частотно-временного анализа получение матриц вариаций частот, амплитуд и мощности внутренних гравитационных волн.
Сущность полезной модели поясняется фиг.1, на которой изображена принципиальная схема устройства.
Выходы со всех плоскостей, из которых состоит координатно-трековый детектор космических частиц 1, последовательно соединены с блоком 2 вычисления координат частиц, пересекающих детектор, который в свою очередь соединен с блоком 3 реконструкции треков. Выход блока 3 соединен с входом блока 4 построения матрицы интенсивности. Блок 4 соединен с блоком 5 частотно-временного анализа. Блоки 4 и 5 соединены с блоком 6 представления информации. Так же блоки 4 и 5 снабжены общим блоком 7 памяти и соединены соответствующими общими шинами. В частном случае блоки 3, 4, 5, 7 могут быть объединены и реализованы на базе одного или нескольких компьютеров, а в качестве блока 6 могут быть использованы монитор или принтер, на который выводятся данные матриц вариаций характеристик внутренних гравитационных волн, таких как частота, амплитуда и мощность.
Устройство работает следующим образом. В качестве координатно-трекового детектора используется мюонный годоскоп, состоящий из 2 или более координатных плоскостей, расположенных параллельно друг другу. Блок 2 вычисления координат, который может быть реализован на базе контроллера для съема информации, считывает данные о координатах сработавших плоскостей координатно-трекового детектора 1 и передает их на блок 3 реконструкции треков, который может быть реализован на базе компьютера. После чего реконструированные треки попадают в блок 4 построения матрицы интенсивности потока зарегистрированных частиц. В блоке 4 все треки частиц распределяются по определенным угловым интервалам. В результате формируется матрица интенсивности потока, представляющая собой двумерный массив, ячейки которого содержат количество треков, зарегистрированных в определенном интервале углов за единицу времени. Матрицы интенсивности потока космических частиц поступают в блок 5, где средствами частотно-временного анализа (в частном случае с помощью вейвлет-анализа) преобразуются в три вида матриц: матрицу вариаций частот; матрицу вариаций амплитуд и матрицу мощностей гравитационных волн атмосферы. Блоки 4 и 5 могут быть объединены и реализованы на базе компьютера и соединены с блоком 3 по сети Ethernet. Хранение информации с блоков 4 и 5 осуществляется в блоке 7, в качестве которого может служить жесткий диск. Полученные матрицы выводятся на блок 6 представления информации, на котором можно прослеживать динамику изменения полученных характеристик гравитационных волн и прогнозировать появление турбулентности в атмосфере на значительной территории. Для возможности сравнения матриц характеристик гравитационных волн с матрицами интенсивности потока частиц, на блок 6 выводится информация с блока 4. Сравнение осуществляется любым известным способом, например визуальным.
2
Устройство может быть реализовано следующим образом. Используется мюонный годоскоп, состоящий из 8 координатных плоскостей площадью 11 м. Блок 2 вычисления координат реализован на базе быстродействующего контроллера параллельного ввода цифровых данных со скоростью передачи 10 МБ/с. Блок 3 реализован на базе промышленного компьютера с оперативной памятью 512 МБ и одноядерным процессором с быстродействием 2 ГГц. Блоки 4 и 5 объедены на базе промышленного компьютера с оперативной памятью 2048 МБ и двуядерным процессором с быстродействием 3 ГГц. Блок 6 представлен монитором с разрешением 1280×1024 пикселей. В качестве блока 7 может служить внешний накопитель объемом памяти 1 ТБ. Оба компьютера и внешний накопитель соединены между собой по сети Ethernet.
Результаты, получение которых обеспечивает устройство, позволяют вести мониторинг изменения внутренних гравитационных волн и прогнозировать появление турбулентности на значительной территории.