СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВРЕМЕНИ СИЛЬНЫХ КОРОВЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ СУШИ
METHOD OF FORECASTING HIGH-MAGNITUDE CRUST EARTHQUAKES

Заявленный способ относится к геофизике и может быть использован при мониторинге времени повышенной опасности сильных коровых землетрясений суши на основе наблюдений за характеристиками орбитального движения или торможения космического объекта (аппарата - КА) в ионосфере.
В прогнозировании землетрясений известны способы, основанные на использовании электромагнитных (авт.свид. СССР №499543, 913311, 1080099, 1376766, 1171737, 1193620; патенты РФ №№1806394, 2037162, США №4904943 и др.) и термодинамических (авт.свид. №№284331, 343241, 834647, 507844, 631650, 913311, 1389473, 1583906 и др., патенты США №4656867, Канады №1336.615, России №2145098, 2170446, 2170448 и др.) предвестников землетрясений. Много внимания уделяется вопросам прогнозирования сейсмических условий с использованием бортовой аппаратуры космических аппаратов (авт.свид. №1171737, патенты России №№2045087, 2045086, 2120647, 2256199 и др.). При этом методами электромагнитного зондирования предлагается диагностировать возмущения ионосферной плазмы, которые ассоциируются с сейсмоионосферными эффектами, обусловленными подготовкой сильных землетрясений.
e
3
Сейсмоионосферные аномалии являются одним из наиболее достоверных и высокочувствительных предвестников подготовки сильных с магнитудой М>5,5 землетрясений. Сейсмоионосферные аномалии проявляются в изменении плотности электронной концентрации n [1/м] слоев ионосферы на десятки процентов, захватывают значительные области вокруг эпицентра грядущего землетрясения порядка 15° по широте и 20…30° по долготе [1]. По морфологии сейсмоионосферных возмущений прогнозируется место, время и сила землетрясения. При этом подводные землетрясения проявляются значительно хуже, чем землетрясения суши [1].
Для обнаружения областей ионосферных возмущений используют метод многочастотного просвечивания ионосферы, определения критических частот ионосферных слоев, анализ ионограмм. Так, в [2 - аналог] зондируют ионосферу радиоимпульсами декаметрового диапазона с дискретно-изменяющейся несущей частотой, излучаемыми передатчиком, установленным на борту КА с высотой орбиты порядка 1000 км, осуществляют синхронную перестройку гетеродина приемника по закону изменения несущей частоты зондирующих импульсов, отслеживают изменение критической частоты слоя F2 (действующей высоты слоя F2 по трассе орбиты КА) в пространстве и времени. Утверждается, что этот способ позволяет достоверно выявить области ионосферных аномалий.
В "Способе прогнозирования землетрясения" (патент РФ №2170448 - ближайший аналог) уточнение координат эпицентра, времени и силы прогнозируемого землетрясения предложено решить по результатам анализа интенсивности проявления сейсмогенных возмущений атмосферы. Однако, при этом, необходима плотная сеть сканирующих устройств, что частично реализуемо, если использовать КА в верхней атмосфере в качестве подвижного первичного преобразователя характеристик возмущений атмосферы [3]. Сейсмоионосферные аномалии проявляются в характеристиках химического состава верхней атмосферы, возмущениях околоземного космического пространства (ОКП), которые проявляются в характеристиках орбитального движения КА, например, в изменении высоты орбиты КА, вариациях скорости, торможения КА.
В наблюдениях за орбитальными характеристиками движения космических аппаратов (КА) используются наземные радиотехнические средства, наземные оптические средства наблюдения. Контроль характеристик движения низкоорбитальных КА базируется, преимущественно, на результатах радиолокации КА наземными радиотехническими средствами наблюдения. Физической основой этих наблюдений является регистрация характеристик (задержки и доплеровского смещения) принимаемого сигнала, излучаемого и отраженного от КА [5].
В России основным инструментом, используемым для обнаружения КА на низких околоземных орбитах и определения параметров их орбит, являются радиолокационные станции системы раннего предупреждения [5]. В российскую систему контроля космического пространства (СККП) и наблюдения за КА входят астрономические обсерватории Российской Академии наук, установки лазерной локации космических объектов.
СККП выполняет информационно-баллистическое обеспечение запуска и процесса функционирования отечественных КА, в том числе и особо важных КА, а также работы по международному сотрудничеству при освоении космического пространства и контролю космических объектов, предоставляет потребителям в универсальном формате TLE ("Two Line Elements") данные наблюдений за характеристиками движения КА, в том числе оценки торможения КА. В оценках торможения КА учитываются вариации высоты и скорости КА.
Данные о торможении КА в ОКП предлагается использовать для прогнозирования времени сильных коровых землетрясений.
б
Торможение КА характеризуется, например, значениями баллистического коэффициента k [4]
входящего в выражение для расчета силы аэродинамического сопротивления КА [4]
отн
x
где m - масса, ρ - плотность атмосферы на высоте КА, скорость которого относительно воздуха V=V-W, где V - скорость КА в геоцентрической инерционной системе координат, W - скорость движения атмосферы (ветра), С - безразмерный коэффициент аэродинамического сопротивления, S - характерная площадь КА.
б
б
отн
Проектный k рассчитывается на основе конструктивных характеристик. После вывода КА на орбиту баллистический коэффициент рассчитывается по данным реальных наблюдений за движением КА. С помощью радиолокационных станций контроля космического пространства в оценках относительных вариаций k космических объектов от проектных значений содержится информация не только об ионосферных задержках сигнала, но и о характеристиках ρ и V на высоте орбиты КА [4]. Соответственно возмущения ионосферы и верхней атмосферы перед землетрясениями проявляются в характеристиках орбит КА в ОКП.
Целью изобретения является краткосрочное прогнозирование времени повышенной опасности сильных коровых землетрясений суши по результатам зондирования характеристик торможения КА в ОКП и выявления предвестниковых сигналов сейсмической опасности.
б
б
б
Достижение поставленной цели обеспечивается совокупностью устройств, позволяющих осуществлять процессы производства наблюдений за характеристиками движения космических аппаратов - для этого могут использоваться радиолокационные станции (РЛС) контроля космического пространства, станции лазерной дальнометрии, устройства дешифрирования принятых сигналов и приведения их к установленному формату, устройства фильтрации принятых данных, в том числе для оценивания характеристик орбиты (высоты и скорости) КА по характеристикам принятых или отраженных от КА электромагнитных сигналов, выявления в полученных оперативных данных временных отрезков с особо аномальными вариациями торможения КА из-за включения двигательной установки. Например, с помощью фильтров, реализующих метод контрольных карт со скользящим пространственно-временным окном и оценками доверительного интервала вариаций анализируемых характеристик коэффициента торможения k, а также устройств для оценивания спектра мощности вариаций k. При выявлении аномальных изменений характеристик торможения используется сравнение с «обобщенными портретами» вариаций k, которые должны постоянно уточняться после очередных сильных землетрясений, а результаты расчетов архивироваться на магнитных или цифровых носителях с возможностью оперативного доступа.
Расчеты по оцениванию указанных характеристик целесообразно проводить для разных временных масштабов. По среднесуточным данным о вариациях орбиты КА [4] можно заблаговременно оценить уровень опасности сильных коровых землетрясений в течение последующих нескольких (обычно 2-3) суток.
Для диагностики возмущений и морфологии верхней атмосферы целесообразно использовать сравнение с климатическими картами распределения анализируемых характеристик торможения КА. В перспективе при достаточно высокой частоте зондирования возможна диагностика границ сейсмоопасного района, его геометрического центра и морфологию сейсмоатмосферных возмущений.
б
б
Основой заявляемого способа стали результаты исследований [6, 7], где установлено, что временной отрезок повышенной сейсмической опасности для сильных землетрясений суши с магнитудой М>6,5 проявляется через 2-5 суток после превышения характеристик k границы 99% доверительного интервала, рассчитываемого по предшествующим данным в скользящем окне. При этом в спектре вариаций проявляется период «сейсмического затишья»: минимум относительной мощности высокочастотных вариаций k с их последующим ростом на фоне снижения мощности низких частот. Выбор диагностируемых частот определяется размером скользящего окна, в котором производится расчет спектра мощности вариаций с помощью быстрого преобразования Фурье.
Для оценки реализуемости предложенного способа использовались данные о баллистическом коэффициенте КА дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) "Монитор-Э". Он относится к серии малых (масса - 750 кг) низкоорбитальных космических аппаратов и предназначен для получения оперативных данных о состоянии окружающей среды (запущен в 2005 г. на солнечно-синхронную орбиту с высотой 550 км и наклонением 97.5°; за сутки он делает около 15 оборотов вокруг Земли).
б
При оценивании использовались среднесуточные значения относительных вариаций оценки k KA "Монитор-Э" от проектного значения [6].
б
Предварительные особенности фоновых вариаций орбиты KA "Монитор-Э" исследовались на основе наборов данных об оценке kотносительно 25 случайно выбранных реперных дат. Протяженность преимущественно не перекрывающихся отрезков данных наблюдений ограничивалась 31 сутками. Выбранные отрезки данных для повышения однородности нормировались по значениям минимакса каждого выбранного отрезка.
б
Относительно этих дат формировались данные наблюдений о нормированных относительных среднесуточных вариациях оценки k в интервале ±15 сут от реперной даты.
б
За период 2005-2006 гг. для оценивания сейсмоорбитальных эффектов KA "Монитор-Э" было отобрано семь сильных коровых землетрясений с магнитудой не менее 6.5, произошедших под сушей, и семь сильных коровых подводных землетрясений с магнитудой не менее 6.5 (табл.1, 2). Относительно этих дат формировались данные наблюдений о нормированных относительных среднесуточных вариациях оценки k в интервале ±15 сут от реперной даты.
На фиг.1 представлены полученные методом "наложения эпох" осредненные оценки нормированного баллистического коэффициента KA ДЗЗ "Монитор-Э" перед сильнейшими коровыми землетрясениями 2005-2006 гг., где 1 - для землетрясений суши, 2 - для подводных землетрясений, 0 - сутки с землетрясением.
Для подводных землетрясений не проявились статистически значимые эффекты, выделяющиеся на фоне естественных вариаций. Отмечено лишь чуть меньшее по сравнению с фоном торможение KA (осредненные значения выборок соответственно 0.43<0.48).
Для выбранных землетрясений суши статистически значимой (по критерию Вилкоксона [6] с оценкой вероятности Р<0.05) на фоне естественных вариаций оказалась оценка торможения KA за 5-7 сут до обобщенного землетрясения, а также пониженное торможение KA накануне обобщенного землетрясения.
С помощью быстрого преобразования Фурье по 16-суточному скользящему окну анализировалось изменение вида периодограмм среднесуточных данных об относительных вариациях баллистического коэффициента КА "Монитор-Э". Рассчитанные периодограммы присваивались правой границе скользящего окна.
б
На фиг.2 представлены осредненные оценки относительной мощности вариаций баллистического коэффициента k КА ДЗЗ «Монитор-Э» с периодом Т=2 сут (кривая 1) и Т=3 сут (кривая 2), 0 - сутки с землетрясением.
б
б
В характеристиках обобщенной методом "наложения эпох" периодограммы для землетрясений проявились (фиг.2) статистически значимые (по критерию Вилкоксона и Стьюдента [8] с Р<0.05 [6]) вариации kна фоне естественных вариаций k.
б
Период "сейсмического затишья" с минимальной мощностью короткопериодных вариаций k с периодом Т=2 и 3 суток проявился за 8-14 суток до обобщенного землетрясения с последующим нарастанием мощности этих вариаций.
В соответствии с моделью эффектов подготовки корового землетрясения [1], важно, что этот эффект с большей заблаговременностью проявляется для Т=3 суток и еще раньше для Т=4 суток - локальный максимум проявляется, примерно, за 6 суток до обобщенного землетрясения.
Пример реализации способа
Заявленный способ может быть реализован по схеме фиг.3.
С помощью радиотехнических средств или лазерных дальномеров осуществляют зондирование положения объектов (обычно космических аппаратов) в околоземном космическом пространстве (ОКП) путем излучения и приема отраженного сигнала. По временной задержке принятого сигнала определяется псевдодальность до наблюдаемого объекта, а по изменению принятого спектра сигнала по сравнению с излученным - оценок доплеровского сдвига и скорости движения объекта.
Эти данные используются при уточнении характеристик орбитального движения зондируемого объекта, в том числе с помощью математических моделей движения зондируемых объектов. Рассчитанные оценки высоты и скорости зондируемого объекта представляются в установленном формате и записываются на магнитные или цифровые носители с помощью аналогово-цифровых устройств.
б
б
С помощью сумматора потока дешифрированных характеристик производится расчет оценок текущего значения коэффициента баллистического торможения k за заданные промежутки времени, путем сравнения полученных оценок с проектными оценками и результатами расчета по математической модели движения зондируемого объекта, а также фильтрация отрезков времени с аномальными значениями k из-за включения двигательной установки КА.
б
б
б
Производится типизация полученных значений k с помощью фильтра сравнения текущего с предыдущим по времени значением k за определенный промежуток времени с целью диагностики тенденций изменения k.
В получаемых типизированных временных рядах с помощью фильтрации выявляются временные отрезки с аномальным торможением КА относительно средних значений и допустимых вариаций с исключением особо аномальных значений. На основе чего формулируется предварительный прогноз времени опасности сильных коровых землетрясений суши.
б
б
С использованием спектроанализатора идентифицируется спектр мощности вариаций типизированных значений k, допустимых вариаций k по отдельным гармоникам спектра, фактические вариации мощности спектра. Сравнением выявляются временные отрезки с аномальным изменением мощности отдельных гармоник, используемых в качестве сигнальных.
б
Полученные оценки вариаций типизированных оценок k (и/или скорости) используются для уточнения допустимых значений указанных характеристик, архивируются и используются при расчетах их климатических распределений.
Для уточнения прогноза о сейсмической опасности используется сравнение выявленных возмущений с климатическими картами распределения анализируемых характеристик.
Эффективность предлагаемого способа можно характеризовать достоверностью, оперативностью, ресурсоемкостью. При отсутствии данных об успешности прогнозирования времени землетрясений по большинству известных способов, можно отметить, что по среднесуточным данным о торможении КА «Монитор-Э» за 7 месяцев 2007 года удалось удачно спрогнозировать сейсмоопасные периоды времени протяженностью 3-5 суток с заблаговременностью 2-3 суток для почти каждого третьего сильного (с М>6.5) землетрясения суши. Повышение качества прогнозирования землетрясений обусловливает необходимость анализа внутрисуточных данных о вариациях орбиты КА.
б
Ресурсоемкость предлагаемого способа характеризуется доступностью оперативных данных наблюдений существующей системы РЛС контроля ОКП, в том числе о значениях k и скорости КА, небольшими затратами на их обработку, что существенно меньше потенциального ущерба от сильных землетрясений.
Таблица 1
Характеристики землетрясений суши
Дата
Время (USG)
Широта
Долгота
Глубина, км
Магнитуда
05.12.2005
12 h 19'56"
-6.22
29.83
22
7.20
01.04.2006
08 32 32
28.16
-112.12
14
6.70
22.02.2006
22 19 07
-21.32
33.58
11
7.50
14.03.2006
06 57 33
-3.60
127.21
30
6.70
20.04.2006
23 25 02
60.95
167.09
22
7.60
16.05.2006
15 28 25
0.09
97.05
12
6.80
08.07.2006
20 40 00
51.21
-179.31
22
6.60
Таблица 2
Характеристики подводных землетрясений
Дата
Время (USG)
Широта
Долгота
Глубина, км
Магнитуда
29.10.2005
04 h 05' 56"
-45.21
96.90
8
6.50
13.12.2005
03 16 06
-15.27
-178.57
10
6.80
02.01.2006
06 10 49
-60.93
-21.58
10
7.40
31.03.2006
13 21 00
-29.61
-176.82
17
6.70
14.06.2006
04 18 42
51.75
177.08
14
6.40
19.07.2006
11 48 58
-5.47
150.68
28
6.40
29.10.2005
04 05 56
-45.21
96.90
8
6.50
Источники информации
1. Липеровский В.А., Похотелов О.А., Шалимов С.А. Ионосферные предвестники землетрясений. - М.: Наука, 1992. 304 с.
2. Метод многочастотного радиопросвечивания ионосферы // Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов. Доклады конференции ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, РАН. - М., 1997. С.111-112.
3. Смирнов В.М. Радиофизические методы исследований и мониторинга ионосферы Земли/ Плазменная гелиофизика/ Под ред. Л.М. Зеленого и И.С. Веселовского. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008, т.2. С.350-367.
4. Скребушевский Б.С. Управление полетом беспилотных космических аппаратов. - М.: Владмо, 2003. 436 с.
5. Кукушкин С.С., Гладков И.А., Чаплинский B.C. Методы и информационные технологии контроля состояния динамических систем. - М.: МО РФ, 2008, 328 с.
6. Тертышников А.В. Вариации торможения космического аппарата «Монитор-Э» перед сильными землетрясениями 2005-2006 гг.// Исследование Земли из космоса. 2007, №4. С.88-91.
7. Чернявский Г.М., Тертышников А.В., Скрипачев В.О. Вариации торможения космических аппаратов в верхней ионосфере перед сильными землетрясениями. // Доклады академии наук, 2009, том 424, №4. С.543-547.
8. Большаков А.А., Каримов Р.Н. Методы обработки многомерных данных и временных рядов. Уч. пособие. - М.: Горячая линия Телеком, 2007. 552 с.