СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ВОЛНЫ ЦУНАМИ ПО АНОМАЛЬНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ В АТМОСФЕРЕ, ГИДРОСФЕРЕ И ЛИТОСФЕРЕ
METHOD OF DETECTING TSUNAMI WAVES BY ABNORMAL ACOUSTIC EMISSION IN ATMOSPHERE, HYDROSPHERE AND LITHOSPHERE

Изобретение относится к акустической сейсморазведке и предназначено для обнаружения волны цунами по акустическому излучению.
Известен способ обнаружения волны цунами [1], возникающей в океане при подводном землетрясении, заключающийся в измерении по единому времени в нескольких точках земной поверхности величин параметров волны, вызванной землетрясением, передаче результатов измерения по кабельным или гидроакустическим и радиоканалам на сейсмические станции или метеорологические обсерватории, принятии решения об обнаружении волны цунами по характеристикам этой волны, рассчитанным на основе измеренных параметров, и расчете времени, необходимом для подхода волны цунами от вызвавшего ее источника до заданного пункта побережья, отличающийся тем, что в районах океана, находящихся вблизи эпицентров наблюдавшихся ранее подводных землетрясений, вызывавших волны цунами, измеряют такие параметры, как величины и направления скоростей движения придонных слоев воды относительно поверхности дна океана с помощью жестко связанных с грунтом, удаленных от поверхности дна океана не более 20 м и разнесенных друг от друга не более чем на 5000 м по направлению от эпицентра наблюдавшегося ранее землетрясения к заданному пункту побережья, не менее двух устройств для измерения скорости и направления подводных течений, и рассчитывают на основе измеренных скоростей величину энергии распространяющейся в океане волны в вертикальном слое морской воды от дна до поверхности океана для принятия решения об обнаружении волны цунами. Однако предложенный способ относится к методам активной локации и требует применения дополнительного оборудования и трудозатрат, связанных с необходимостью постоянной регистрации и обработки полезных сигналов, проведения сложных расчетов.
Задачей предлагаемого способа является обнаружение аномальной акустической эмиссии, опережающей волну цунами, методом пассивной локации.
Поставленная задача решается способом обнаружения волны цунами, включающим установку на побережье акустической приемной станции, несколько датчиков акустической эмиссии которой опущены в воду, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности принятия решения об обнаружении волны цунами, один или несколько датчиков акустической эмиссии опущены в приповерхностный волновод, второй или несколько датчиков акустической эмиссии находятся в воздухе в приводном и/или приподнятом волноводах, а третий или группа датчиков установлены в земной коре, производят измерение акустической эмиссии, генерируемой надочаговыми процессами в воде, атмосфере и волной цунами, регистрацию акустической эмиссии и выделение аномалий акустической эмиссии по превышению энергии акустической эмиссии над фоном на величину от 1 до 3 стандартных отклонений фона и/или по смещению спектров акустической эмиссии в сторону низких частот, и/или модуляции акустических сигналов на гидродинамической частоте волны цунами для принятия решения по одному или комплексу признаков об обнаружении волны цунами.
Во время образования волны цунами после землетрясения акустическая энергия захватывается каналами-волноводами, находящимися в литосфере, гидросфере и атмосфере.
В гидросфере основными волноводами распространения акустической энергии являются глубинный звуковой канал с мощностью по вертикали 150-400 м и приповерхностный волновод с мощностью 10-25 м.
В атмосфере волноводами являются приводный канал с мощностью 5-15 м и приподнятый канал с мощностью 50-150 м [3].
Диапазон основных частот акустических колебаний в рассматриваемых каналах:
- подводный глубинный канал: f=1.5÷10 Гц;
- подводный приповерхностный канал: f=30÷75 Гц;
- воздушный приводный канал: f=11÷33 Гц;
- воздушный приподнятый канал: f=1.0÷3.3 Гц.
Волна цунами возбуждает внутренние волны в приводном и приподнятом атмосферном волноводах, что приводит к модуляции акустических сигналов на гидродинамической частоте волны цунами благодаря изменению характеристик волноводов по типу приливных влияний. Если периоды волны цунами находятся в интервале от 5 минут до 90 минут, то отличить эту модуляцию от приливной не представляет труда. Это также является признаком образования волны цунами.
Кроме того, высвобождение потенциальной энергии в результате вертикального опускания участков земной коры в океане приводит к образованию волн цунами и релеевской. Релеевская волна распространяется со скоростью, примерно в 20 раз превосходящей скорость волны цунами [2]. Поэтому она достигает побережья значительно раньше, чем волна цунами. Вертикальная составляющая релеевской волны на поверхности океана формирует в атмосфере акустический сигнал, который в первую очередь проникает в приводный волновод, а затем - в приподнятый.
Акустические волны, идущие по глубинному волноводу, проникают в дно и доходят до берегового склона и в виде головной волны поднимаются на сушу, где регистрируются датчиком. Эти волны будут зарегистрированы первыми.
Признаками волны цунами являются:
1. Увеличение энергии акустических колебаний в каждом канале по сравнению с фоновым, например, по критерию kσ, где k≥3, σ - фоновое среднеквадратическое значение акустической эмиссии, оцененным в течение длительного промежутка времени, но с учетом суточного хода за счет приливных и других процессов.
2. Смещение спектров акустических сигналов в сторону низких частот.
3. Одинаковая модуляция акустических шумов в атмосферных и подводных каналах с учетом разности хода во времени благодаря различной скорости распространения волн в воде и в воздухе.
Фоновые (преобладающие) частоты акустической эмиссии и амплитудные характеристики (спектры, первые, вторые и третьи гармоники собственных частот, максимальные отклонения амплитуды импульса, энергия в заданном частотном интервале и др.) вычисляются в начале работ по наблюдениям в течение нескольких суток, но в тот период, когда землетрясения на акватории не происходили. В дальнейшем эти параметры могут уточняться в связи с вероятными сезонными и другими влияниями, например, каждые 15-30 суток.
Аномалией считается параметр, если он превышает среднее значение на kσ, где σ - среднее квадратическое отклонение от среднего исследуемого параметра.
Координаты очага землетрясения считаются известными по данным береговых сейсмообсерваторий. Если координаты неизвестны, то обработка данных должна выполняться в реальном масштабе времени.
Таким образом, происходит пассивная регистрация аномалий акустической эмиссии в атмосферных и приповерхностных волноводах океана и волны цунами в приводном атмосферном слое и приповерхностном волноводе воды, что позволяет обнаружить образование очаговой системы проявления цунами в воде и атмосфере, а также землетрясении и движении волны.
Предлагаемый способ прост и экономичен, позволяет без дополнительных расчетов и оборудования получать данные о состоянии сейсмических процессов, способствующих появлению цунами.
Использованная литература
1. Заявка на патент РФ №96114081, 1998.
2. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. Л.: Гидрометеоиздат, 1978.
3. Михайлов Н.Ф., Рыжков А.В., Щукин Г.Г. Радиометеорологические исследования над морем. Л.: Гидрометеоиздат, 1990.