Способ определения вероятности землетрясения

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано при дистанционном зондировании Земли. Согласно заявленному способу осуществляют зондирование облачного покрова Земли и получают синоптические карты в виде вихрей циклонов и изолиний антициклонов. Вычисляют локальные минимумы (максимумы) функции сигнала от облачных образований, принимают их за центры циклонов и антициклонов, отслеживают трассы их перемещений по серии последовательных снимков. Находят условные точки пересечения трасс синфазных циклонов и антициклонов, при неоднократной сходимости трасс над одним и тем же регионом отождествляют точку пересечения трасс с координатами очага предстоящего землетрясения. Прогнозируют вероятность землетрясения в данном регионе по статической функции распределения интервала времени между двумя последовательными землетрясениями. Технический результат: глобальность и оперативность метода. 7 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к области геофизики, в частности к дистанционному зондированию поверхности Земли, и может быть использовано в национальных системах сейсмического контроля для прогнозирования землетрясений.

Очаг землетрясения аккумулирует огромную энергию тектонических напряжений. В потенциальном поле механических напряжений очага наблюдаются аномалии других физических полей, захватывающих литосферу, атмосферу, ионосферу и магнитосферу Земли. Известен ряд устойчивых признаков-предвестников, проявляющихся в границах очага готовящегося землетрясения, таких как:

- появление над эпицентральной областью вертикального электростатического поля величиной до нескольких кВ/м;

- изменение над проекцией очага на ионосферу электронной концентрации (до 20%) в слоях ионосферы. (См., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических методов», Доклады конференции, РАН, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, М., 1998 г., стр.27-31).

Аномалии физических полей сопровождаются рядом визуально наблюдаемых эффектов в атмосфере: свечением, возникновением серебристых облаков и др. Установлено появление над разломами за 4-10 суток до удара линейных облачных аномалий (ЛОА), проходящих в том числе и через эпицентральную область. ЛОА представляют собой протяженные гряды высокой облачности на фоне безоблачного пространства, со временем существования от нескольких минут до нескольких часов. За несколько суток до удара отмечено увеличение количества ЛОА в зонах тектонической активности примерно на порядок относительно фонового уровня. Причем ни одна ЛОА не проходит непосредственно через эпицентр, над которым наблюдается их размывание, а максимальная концентрация приходится на окрестности эпицентра. Последнее создает предпосылки установления координат очага и предсказания землетрясений (См., например, Л.И.Морозова «Динамика облачных аномалий над разломами в периоды природной и наведенной сейсмичности», статья в журнале «Физика Земли», РАН, №9,1997 г., стр.94-96, - аналог).

Аналогом является также «Способ определения тектонической активности территории в реальном масштабе времени», Давлат патент идораси, Расмий акбортнома 1994, №3(5) с.115. Государственный фонд республики Узбекистан, 11-284, 51-5. G.01 V. 9/00, 21-ШДР. 940.0316. (22) от 26.04.1994 г.

При прогнозе современной тектонической активности территории способ-аналог предусматривает режимные наблюдения за метеопараметрами, получение и обработку космических снимков Земли, выделение на снимках областей и степени тектонической активности по превышению количества ЛОА над среднемесячными фоновыми значениями, определение скорости распространения тектонического напряжения в земной коре по расстоянию между ЛОА на двух последовательных снимках.

Недостатками аналога являются:

- малая достоверность, обусловленная спорадичностью появления ЛОА и нестационарностью фонового уровня;

- субъективность анализа визуально наблюдаемых явлений при отсутствии системы измерений;

- локальная ограниченность способа территорией наблюдаемого региона.

Космические системы метеонаблюдения открывают возможность глобального контроля за облачными образованиями. Ближайшим аналогом по технической сущности к заявляемому решению является «Способ обнаружения очагов землетрясений», Патент RU №2 181 495, G. 01. V. 9/00, 2002 г.

В способе ближайшего аналога осуществляют регистрацию собственного излучения подстилающей поверхности в двух взаимно ортогональных по поляризации плоскостях, формируют результирующую матрицу изображения подстилающей поверхности из попиксельных отношений амплитуд сигнала в двух взаимно ортогональных по поляризации каналах приема, выделяют методами пространственного дифференцирования контуры на результирующем изображении, вычисляют функцию фрактальной размерности изображения внутри выделенных контуров, фиксируют очаг землетрясения при совпадении фрактальной размерности участка текущего контура с эталонным либо при отклонении на величину не более пороговой.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- малая контрастность очагов на изображениях относительно фонового уровня, что создает априорную неопределенность для формирования результирующей матрицы;

- отсутствие в эксплуатации систем, реализующих двухканальный прием собственного излучения по ортогональным поляризациям;

- операции способа не содержат информации о вероятности предстоящего землетрясения.

Задача, решаемая данным способом, состоит в отслеживании по изображениям облачного покрова Земли, траекторий движения центров синфазно возникающих циклонов и антициклонов, расчета условных точек пересечения их трасс в областях взаимной окклюзии, отождествлении расчетных точек с координатами очагов ожидаемых землетрясений и прогнозирования вероятности землетрясения обнаруженного очага по статистической функции распределения интервала времени между двумя смежными землетрясениями.

Поставленная задача решается тем, что в способе прогнозирования землетрясений, при котором получают изображения облачного покрова Земли в виде функции зависимости амплитуды сигнала А(х, у) от пространственных координат, выделяют методами пространственного дифференцирования контуры на изображениях и получают синоптические карты в виде областей циклонов и антициклонов, проводят обработку сигналов внутри выделенных контуров, дополнительно фиксируют на синоптических картах в областях постоянного зарождения моменты возникновения циклонов и синфазных с ними образования антициклонов, вычисляют локальные минимумы, максимумы функции сигналов внутри выделенных контуров и принимают их за центры циклонов и антициклонов, прослеживают по карте траектории движения центров циклонов и антициклонов от точки возникновения до точки условного пересечения трасс, где наблюдается окклюзия синфазных циклона и антициклона, отождествляют точку пересечения трасс с координатами очага ожидаемого землетрясения, прогнозируют вероятность землетрясения обнаруженного очага по статистической функции распределения интервала времени между двумя смежными землетрясениями.

Изобретения поясняется чертежами, где:

фиг.1. - ежесуточная синоптическая карта Северного полушария, формируемая Гидрометеоцентром;

фиг.2. - вихри трех энергетических спиралей: а) в сферической системе координат; б) в декартовой системе координат;

фиг.3. - статистическая функция состоявшихся землетрясений;

фиг.4. - расчетная функция (полином Чебышева) прогнозируемых землетрясений;

фиг.5. - функциональная схема устройства;

фиг.6. - трассы движения циклонов и антициклонов;

фиг.7. - интеграл вероятности землетрясения в расчетной точке.

Вновь введенные операции, образующие совокупность существенных признаков, обеспечивают достижение таких качественных свойств способа, как:

- устойчивость метода, основанная на опосредованной зависимости динамики атмосферных образований от фундаментальных закономерностей эксцентрического вращения ядра Земли;

- достоверность прогнозирования за счет использования статистической функции по всему массиву состоявшихся землетрясений.

Это позволяет утверждать о соответствии заявляемого способа критерию «изобретательский уровень».

Техническая сущность изобретения заключается в следующем.

Направление и интенсивность различных процессов, происходящих на поверхности Земли (океанических и воздушных течений, климата, биоритмов, движения материковых структур), при кажущейся хаотичности имеет строгую периодичность, хотя и носит автоволновой характер (см., например, Н.И.Коровяков, А.Н.Никитин «Закономерность эксцентрического вращения ядра и оболочки земли в суточном и годовом периоде», Открытие №63. Сборник кратких описаний за 1998 г., РАЕН, М., 1999 г.). Перемещение под действием гравитационных сил Солнца, Луны, «плавающего» в расплавленной магме внутри планеты ядра, вызывает противоток магмы. Трение противотока магмы о внутреннюю оболочку земной коры приводит к образованию электростатического потенциала, отображением которого является атмосферное электричество. Известно, что предшественником молнии в атмосфере является стример. Это канал в первичной среде (земной коре), через который проходит электростатический разряд. Таким образом, образование атмосферного электричества (грозового облака) является откликом на электрофорные процессы, происходящие на внутренней границе твердой оболочки Земли и магмы.

В свою очередь, движение жидкости (противоток расплавленной магмы) в поле центробежных сил вращения Земли и гравитационных сил притяжения других планет образует устойчивые вихри энергетических полей (дуги электрических потенциалов), по которым следуют атмосферные электрические образования. Отсюда происходят необъяснимые с точки зрения градиентов атмосферных давлений и температур «ныряния» и «зависания» циклонов. Циклоны зарождаются в определенных точках земной поверхности, где имеют место аномальные истоки энергетических полей, движутся по вихревым дугам потенциалов к точкам, где происходит энергетический сток. Исходя из общих физических принципов, циклоны служат средством выравнивания энтропии энергетических аномалий земной коры.

Авторами на большом временном лаге наблюдений проведен анализ траекторий движения центров циклонов и антициклонов от момента их зарождения до моментов «окклюзии». В качестве исходных данных использованы синоптические карты Гидрометеоцентра РФ, получаемые на основе обработки изображений облачного покрова от спутников системы «Метеор - Планета».

На фиг.1 представлена типовая ежесуточная синоптическая карта Северного полушария Гидрометеоцентра РФ по состоянию на 01h. 00 по Гринвичу. Карта представляет собой распечатку с ПЭВМ обработки изображений облачного покрова в виде характерных контуров вихрей циклонов и изолиний антициклонов. Поскольку на такой карте центры циклонов и антициклонов не отображены, осуществляют дополнительную обработку изображений для точного определения их координат. Для чего в области центрального вихря циклона (антициклона) вычисляют локальные минимумы (максимумы) двумерной функции А (х, у) и принимают их за центры атмосферных образований. Нахождение локальных минимумов (максимумов) двумерной функции А (х, у) представляется стандартной математической операцией, входящей в комплект специализированного программного обеспечения ER MAPPER (см., например, ER MAPPER, "Пакет программ для обработки изображений в науках о Земле", GENASYS, San Diego, USA, p.283-294).

Расчетная таблица трасс центров синфазных циклонов и антициклонов приведена в примере реализации. Вычисляемой функцией заявленного способа является трасса центра движения отслеживаемого атмосферного образования. Согласно теореме отсчетов Котельникова-Шеннона, непрерывная функция однозначно определяется своими дискретными значениями, которые отсчитываются через интервал времени где F_max - максимальная частота спектра непрерывной функции (см., например, «Теоретические основы радиолокации» под редакцией В.Е.Дулевича, М., Сов. Радио, 1964 г., с. 211).

По метеоданным, при скорости движения циклонов 10...20 км/ч и диаметре области пониженного давления < 1000 км интервал времени дискретизации ΔТ обрабатываемых синоптических карт должен составлять < 0,2 суток. На фиг.2 иллюстрируются вихри трех энергетических спиралей Северного полушария: а) в сферической и б) в декартовой системах координат, полученных методами математического моделирования на ПЭВМ закономерностей эксцентрического вращения ядра и оболочки Земли в суточном и годовом цикле (см., например. Открытие №63, Н.И. Коровяков, А.Н. Никитин, Сборник открытий РАЕН, 1999 г.). По имеющимся синоптическим картам в математическую модель закладывают координаты отслеживаемых циклонов и антициклонов и рассчитывают соответствующие им дуги (вихри) энергетических спиралей. Затем с заданным интервалом дискретизации Δ Т вычисляют трассы движения центров циклонов и синфазных им антициклонов. Расчетная таблица трасс движения представлена в примере реализации. Поскольку циклон и антициклон не могут одновременно находиться в атмосфере в одном и том же месте, вычисляют условные точки пересечения их трасс над наблюдаемыми сейсмоопасными районами. Условную точку пересечения трасс циклона и антициклона отождествляют с координатами очага предстоящего землетрясения. При многократной сходимости трасс над одной и той же точкой поверхности Земли прогнозируют вероятность землетрясения в данном регионе. Для этого используют статистические данные (Обнинская база данных) всех состоявшихся землетрясений за последнее десятилетие (1990 по 2001 гг.) с магнитудой М > 6 баллов. В соответствии с теорией П.Л.Чебышева «О наилучшем приближении функций многочленами» (см., например, Н.С.Пискунов «Дифференциальное и интегральное исчисление», учебник для ВТУЗов, 5-е изд. М., Наука, 1964 г., с.233-235) разработана математическая модель состоявшихся и прогнозируемых землетрясений. Наименьшая ошибка в расхождении истинной (статистической) и прогнозируемой (аппроксимирующего полинома) функцией достигается при степени полинома, равной 12.

На фиг.3. представлены графики реально состоявшихся за последнее десятилетие землетрясений и на фиг.4 прогнозируемых землетрясений (полином Чебышева 12 степени). При наличии математической модели (график, фиг.4) вычисляют интеграл вероятности распределения интервала времени между двумя смежными событиями. Результаты расчетов представлены в примере реализации.

Пример реализации способа

Заявляемый способ может быть реализован по схеме фиг.3. Функциональная схема устройства фиг.3 содержит орбитальную группировку 1 космических аппаратов (КА) типа «Метеор - Планета», управляемую из Центра управления полетом 2 (ЦУП) группировки, через командную радиолинию управления 3. Над запланированным районом наблюдения по разовым командам или суточной программе, закладываемой посредством радиолинии 3 в бортовой комплекс управления 4, осуществляют включение радиометра 5. Путем сканирования антенны 6 получают изображение облачного покрова Земли 7 в виде функции яркости А(х, у). Информация получаемых изображений записывается на бортовой магнитофон 8 типа «Нива» и в сеансах радиовидимости передается по автономной радиолинии 9 на наземные пункты приема информации 10. После «расшивки» (выделения служебных признаков; место съемки, время съемки) получаемых с борта КА данных в устройстве декодировки 11 информация записывается на наземный магнитофон 12 типа «Арктур». Скомпонованная по кадрам информация перегоняется по линии связи с пункта приема 10 в Гидрометеоцентр 13. В ГМЦ 13 осуществляют обработку полученных изображений облачного покрова Земли и распечатку синоптических карт. Вид ежесуточной синоптической карты Северного полушария, формируемой ГМЦ, иллюстрируется фиг.1 Синоптические карты в виде цифрового потока предварительно обработанных в ГМЦ изображений перегоняют в аналитический центр 14 Агентства по мониторингу природной среды МЧС (Министерства по чрезвычайным ситуациям). В аналитическом центре 14 создают архив 15 синоптических карт на базе стримеров типа FT-120. Дополнительную обработку изображений проводят на персональных ПЭВМ 16, типа SYN в стандартном наборе элементов: процессора 17, оперативного запоминающего устройства 18, винчестера 19, дисплея 20, принтера 21, клавиатуры 22.

Федеральной службой мониторинга МЧС 14 ведется база всех сейсмоопасных регионов страны, которая позволяет выборочно отслеживать наиболее опасные регионы и оперативно формировать последовательность синоптических карт, подлежащих обработке.

Участки синоптических карт, подлежащих дополнительной обработке, выделяют визуально, в интерактивном режиме. Предварительно специализированный комплекс программ обработки изображений ER MAPPER записывают на винчестер 19. Вычисляют локальные минимумы (максимумы) выделенных атмосферных образований. По серии последовательных синоптических карт отслеживают трассы движения центров циклонов и антициклонов. В таблице 1 представлены расчетные трассы движения (реализации) отслеживаемых в эксперименте атмосферных образований.

Таблица 1. Трассы синфазных циклонов и антициклонов
Циклон 1	Антициклон 1	Циклон 2	Антициклон 2
Долгота	Широта	Долгота	Широта	Долгота	Широта	Долгота	Широта
45	40	121	87	61	44	81	88
90	45	135	75	92	47	105	84
113	47	137	71	105	50	136	77
135	50	141	55	146	52	150	64
143	52	143	52	158	53	158	63

Результаты расчетов иллюстрируются графиком на фиг.6.

Затем вычисляют вероятность землетрясения в расчетной точке. Для чего вычисляют функцию распределения вероятностей события (землетрясения) в интервале времени от последнего зарегистрированного на поверхности земли землетрясения (0 суток) до прогнозируемого землетрясения. Результаты расчетов (фрагмент) представлены таблицей 2.

Таблица 2 Зависимость вероятности от степени полинома
Степень Полинома	Вероятность < 1 дней	Вероятность < 3 Дней	Вероятность < 10 дней
1	2	3	4
1.	0,0046154	0,0292308	0,0923077
2.	0,0261538	0,0646154	0,2230769
3.	0,0338462	0,0907692	0,2800000
4.	0,0261538	0,0661538	0,2430769
5.	0,0169231	0,0600000	0,1892308
6.	0,0323077	0,0984615	0,2553846
7.	0,0338462	0,0923077	0,3138461
8.	0,0415385	0,1169231	0,4092308
9.	0,0384615	0,1092308	0,3692308
10.	0,0476923	0,1353846	0,3938462
11.	0,0415385	0,1123077	0,3846154
12.	0,0476923	0,1415385	0,4030769

С точностью до второго знака расчетный интеграл вероятности землетрясения совпадает с нормальным гауссовым распределением для дисперсии 7,65 суток. Расчетный интеграл вероятности землетрясения представлен графиком на фиг.7.

Заявляемый способ может быть реализован на существующей технической базе: космической системы метеонаблюдений типа «Метеор-3», вычислительных средствах ПЭВМ типа SYN и специализированном программном обеспечении типа ER MAPPER.

В основе заявляемого способа лежат закономерности движения ядра Земли под действием космических гравитационных сил. Поэтому следует ожидать высокую эффективность способа по таким показателям как оперативность, достоверность, устойчивость.

Способ определения вероятности землетрясения, при котором получают изображения облачного покрова Земли в виде функции зависимости амплитуды сигнала А (х, у) от пространственных координат, выделяют методами пространственного дифференцирования контуры на изображениях и получают синоптические карты в виде областей циклонов и антициклонов, проводят обработку сигналов внутри выделенных контуров, фиксируют на синоптических картах в областях постоянного зарождения моменты возникновения циклонов и синфазных с ними образований антициклонов, вычисляют локальные минимумы, максимумы функций сигналов внутри выделенных контуров и принимают их за центры циклонов и антициклонов, прослеживают на карте траектории движения центров циклонов и антициклонов от точки возникновения до точки условного пересечения трасс, где наблюдается окклюзия синфазных циклона и антициклона, отождествляют точку пересечения трасс с координатами очага ожидаемого землетрясения, определяют вероятность землетрясения по статической функции распределения интервала времени между двумя смежными землетрясениями.