Способ прогнозирования землетрясений

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для прогнозирования землетрясений. Сущность: одновременно регистрируют два разнородных признака-предвестника: плотность электронной концентрации ионосферы и радиационный фон восходящего излучения в пороговом режиме. Рассчитывают числовые характеристики сигналов-предвестников. Рассчитывают время и магнитуду ожидаемого удара. Технический результат: повышение оперативности, достоверности и глобальности прогнозирования. 5 ил.

 

Изобретение относится к сейсмологии и может найти применение при создании центра прогнозирования глобальных катастроф.

Установлено, что в разломных зонах накануне состоявшихся землетрясений наблюдалась активная эманация в атмосферу различных газов (Н₂, Не, Rn...), а в ионосфере наблюдались квазипериодические вариации электронной плотности, до 40-60%, на интервале времени 40-48 часов до удара (см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов», Доклады конференции, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, РАН, М., 1998 г, стр.27-34).

Эманация радона (период полураспада 3,81 суток) сопровождается γ-излучением, ионизацией аэрозолей и локальными электроразрядными процессами, наблюдаемыми иногда в виде сполохов над разломными зонами.

Известен «Способ обнаружения очагов землетрясений» Патент RU №2217779, G01V, 9/00, 2003 г. - аналог. В способе-аналоге получают синтезированное изображение участков ионосферы из отдельных регистрограмм электронной плотности в виде дискретных отсчетов зависимости амплитуды сигнала А(х, y) от пространственных координат с темпом квантования не ниже 100 изм/сек, электростатического потенциала внешней поверхности КА, при их пролете непосредственно через область ионосферных образований, выделяют методами пространственного дифференцирования контурные рисунки на синтезированном изображении, вычисляют морфологические характеристики синтезированного изображения внутри выделенных контуров и, по совокупности вычисленных характеристик, судят о принадлежности выделенного участка ионосферы к проекции литосферного очага землетрясения на ионосферу.

Недостатками аналога являются:

- большой пространственный размах ионосферных волн (несколько тыс.км), что затрудняет точную идентификацию гипоцентра очага;

- не определяются параметры предстоящего удара;

- недостаточная достоверность фиксируемого события, поскольку измеряется только один признак-предвестник из множества одновременно существующих.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Способ определения вероятности землетрясения», Патент RU №2183844, G01V, 9/00, 2002 г. В способе ближайшего аналога получают синтезированное изображение подстилающей поверхности в виде матрицы из попиксельных отношений амплитуд сигналов в двух взаимно ортогональных по поляризации каналах приема собственного ИК-излучения А(х, y) от пространственных координат, выделяют методами пространственного дифференцирования контуры на синтезированном изображении, вычисляют по серии последовательных изображений интервал (r) автокорреляции функции сигнала фрагмента изображения и скорость его изменения (dr/dt) внутри выделенного контура, рассчитывают признак-предвестник и находят закон распределения вероятностей этого признака, рассчитывают вероятность землетрясения как интеграл от функции распределения вероятностей интервала автокорреляции в пределах от начала наблюдения r_нач до r(Т), где Т - интервал прогнозирования.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- незначительное изменение поляризации собственного ИК-излучения подстилающей поверхности и, как следствие, малый уровень результирующего сигнала;

- недостаточная достоверность прогноза из-за использования только одного признака-предвестника из множества одновременно существующих накануне землетрясения;

- не определяются параметры грядущего землетрясения, время удара и магнитуда.

Задача, решаемая заявляемым способом, состоит в обеспечении высокой достоверности обнаружения очагов и прогноза параметров подготавливаемых землетрясений путем одновременного измерения двух независимых признаков-предвестников.

Технический результат достигается тем, что в способе прогнозирования землетрясений, включающем регистрацию сигнала признака-предвестника в виде зависимости амплитуды А(х, y) от пространственных координат на последовательных витках пролета космического аппарата над сейсмоопасными регионами планеты, фиксацию результатов измерений, расчет совокупности числовых характеристик результирующего сигнала, дополнительно одновременно регистрируют два разнородных признака-предвестника: плотность электронной концентрации ионосферы и радиационный фон восходящего излучения в пороговом режиме, вычисляют кривизну регистограмм радиационного излучения и отождествляют максимум кривизны с гипоцентром очага землетрясения, рассчитывают дисперсии сигналов-предвестников на каждом витке, составляют их сумму, находят постоянную времени изменения суммы дисперсий

прогнозируют время ожидаемого удара как t_y≈4,7T, магнитуду М как

lg t_y(сут)=0,54M-3,37,

где Δt=t₂-t₁=t₃-t₂ - интервал времени между последовательными измерениями на витках, час;

D₁, D₂, D₃ - значения сумм дисперсий сигналов в моменты измерений t₁, t₂, t₃;

D₀ - предельное значение суммы дисперсий накануне удара,

D₀=D² ₂-D₁D₃/2D₂-D₁-D₃.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - регистрограмма признака-предвестника в виде ионосферных волн электронной плотности;

фиг.2 - регистрограмма признака-предвестника в виде уровня радиационного фона над очаговой зоной;

фиг.3 - зависимость мощности светоизлучения от тока инжекции при реализации порогового режима;

фиг.4 - расчетная функция огибающей переходного процесса по параметрам регистрируемых сигналов;

фиг.5 - функциональная схема устройства, реализующего способ.

Техническая сущность способа состоит в следующем. Накануне землетрясения возникают волнообразные возмущения плотности электронной концентрации ионосферы акустико-гравитационного типа. Эти волны (фиг.1) имеют своим источником очаговую зону и распространяются от нее по всем направлениям на большие расстояния (тыс.км).

Признаком-предвестником другого рода является эманация радона в сейсмоактивной области. Поскольку радон имеет плотность 9,81 г/л (т.е. на порядок больше плотности воздуха), то выделение радона в форме «стелющегося тумана» приурочено, в основном, к очаговой зоне. Последующий распад радона (период полураспада 3,8 сут) сопровождается γ-излучением и увеличением мощности радиоактивного фона над сейсмоактивной областью примерно на порядок. Поскольку характеристики ионосферы существенно зависят от времени суток (день-ночь), магнитных бурь и вспышек на Солнце, то прогнозирование параметров землетрясения по динамической изменчивости ионосферной плазмы оказывается недостоверным. Следует ожидать, что одновременное измерение и обработка сигналов двух разнородных признаков-предвестников - ионосферных волн электронной плотности и радиационного фона над очаговой зоной - обеспечат высокую достоверность прогноза землетрясений.

Для обнаружения очагов землетрясений используют пороговый режим трассовых надирных измерений мощности выходящего радиационного фона. Одна из реализаций регистрограмм как функция зависимости мощности (мРг/час) от протяженности очаговой зоны L (обычный диаметр зоны - 150-200 км) иллюстрируется графиком фиг.2. Пороговый режим измерений реализуют путем использования лавинного светотриода, током инжекции которого является ток детектора γ-излучения. Характеристика лавинного светотриода иллюстрируется графиком фиг.3 (см., например, «Основы оптоэлектроники», перев. с японского под редакцией К.М.Голанта, Мир, М., 1998 г., стр.46-47). Анализируется мощность радиационного излучения, и пока она не превосходит установленного порога, сигнал на выход второго канала приема не пропускается. При превышении порогового уровня, идентифицируемого как очаговая зона, осуществляют запись регистрограммы. Для исключения ложных тревог обнаружения очаговых зон величину порога выбирают в несколько раз выше сигнала фонового уровня. Расчет проводят по одному из известных критериев риска: Байеса, Зигерта-Котельникова, Неймана-Пирсона, Вальда (см., например, С.А.Вакин, Л.Н.Шустов «Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки», изд. Советское радио, М., 1968 г., стр.20-25). Регулируют порог величиной тока детектора γ-излучений, который является током инжекции светотриода. Характеристики детекторов излучений (см., например, А.Горицкий «Приборы радиационной и химической разведки», изд. ДОСААФ, СССР, М., 1969 г., стр.108-111).

Для точной идентификации очага и определения координат гипоцентра осуществляют обработку регистрограмм. Очевидно, что кривизна регистограмм зависит как от мощности излучения разломной зоны, так и от направления пересечения трассой витка этой зоны. Математической процедурой, характеризующей форму кривых, является вычисление их кривизны (см., например, Н.С.Пискунов «Дифференциальное и интегральное исчисление для ВТУЗов», т.1, 5-е издание, изд. Наука, М., 1964 г., стр.196-198). Кривизна кривой задается функцией:

За координаты гипоцентра принимают область наибольшей кривизны, как это иллюстрировано графиком фиг.2. Поскольку в современных системах телеизмерений массивы информации представляют в цифровой форме, а аналитическое выражение регистрограмм отсутствует, определение кривизны регистрограмм осуществляют специализированной математической программой для ПЭВМ. Текст программы представлен в примере реализации.

После идентификации очага землетрясения проводят измерение сигналов предвестников на последовательных витках для получения характеристик переходного процесса. В характеристиках переходного процесса содержится скрытая информация о параметрах ожидаемого удара. Какой бы энергией ни обладал источник, между начальным состоянием и возмущенным состоянием накануне удара существует переходный процесс. Переходные процессы описываются дифференциальными уравнениями первого и второго порядка. Общим решением дифференциальных уравнений для огибающих переходного процесса служит экспонента (см., например, Н.С.Пискунов «Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов, 5-е изд., Наука, М., 1964 г., стр.458, 506-507).

Начальные условия для решения дифференциальных уравнений получают из серии регистрируемых отсчетов функций сигналов. Начальными условиями для экспоненты являются постоянная времени (Т) и предельное установившееся значение (D₀). Из свойств экспоненты следует, что постоянная времени

где Δt=t₂-t₁=t₃-t₂ - интервал времени между последовательными измерениями на витках, D₁, D₂ - мощность сигналов предвестников в моменты измерений t₁, t₂, D₀ - предельная мощность сигналов в возмущенном состоянии накануне удара

D₀=D² ₂-D₁D₃/2D₂-D₁-D₃

Располагая функцией огибающей переходного процесса прогнозируют параметры ожидаемого удара по регрессионным зависимостям: время удара t_y≈4,7Т, магнитуду М удара как lg t_y (сут)=0,54М-3,37. Функция огибающей переходного процесса иллюстрируется фиг.4. Для повышения достоверности регистрируемого события мощность процесса представляется суммой дисперсий сигналов в каналах измерений I, II.

Накануне удара турбулентность ионосферы и мощность радиационного фона нарастают, что выражается в увеличении мощности процесса. Поскольку признаки-предвестники представляют собой разнородные события, то результирующая вероятность двух разнородных событий определяется произведением их вероятностей. Степень подобия двух функций оценивают функцией взаимной корреляции. Значение функции корреляции в нуле равно мощности процесса (см., например, А.М.Заездный. «Основы расчетов по статистической радиотехнике», Связь-издат, М., 1969 г., стр.91-97). Поскольку, по определению, дисперсия сигнала есть мощность переменной составляющей, то с информационной точки зрения сложение дисперсий в каналах измерений I, II эквивалентно перемножению вероятности разнородных событий. Следовательно, достоверность заявляемого способа превышает достоверность аналогов примерно на порядок.

Пример реализации способа.

Заявляемый способ может быть реализован по схеме фиг.5. Функциональная схема устройства фиг.5 содержит орбитальный комплекс наблюдения 1 (типа МКС) с установленными на нем средствами измерительного канала 2 и канала 3, подключенных посредством локального коммутатора 4 и аналого-цифрового преобразователя 5 к бортовой информационно-измерительной системе 6 (типа «БИТС-2»). Включение «БИТС-2» над запланированными сейсмоопасными регионами планеты 7 в режим измерений осуществляют посредством разовых команд или суточных программ, передаваемых в бортовой комплекс управления 8 (БКУ) по командной радиолинии управления 9 из Центра управления полетом 10 (ЦУП). Измерительный канал 2 служит для измерений плотности электронной концентрации ионосферы по трассе полета МКС и содержит непосредственно преобразователь типа «Зонд» 11 (серийно выпускаемый прибор «Датчик электрического поля Зонд-3, классификатор БЫ.2.714.003-01 ТО) и преобразователь «Заряд» 12 (классификатор БЫ.2 008043 ТО, MOM, НПО ИТ, М., 1983 г.). Измерительный канал 3 служит для преобразования мощности восходящего радиационного фона по трассе полета носителя в электрический сигнал и содержит детектор радиоактивного фона 13, светотриод 14, фотоприемник 15, пороговый элемент 16. Перечисленные элементы выполнены по типовым схемам вышеприведенных в описании источников. Пороговый элемент 16 выполнен по схеме (см., например, «Справочник по радиоэлектронным устройствам», том.1, под редакцией А.А.Куликовского, изд. «Энергия», М., 1978 г. стр.33 «Электронные ключи»). В зоне видимости МКС с наземных пунктов осуществляют сброс записанной в запоминающем устройстве БИТС-2 измерительной информации каналов 2, 3 на наземный пункт приема 17 по автономной радиолинии 18, где проводят запись на видеомагнитофон 19 (типа «АРКТУР»). По каналам связи 20 информацию перегоняют в Центр глобальных катастроф МЧС 21, где создают долговременный архив данных 22. Обработку данных и расчет характеристик переходного процесса проводят на ПЭВМ 23 в стандартном наборе элементов: процессора 24, оперативного запоминающего устройства 25, винчестера 26, дисплея 27, принтера 28, клавиатуры 29. Результаты обработки помещают в базу данных по отдельным регионам планеты и выводят на сайт сети «Интернет» 30. Предварительно, специализированное программное обеспечение и программу вычисления кривизны регистрограмм записывают на винчестер 26.

Текст программы вычисления кривизны регистрограмм.

program maxkurv;

uses crt;

const

MaxkolPot=10; Максимальное число потоков

dt=1.0; Шаг по времени

type

mass=array[1..MaxkolPot] of real;

var

dat1,dat2,dat3,krv:mass; kolPot,i,maxi: integer;

maxkrv,maxt,d2y,dy,z,time:real;f:text;

procedure getdata(kolPot:integer; var dat:mass); var i:integer;

begin

for i:=1 to kolPot do read(f,dat[i]);

readln(f)

end;

begin

clrscr;

assign(f,'dat.txt');

reset(f);

maxkrv:=0; maxi:=0; maxt:=0;

if not eof(f) then

begin

kolPot:=0;

while not eoln(f) do

begin

kolPot:=kolPot+1;

if kolPot<=maxkolPot

then read(f,dat1[kolPot])

else

begin

writeln('Слишком много потоков!');halt: end

end;

if not eof(f) then getdata(kolPot,dat2)

else

begin

writeln('Слишком мало данных!');halt end;

time:=0;

while not eof(f) do

begin

getdata(kolPot,dat3);

time:=time+dt;

for i:=1 to kolPot do krv[i]:=0;

for i:=1 to kolPot do

begin

if (dat2[i]>dat1[i]) and (dat2[i]>dat3[i]) then

begin

d2y:=(dat3[i]-2*dat2[i]+dat1[i])/(dt*dt);

dy:=(dat3[i]-dat1[i])/(2*dt);

z:=sqrt(1+sqr(dy));

krv[i]:=abs(d2y)/(z*z*z);

end;

end;

for i:=1 to kolPot do if maxkrv<krv[i] then

begin

maxkrv:=krv[i]; maxi:=i; maxt:=time

end;

writeln('Time=',time:10:5,

'Max kurv/=',maxkrv:10:5,' Max Pot=',maxi:2,

'MaxTime=',maxt:10:5);

dat1:=dat2;

dat2:=dat3;

end;

end

else

begin

writeln('Слишком мало данных!'); halt

end;

end.

По результатам обработки регистрограмм фиг.1, фиг.2 получены следующие результаты: максимальная кривизна кривой радиационного фона составила К=1/240 км в точке с координатами 37°16'40'' с.ш. и 48°24'30'' в.д. (западный Иран), постоянная экспоненты (фиг.4) составила Т=12 ч, откуда ожидаемое время удара t_y=4,7T=2,34 сут, ожидаемая магнитуда М≈6,9.

Эффективность заявляемого способа определяется такими показателями, как оперативность, достоверность, точность, глобальность. Реализация способа возможна на существующей технической базе при минимальном дооснащении МКС. Задействование МКС по операциям предлагаемого способа позволит иметь постоянно действующий оперативный канал наблюдения, обнаружения и прогноза глобальных катастроф.

Способ прогнозирования землетрясений, включающий регистрацию сигнала признака-предвестника в виде зависимости амплитуды А(x, y) от пространственных координат на последовательных витках пролета космического аппарата над сейсмоопасными регионами планеты, фиксацию результатов измерений, расчет совокупности числовых характеристик результирующего сигнала, отличающийся тем, что одновременно регистрируют два разнородных признака-предвестника: плотность электронной концентрации ионосферы и радиационный фон восходящего излучения в пороговом режиме, вычисляют кривизну регистограмм радиационного излучения и отождествляют максимум кривизны с гипоцентром очага землетрясения, рассчитывают дисперсии сигналов-предвестников на каждом витке и составляют их сумму, находят постоянную времени изменения суммы дисперсий: ,

прогнозируют время ожидаемого удара как t_y≈4,7T, магнитуду М как

lgt_y(сут)=0,54 M-3,37,

где Δt=t₂-t₁=t₃-t₂ - интервал времени между последовательными измерениями на витках, ч;

D₁, D₂, D₃ - значения сумм дисперсий сигналов в моменты измерений t₁, t₂, t₃;

D₀ - предельное значение суммы дисперсий сигналов накануне удара,

D₀=D² ₂-D₁D₃/2D₂-D₁-D₃.