Устройство регистрации предвестников землетрясений

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано при прогнозировании землетрясений. Сущность: устройство содержит два измерительных канала, размещенных на космическом носителе, тракт передачи результатов измерений на наземные средства обработки. Один из измерительных каналов предназначен для определения избыточной концентрации водорода в воздухе, другой - для измерения ультрафиолетового свечения атмосферы. Оба канала установлены на телеуправляемой платформе. Технический результат: повышение достоверности определяемых параметров. 1 табл., 9 ил.

 

Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение при создании космических систем контроля геофизических полей Земли. Достоверный прогноз землетрясений возможен только на основе обнаружения и измерения устойчивых признаков-предвестников.

Установлено, что одной из первопричин землетрясений является дегазация верхней мантии Земли. Накануне землетрясения, за несколько суток до сейсмического удара, наблюдается активная эманация из земной коры в атмосферу легких газов: водорода Н₂, гелия Не, метана СН₄, радона Rn.

Избыточная концентрация водорода в атмосфере может достигать нескольких процентов. Для контроля избыточной концентрации водорода в атмосфере воздуха в зоне подготавливаемого землетрясения накануне сейсмического удара известна «Система измерений предвестника землетрясений», Патент RU №2275659, 2006 г. - аналог.

Система измерений аналога содержит измерительный канал из соединенных генератора оптического излучения, чувствительного элемента, фотоприемника, порогового устройства, аналогово-цифрового преобразователя, буфера накопителя, а также программируемую схему выборки, подключенную к пороговому устройству, аналогово-цифровому преобразователю и буферу-накопителю.

Чувствительный элемент выполнен в виде электрооптического модулятора на отрезке дырчатого оптического волокна, частота модуляции светового потока которого пропорциональна концентрации водорода в атмосфере воздуха. Буфер накопитель и программируемая схема выборки подключены на соответствующие входы-выходы абонентского телефона передачи адресного сигнала на узел сотовой связи международной сети телекоммуникаций.

К недостаткам аналога следует отнести:

- локальность измерения в точке размещения системы, что не позволяет достоверно судить о динамике сигнала по пространственным координатам;

- невозможность получения всего профиля и масштаба зоны подготавливаемого землетрясения.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Способ прогнозирования землетрясений», Патент RU №2295141, G01V, 9/00, 2007 г.

Способ ближайшего аналога включает регистрацию дисперсии сигналов излучения в головных спектральных полосах азота и кислорода в ближнем ИК-диапазоне и их суммы по трассе полета носителя на последовательных витках, отождествление гипоцентра очага с координатами максимальной кривизны регистрограммы суммарной дисперсии, вычисление постоянной времени (Т) изменения результирующей дисперсии в точках максимальной кривизны как , а параметры удара рассчитывают по зависимостям: время удара t_y≈4,7 Т, магнитуда как

lg t_y [сут]=0,54 М - 3,37, где:

Δt=t₂-t₁=t₃-t₂ - интервал времени между последовательными моментами измерений;

D₁, D₂, D₃ - дисперсии результирующего сигнала в моменты измерений t₁, t₂, t₃;

D_o - предельная величина установившегося значения результирующего сигнала, рассчитываемая как .

Недостатками ближайшего аналога являются:

- косвенность измеряемого признака-предвестника, поскольку дисперсии сигналов переизлучения в спектральных полосах азота и кислорода появляются только после радиоактивного распада радона, выделяющегося в атмосферу из земной коры накануне сейсмического удара;

- недостаточная мощность интенсивности переизлучения азота и кислорода в ближнем ИК-диапазоне, что делает проблематичной возможность ее регистрации.

Задача, решаемая изобретением, состоит в обеспечении непрерывности измерений как на освещенном, так и на теневом участках орбиты полета носителя, повышении достоверности прогноза землетрясения за счет измерения двух предвестников в параллельных каналах и прогноза параметров ожидаемого сейсмического удара по характеристикам результирующего сигнала обоих каналов.

Технический результат достигается тем, что устройство регистрации предвестников землетрясений, установленное на космическом носителе, содержит спектрометрический канал определения избыточной концентрации водорода в атмосфере воздуха на освещенном участке орбиты в режиме сравнения затухания светового потока в полосе поглощения водорода (λ≈658 им) и полосе поглощения кислорода (λ≈760 нм), концентрация которого в атмосфере известна, и канал измерений интенсивности ультрафиолетового свечения атмосферных газов над зоной подготавливаемого землетрясения на теневом участке орбиты носителя, тракт передачи регистрограмм измерений каналов на наземные средства программной обработки результирующего сигнала для определения параметров ожидаемого сейсмического удара.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - функциональная схема устройства;

фиг.2 - изменение атмосферного давления при эманации легких газов (Н₂, Не) в атмосферу в зоне состоявшегося землетрясения;

фиг.3 - функция изменения радиационного фона накануне и после состоявшегося землетрясения;

фиг.4 - энергетические уровни газовых молекул при флуоресцентном свечении;

фиг.5 - полоса поглощения светового потока кислородом (O₂), выбранная в качестве канала сравнения;

фиг.6 - полоса поглощения светового потока водородом (Н₂), выбранная в качестве измерительного канала;

фиг.7 - эталонный, по Планку, солнечный спектр, нормированный относительно максимума;

фиг.8 - регистрограммы сигналов в функциональных каналах;

фиг.9 - диаграммы Пуанкаре результирующего сигнала.

Устройство регистрации предвестников землетрясений, фиг.1, содержит размещенные на космическом носителе 1 канал 2 определения избыточной концентрации водорода в воздухе и канал 3 измерения ультрафиолетового свечения атмосферы, установленные на телеуправляемой платформе 4, нацеливаемой по командам от бортового комплекса управления (БКУ) 5, закладываемым в БКУ по радиолинии командного управления 6 из Центра управления носителем 7. Регистрограммы измерений в дискретные интервалы времени включения каналов записывают в буферное запоминающее устройство 8, и по командам БКУ, в зонах радиовидимости носителя с наземных пунктов, сбрасываются по тракту передачи 9 на пункты приема информации (ППИ) 10. После предварительной обработки регистрограмм по служебным признакам (номер витка, углы визирования, время съемки, координаты участков зондирования) на наземных средствах 11 информацию передают в Геофизический Центр 12. Через устройство 13 регистрограммы вводят на средства программной обработки 14 в стандартном наборе элементов: процессор 15, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 16, винчестер 17, дисплей 18, принтер 19, клавиатура 20. Результаты обработки сигналов признаков-предвестников выводят на сервер 21 сети Интернет.

Все элементы измерителя выполнены на существующей элементной базе. В качестве носителя используют лабораторный модуль 77КМЛ, стыкуемый с Российским сегментом Международной космической станции (PC MKC).

В качестве канала определения избыточной концентрации водорода используют оптоэлектронную камеру «Астрогон-1» [см., например, Малый космический аппарат «Вулкан-Астрогон» с гиперспектрометром высокого разрешения», Инженерная записка, РАКА, НИИ ЭМ, НТЦ «Реагент», 2002 г., стр.7-9]. В качестве канала измерений интенсивности ультрафиолетового свечения атмосферы используют ультрафиолетовую камеру «Фиалка-МВ-Космос» [см., например, Техническое задание на космический эксперимент «Измерение краткосрочных динамических предвестников землетрясений средствами PC МКС», шифр «Землетрясение», РКА, ФГУП ЦНИИМАШ, М., 2009 г., стр.20-21].

Измерительные каналы 2, 3 размещены соосно на двухосной телеуправляемой платформе, обеспечивающей обзор горизонта с углами прокачки от +120° до -75° по осям вращения в автоматическом или ручном режимах управления [см., например, Телеуправляемая платформа орбитальной станции Мир, Патент RU №2298818, 2006 г., стр.7].

Динамика взаимодействия элементов состоит в следующем. Дегазация земной коры накануне сейсмического удара и активная эманация водорода в атмосферу изменяют процентное соотношение между компонентами воздуха. Нормальное соотношение компонент: ~78% азота, 21% кислорода, 1% - остальные газы создает нормальное атмосферное давление 748 мм рт. ст. или 26 мм рт. ст. на один грамм веса моля воздуха (28,7). Присутствие в воздухе легкого водорода (молярный вес 2) понижает расчетное атмосферное давление в пропорции ~4 мм рт. ст. на 1% концентрации водорода. На фиг.2 иллюстрируется изменение атмосферного давления перед землетрясением, зарегистрированным на полигоне МЧС Кавказские Минеральные Воды, имевшем место в районе ст. Лысогорская 21.12.1995 г., магнитудой 5,1 балла. Как следует из графика фиг.2, пониженное давление атмосферы пропорционально расчетной концентрации водорода в единицы процентов.

Измеряемая избыточная концентрация водорода является первым устойчивым признаком-предвестником землетрясения. Вторым устойчивым признаком-предвестником землетрясения является флуоресцентное свечение атмосферных газов над зоной подготавливаемого землетрясения.

В разломной зоне, за счет увеличения эманации радона и его последующего радиоактивного распада, наблюдается увеличение фонового радиационного уровня на один-два порядка. Функция изменения мощности радиационного фона накануне и после сейсмического удара иллюстрируется графиком фиг.3 [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов», Доклады конференции РАН, ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта, М., 1998 г., стр.28, рис.2]. При наличии источника ионизации в виде радона, в атмосфере, над зоной подготавливаемого землетрясения, образуется нескомпенсированный заряд кулоновского электричества, вызывающий электростатическое поле, напряженностью несколько кВ/м. Одновременно атмосферные газы N₂, О₂, H₂ играют роль газовых сцинтилляторов, поглощающих при распаде радона ионизирующее излучение. В газовых сцинтилляторах молекулы под воздействием ионизирующего излучения переходят на возбужденные, так называемые виртуальные, уровни с последующим переизлучением энергии в полосах Лаймана (ультрафиолетовый диапазон), Бальмера (видимый диапазон), Пашена (ближний ИК-диапазон). Полосы переизлучения газовых молекул иллюстрируются фиг.3, интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, теряемой квантом при взаимодействии с молекулой газа. Поскольку энергия ионизирующего излучения радона велика, 7,69 МэВ, следует ожидать наибольшую светимость в ультрафиолетовом диапазоне. Приведенная толща атмосферы составляет 12 км, поэтому эффективное сечение газового сцинтиллятора велико. Практически все излучаемые при радиоактивном распаде радона кванты поглощаются толщей атмосферы при многократном взаимодействии. Сам факт светимости атмосферы в ультрафиолетовом диапазоне на теневом участке орбиты носителя свидетельствует о начале сейсмического процесса.

Свечение атмосферы регистрируют ультрафиолетовой камерой «Фиалка-МВ-Космос» в виде дискретных квантованных отсчетов зависимости интенсивности свечения I(R, t) от координат носителя по трассе полета, как это иллюстрируется графиками фиг.7.

Избыточную концентрацию водорода измеряют гиперспектрометром высокого спектрального разрешения (~1 нм) с оцифровкой измерений в шкале до 12 бит. Из опытов Кирхгофа известно, что непрерывный солнечный спектр, проходя через газовую среду, становится линейчатым, в нем появляются темные линии или полосы поглощения. Одноатомные газы имеют линейчатый спектр поглощения, совпадающий по положению спектральных линий со спектром испускания. При этом интенсивность поглощения пропорциональна концентрации примесного газа. Принцип измерений основан на сравнении затухания светового потока в спектральной полосе измеряемого газа с его затуханием в спектральной полосе кислорода (в окрестности λ=760 нм), концентрация которого (21%) известна. Ближайшая смежная полоса поглощения водорода находится в окрестности λ≈658 нм. На рисунке фиг.5, 6 воспроизведены спектральные полосы пропускания водорода и кислорода, измеренные в лабораторных условиях. Устойчивость результата измерений, независимого от систематических ошибок (высоты Солнца, азимута зондирования), достигается использованием метода отношений измеряемых величин, а именно:

где ΔW(H₂), ΔW(O₂) - затухание светового потока в соответствующих спектральных каналах, равное разности энергии эталонного, по Планку, солнечного спектра и энергии регистрируемого сигнала:

ΔW(O₂)=ΔW_эталон(O₂)-W(O₂); ΔW(H₂)=ΔW_эталон(H₂)-W(H₂).

Эталонную энергию светового потока и энергию сигналов рассчитывают по соотношению Рэлея: [см., например, Заездный В.М. Основы расчетов по статистической радиотехнике, Связь-издат., М., 1964 г., стр.93-94].

;

где I_этал(λ_i) - амплитуда гармоник эталонного спектра в тех же спектральных полосах, что и О₂ и Н₂.

Эталонная, по Планку, функция солнечного спектра, нормированная относительно максимальной интенсивности, иллюстрируется фиг.7.

Гиперспектрометр «Астрогон-1» имеет несколько параллельных спектральных каналов, в том числе в полосе 0,65…0,9 мкм со спектральным разрешением ~1 нм. При исходных данных трактов зондирования в полосе поглощения кислорода (фиг.5) и полосе поглощения водорода (фиг.6) и эталонном спектре (фиг.7) расчетные значения сигналов в измерительных каналах приняли значения, табл.1:

Таблица 1
Полоса измерений	Ширина полосы, нм	Энергия эталонного сигнала	Среднее пропускание в полосе	Энергия измеряемого сигнала	Энергия затухания
O2	11	0,28	0,6	0,168	0,112
H2	11	0,34	0,96	0,326	0,0136

Измеренная величина избыточной концентрации водорода (Н₂) составила: .

На графиках фиг.7 представлено семейство регистрограмм процентного содержания водорода по трассе полета носителя на последовательных витках. Зондирование атмосферы с орбиты космического носителя гиперспектрометром позволяет измерить объемную концентрацию водорода в атмосфере в широкой полосе по трассе полета носителя. Поскольку существующие измерительные средства, как правило, имеют оцифровку амплитуд сигналов в стандартной шкале 0…255 уровней квантования, то представляется возможным получить результирующую регистрограмму измерений попиксельным сложением отсчетов. Совмещение регистрограмм измерений проводят относительно траверзы по известным углам нацеливания поворотной платформы. Функция результирующего сигнала по пространству и времени содержит информацию о параметрах ожидаемого сейсмического сигнала.

Существует регрессионная зависимость, связывающая размеры зоны подготавливаемого землетрясения и магнитуду (М) сейсмического удара: lg R [км] ≈ 0,46М - 0,35, где R, км - максимальное эпицентральное расстояние зоны [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов», Доклады конференции РАН, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, М., 1998 г., стр.13]. Эпицентр отождествляют с максимумом регистрограмм. Динамика изменения эпицентрального расстояния зоны подготавливаемого землетрясения относительно траверзы иллюстрируется фиг.8. Максимум регистрограмм отождествляют с гипоцентром зоны подготавливаемого землетрясения.

Визуализацию сейсмического процесса осуществляют графическим образом в виде диаграммы Пуанкаре. Диаграмма Пуанкаре представляет собой точечное графическое отображение N значений последовательности в дискретные интервалы времени X_k при k=1, 2…N на двумерном поле, в котором ординатой точки является значение X_k+1, а абсциссой - предшествующее значение X_k. Нанося поочередно точки для k=1,2…N на график, получают точечное множество, образующее фигуру, по виду которой можно судить о типе последовательности, а по ней и о динамике объекта [см., например, Пуанкаре А., избранные труды в 3-х томах, перевод с французского под ред. Н.Н.Боголюбова, М., Наука, 1974 г.]. Диаграмма Пуанкаре динамики сейсмического процесса иллюстрируется фиг.9. В первом приближении динамику процесса представляют экспонентой [см. ближайший аналог]. Из свойств экспоненты определяют ее параметры: постоянную времени (Т) и установившееся значение Д₀:

;

Δt - межвитковый интервал времени, ~1,5 час, Д₁=63, Д₂=79.

Максимальная величина суммарного сигнала Д=(V+I) соответствует квантованному отсчету Д₀=116, а максимальное эпицентральное расстояние R_max=75 км (фиг.8). Ожидаемая магнитуда сейсмического удара lg[75]=0,46M-0,35. М=5,2 балла. Постоянная времени

Ожидаемое время сейсмического удара t_y~4,7T≈12 час. Ожидаемый центр сейсмического удара, как правило, находится на периферии от гипоцентра, на окружности радиусом R_max от гипоцентра.

Эффективность устройства характеризуется высокой достоверностью, обеспечиваемой непрерывностью наблюдений сейсмического процесса, поскольку регистрация сигнала возможна как на теневом, так и на освещенном участке орбиты носителя.

Устройство регистрации предвестников землетрясений, установленное на космическом носителе, содержащее спектрометрический канал определения избыточной концентрации водорода в атмосфере воздуха на освещенном участке орбиты в режиме сравнения затухания светового потока в полосе поглощения водорода (λ≈658 нм) и полосе поглощения кислорода (λ≈760 нм), концентрация которого в атмосфере известна, канал измерений интенсивности ультрафиолетового свечения атмосферных газов над зоной подготавливаемого землетрясения на теневом участке орбиты носителя, тракт передачи результатов измерений на наземные средства обработки для получения результирующего сигнала и определения параметров ожидаемого сейсмического удара.