Спосіб оперативного виявлення землетрусу, що насувається, по вимірюваних значеннях температури верхніх шарів атмосфери

Спосіб оперативного виявлення землетрусу, що насувається, по вимірюваних значеннях температури верхніх шарів атмосфери, який включає вимірювання значень електронної концентрації шару F іоносфери, виміряні значення електронної концентрації порівнюються з фоновими значеннями, при виявленні області з підвищеним значенням електронної концентрації ухвалюють рішення про майбутній землетрус, який відрізняється тим, що вимірюють значення електронної концентрації 3 ионосферных предвестников землетрясений // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Калининград: Российский государственный университет имени Иммануила Канта. 19 с. www.kantiana.ru/science/avt zahar.doc] для виявлення іоносферних передвісників землетрусів використовувалася варіація повного електронного змісту іоносфери, отримана за наслідками обробки вимірювань затримок сигналів навігаційних супутників системи GPS на частотах 1227,60МГц і 1575,42МГц. Для відновлення повного електронного змісту іоносфери GPS техніка реалізовує одночасне вимірювання групових і фазових затримок сигналів на частоті 1575,42МГц і на частоті 1227,60МГц. Обчислюється диференціальна затримка цих двох сигналів, яка пропорційна повному електронному змісту іоносфери ТЕС (Total Electron Content). У кожному сейсмічно-активному регіоні, що вивчається, виділяється мережа опорних GPS станцій. Для вибраних станцій вивчається поведінка добової варіації ТЕС: будується часовий ряд, який досліджується за допомогою методів статистичного аналізу. Визначається локальна область з найбільшими відхиленнями в ТЕС варіації. Для формування добової варіації ТЕС використовуються вимірювання всіх прольотів над станцією спостереження; тобто добова варіація обчислюється за допомогою усереднювання ТЕС по значній просторовій області іоносфери. Тому для детальнішого дослідження картини зміни ТЕС вивчаються варіації ТЕС уздовж прольотів окремих супутників. Для супутників системи GPS період обертання складає 12 сидеричних годин, таким чином, кожен супутник з'являється через добу над однією і тією ж областю з тимчасовим зрушенням близько 4 хвилин, тому можна проводити порівняння варіації ТЕС уздовж певного прольоту на тимчасовому інтервалі в декілька днів. Рішення про землетрус що наближається, в спокійних геомагнітних умовах, ухвалюється по зменшенню електронної концентрації над епіцентральним районом, або, що теж саме, зміні знаку сейсмо-іоносферного збурення. Проте, використання одночасного вимірювання групових і фазових затримок сигналів техніки GPS на частоті 1575,42МГц і на частоті 1227,60МГц, для відновлення повного електронного змісту іоносфери, має свої недоліки, які не дозволяють оперативно і якісно провести прогноз майбутнього землетрусу. Зокрема: 1. метод радіопросвічування іоносфери Землі спирається на обернення приведеної різниці фаз радіохвиль і математично відповідає оберненню інтегрального рівняння першого роду [Бондур В.Г., Смирнов В.М. Метод мониторинга сейсмоопасных территорий по ионосферным вариациям, регистрируемым спутниковыми навигационными системами // Доклады Академии наук, 2005. Т. 402. №5. с. 675-679. Андрианов В.А., Смирнов В.М. Определение высотного профиля электронной концентрации ионосферы Земли по двухчастотным измерениям радиосигналов искусственных спутников Земли // Радиотехника и электроника, 47883 4 1993. Т. 38. №7. с.1326-1335. Смирнов В.М. Решение обратной задачи радиопросвечивания ионосферы Земли градиентными методами // Радиотехника и электроника, 2001. № 1. с. 47-52.]. Проблема реалізації методів реконструкції параметрів іоносфери (наприклад, розподіл електронної концентрації) за даними радіопросвічування полягає в тому, що некоректність завдання відновлення не дозволяє отримати точний розв'язок основного інтегрального рівняння, яке було б стійким до малих змін вхідних даних; 2. практична реалізація методу заснована на використанні вимірювань параметрів радіосигналів на трасі "супутник - наземний пункт" за спостереженнями з одного пункту. При проведенні спостережень під кутом місця від 10 до 90 градусів проекція точки перетину променя зору супутник приймач з максимумом F2 шару іоносфери може бути віддалена від пункту прийому на відстань до 1100км; 3. GPS техніка забезпечує вимірювання групових і фазових затримок сигналів на 1575,42МГц і 1228,60МГц з 30 секундним інтервалом одночасно для всіх супутників, що знаходяться в зоні радіовидимості над окремою станцією. Одночасно більше 5-6 супутників можуть спостерігатися в секторах різних азимутів. Як групові, так і фазові затримки є відносними, оскільки містять невідомі апаратурні затримки або невідому початкову фазу; 4. виявлення іоносферних ефектів землетрусів ускладнюється в періоди геомагнітних збурень, коли значно сильніші варіації параметрів іоносфери "маскують" слабкіші сейсмо-іоносферні ефекти. Геомагнітна активність обумовлена сонячною активністю і станом міжпланетного середовища; У [Н. Данилкин. Прогноз землетрясений из космоса. Новости космонавтики. № 11. 2002. httр://www.novostikosmonavtiki.ru/content/numbers/238/26.shtml] для виявлення майбутнього землетрусу пропонується проводити зондування іоносфери за допомогою іонозонда встановленого на борт космічного апарату, орбіта якого знаходиться на висоті нижче за висоту шару максимуму електронної концентрації в іоносфері. Виміряні значення електронної концентрації порівнюються з фоновими значеннями. При виявленні області з підвищеним значенням електронної концентрації (на 20%-25% щодо фонового значення), так зване "Облако Калинина", ухвалюють рішення про майбутній землетрус. Використання зондування іоносфери іонозондом, встановленим на борт космічного апарату, вимірювання електронної концентрації шару іоносфери, розташованого нижче за висоту максимуму іоносферної електронної концентрації, з подальшим порівнянням виміряних значень з фоновими значеннями, має свої недоліки, які не дозволяють, до теперішнього часу, оперативно і достовірно виявляти майбутній землетрус. А саме: 1. Виявлення іоносферного передвісника землетрусу, заснованого на виявленні області з підвищеним вмістом електронної концентрації, повинне здійснюватися за рахунок постійного спостереження заданої області іоносфери, розташованої над епіцентральним районом майбутньо 5 го землетрусу. Епіцентр майбутнього землетрусу і його магнітуда є випадковими величинами щодо спостерігаючої сторони. Окрім цього, до найбільш активних сейсмічних районів відносяться: Тихоокеанський і Альпійсько-гімалайський сейсмічні пояси, в межах яких виділяється приблизно 80%-85% і 10%-15% всій сейсмічній енергії планети [Гусев А.А. 1979. Доповіді АН СРСР. Т. 244. с 544-548], що мають великі просторові розміри. Отже, забезпечити одночасне спостереження за всіма сейсмоактивними районами за допомогою однієї орбітальної станції (одного космічного апарату), не представляється можливим. 2. Для забезпечення виявлення майбутнього землетрусу, по виявленню області іоносфери з підвищеним вмістом електронної концентрації, необхідно створити мережу космічних апаратів, здатних автоматично обробляти виміряні значення, з єдиним наземним центром збору і обробки інформації. Цей факт приведе до значних капіталовкладень і тимчасових витрат по введенню системи космічного прогнозу землетрусів. 3. Час "життя" космічних апаратів, на висотах близько 300км, невеликий, що приводить до необхідності включати до складу системи космічного прогнозу землетрусів керованих із землі, або автоматично керованих, космічних апаратів. Це ще більше ускладнює систему космічного прогнозу землетрусів. 4. "Облако Калинина" лише свідчить про факт майбутнього землетрусу, а його переміщення в просторі, не дозволяє точно і достовірно встановити час до майбутнього землетрусу і його епіцентр. Для визначення епіцентру майбутнього землетрусу необхідно додатково застосовувати мережу наземних сейсмічних станцій. У [Пилипенко В.А. 2006. Резонансные эффекты ультра-низкочастотных волновых полей в околоземном пространстве // Диссертация на соискание ученой степени доктора физикоматематических наук. Москва: Институт космических исследований РАН. 33 с. www.iki.rssi.ru/rus/vap_avto.pdf.] відмічається, що аналіз даних спостережень свічення нічного неба на обсерваторії Абастумані привів до виявлення раніше невідомого природного явища - посилення свічення (до 30%) нижньої іоносфери (зелена киснева емісія 5577 Ао) за декілька годин перед близьким землетрусом. Статистичний аналіз даних безперервних спостережень в періоди 180 місцевих слабких землетрусів підтвердив ефект посилення 5577 Ао емісії - в середньому на (6±1) % за декілька годин до сейсмічного поштовху. Для інтерпретації цього явища був запропонований новий механізм літосферно-іоносферних зв'язків: «сейсмічний Тримпи-ефект» - резонансне розсіяння по пітч-кутам і висипання в іоносферу енергійних електронів з магнітосфери під дією порівняно слабкого сейсмічного дуже низькочастотного випромінювання. У [В. Ларкина. Журнал "Радио", номер 1, 1999г. http://www.chipinfo.ru/literature/radio/199901/p55_56. html] відмічається, що у сейсмоактивних районах у момент землетрусуі безпосередньо перед ним 47883 6 неодноразово спостерігалися свічення атмосфери, ґрунту, схилів гір, збурення атмосферного електричного потенціалу, варіації інтенсивності електромагнітного випромінювання на відстанях до тисячі кілометрів від епіцентру. Окрім цього, відмічається зміни концентрації теплової плазми електронної концентрації і щільності потоку енергетичних електронів з енергіями Ее більше 40кэВ і Ее більше 100кэВ. У роботі [Б.Е. Брюнелли, А.А. Намгаладзе. Физика ионосферы - М.: Наука, 1988. - 528 с] для первинного моноенергетичного потоку вертикально падаючих електронів з початковою енергією E0 було отримано, що на висоті h , яка характеризується так званою товщею, або глибиною вище 2 розміщеної атмосфери x dh (г/см ), потік елеh ктронів з енергією в інтервалі Е, E+dE, розрахований методом Монте-Карло і нормований до повного падаючого моноенергетичного потоку, може бути апроксимований виразом: i0 E,E0, x i E,E0, x exp 4,42 2,8 , (1) N E0, x де x / r0, r0 4,57 10 6 E7 / 4 ; (2) 0 r0 - так званий пробіг електрона з початковою енергією E0 (кеВ), що визначає висоту максимуму енерговиділення r0 dh ( h0 - висота, до якої h0 проникає електрон); i0 E, E0, x y E , ym E0 N E0, x 1 y 1 E0 1 ym Em , Em E0 E0 0 E0 1 y exp 0,1 1 ym r0 x 4/7 , r0 i0 E,E0, x dE , (3) 0,9 7,5 3,25 , (4) 1 E0 i0 y,1 x dy . (5) , 0 Для визначення енергії одиничного електрона, що бере участь в потоці, продиференціюємо вираз (3) по E і прирівняємо отриманий результат до нуля, тобто i0 E,E0, x 0 . (6) E Розв'язок рівняння (6) представляється в наступному вигляді 1 1125 ,84 0,1 10 7 7 4 457 E0 4 7 0,1 10 9 x 7 4 E0 0,9 E0 E0 . (7) Розрахунки моноенергетичного потоку вертикально падаючих електронів (7) з початковою енергією E0 для мінімальної моделі атмосфери [С.И. Исаев, М.И. Пудовкин. Полярные сияния и процессы в магнитосфере Земли - Л.: Наука, 1972. 244 с] представлені на Фіг. 1, Фіг. 2. 7 47883 Аналіз розрахунків моноенергетичного потоку вертикально падаючих електронів (Фіг. 1, Фіг. 2) дозволяє зробити наступні висновки. 1. Велика частина енергії електронів переходить в тепло нейтрального газу (максимум енергії зменшується від 40 до 2кеВ і від 100 до 3кеВ). 2. Висота шару енерговиділення (максимум об'ємної швидкості джоулева нагріву) залежить від енергії електронів і складає 90км ( E0 40 кеВ) і Коефіцієнт заломлення n радіохвиль в іоносфері визначається співвідношенням [М.П. Долуханов Распространение радиоволн - М. Связь. 1965. - 400 с.]: 0,5 776 Pf 2 8 9409 P2f 4 Співвідношення (10) дозволяє визначити температуру верхнього шару атмосфери T по виміряним значенням електронної концентрації Ne . Таким чином, коли нам відомі значення Ne тa робоча частота іонозонду f , ми завжди можемо встановити температуру T на потрібній висоті шару верхньої атмосфери. У зв'язку з вищевикладеними недоліками аналогів, пропонується наступний спосіб виявлення землетрусу, що ліквідує вищевказані недоліки. Мета корисної моделі - збільшення вірогідності правильного виявлення та зменшення часу на отримання достовірних оперативних відомостей про майбутній землетрус що насувається. Дана мета досягається тим, що проводяться вимірювання електронної концентрації Ne верхніх шарів атмосфери за допомогою іонозонда, який розташований на землі. По вимірюваним значенням Ne встановлюється температура T верхнього шару атмосфери (10). Для виключення впливу сонячного випромінювання на температуру верхнього шару атмосфери, виміри температури верхнього шару атмосфери слід проводити в опівнічний час. Для збільшення вірогідності правильного виявлення майбутнього землетрусу що насувається та виключення випадкових флуктуацій температури верхнього шару атмосфери, виміри температури верхнього шару атмосфери слід проводити в опів00 00 нічний час від 0 до 3 години ночі. Встановленні Ne , (8) f2 де f - робоча частота іонозонда; Ne - електронна концентрація. З іншого боку, коефіцієнт заломлення радіохвиль в іоносфері визначається співвідношенням [А.В. Новиков. Методика восстановления пространственного распределения полного электронного содержания ионосферы по данным радиопросвечевания атмосферы сигналами ГЛОНАСС/GPS и аналитической модели NEQUICK. Московский физико-технический институт, ФГУП РНИИКП. http://faki.fizteh.ru/pub/archive/49_science_conf_new/ section01/m_2ptrwf.html]: P P Ne n 77,6 3,73 10 5 w 40,3 2 (9) 2 T T f де P - тиск сухого повітря в Паскалях; Pw - парціальний тиск водяної пари; n 87,4км ( E0 100кеВ). 3. Величина потоку електронів пропорційна енергії електронів, що висипаються. 4. Електронна складова джоулева нагріву зазвичай незначна, а в період землетрусу, коли різко зростає іонізація в D-області іоносфери, може давати помітний внесок в тепловий баланс верхньої атмосфери на висотах від 80-130км. Максимум об'ємної швидкості джоулева нагріву доводиться на висоти максимуму педерсеновської провідності. 5. Внесок електронного нагріву в тепловий баланс верхньої атмосфери найбільш істотний в період протікання сейсмічного процесу. Локально він може бути порівнянний з джоулевим нагрівом і часом навіть перевищувати його. Таким чином, частина енергії висипаних з іоносфери електронів і протонів, що втрачається в атмосфері, йде зрештою в тепло нейтрального газу. Ця відносна частка енергії висипаних частинок, яка поглинена на висоті h, переходить в тепло нейтрального газу. T 8 1 80,8 T - температура в градусах Кельвінах. Після прирівнювання співвідношень (8) і (9) та розв'язку отриманого рівняння щодо температури T , отримуємо наступний вираз: 0,233 10 7 Pw f 4 10 f 2 0,944 10 8 Pw f 2Ne (10) 405 Ne значення T накопичуються за період часу t . Кількість отриманих значень n температури верхнього шару атмосфери T визначається за формулою: t , (11) n t де t - період часу накопичування даних про Т; t - дискретність вимірювань Ne та встановлення Т, що задається програмно у іонозонді. По встановленим значенням T контролюємого шару верхньої атмосфери, отриманих за період часу від 000 до 300 години ночі, визначається середнє значення температури шару верхньої атмосфери T : n Ti i 1 (12) n Отримане значення T порівнюють з результатами наперед розрахованим середнім значенням температури контролюємого шару верхньої атмосфери TN . Значення TN контролюємого шару верхньої атмосфери отримують за допомогою ГОСТ 4401-81 (Атмосфера стандартная. Параметры), ГОСТ Р 25645.166-2004 (Атмосфера Земли верхняя). Критерієм ухвалення рішення про виявлення землетрусу що насувається, є перевищення середнього за період часу вимірювань t значення темT 9 47883 ператури шару верхньої атмосфери T значення 1,15 TN . Реалізацію пропонованого способу оперативного виявлення землетрусу що насувається по вимірюваним значенням температури верхніх шарів атмосфери, розглянемо на прикладі роботи іонозонда "ПАРУС" [Ионозонд "ПАРУС". Документация Ионозонда ПАРУС-3 Демо версии. \\ www http://top.izmiran.troitsk.ru/parus/]. Іонозонд "ПАРУС" призначений для діагностики іоносфери і оперативного прогнозу короткохвильового зв'язку. Конструкція іонозонда виконана за модульним принципом. Режим роботи іонозонда змінюється програмно, що дозволяє його легку адаптацію до конкретних потреб різних експериментальних комплексів діагностики іоносфери. За допомогою іонозонда можна проводити вимірювання амплітудних характеристик, спектру, форми і фази сигналу, що відбитий. Один з інтегрованих пакетів математичного супроводу іонозонда включає інтегроване середовище обробки іонограм, ведення баз даних, генерації стандартних звітів. Середовище включає графічний редактор іонограм, що дозволяє проводити обробку результатів зондування в інтерактивному режимі і програму відновлення профілю електронної концентрації. На дату та час проведення вимірювань Ne за допомогою ГОСТ 4401-81, ГОСТ Р 25645.166-2004 у мікропроцесорі ПЕОМ, яка входить до складу іонозонда "ПАРУС", проводять розрахунки середнього значення TN контролюємого шару верхньої атмосфери, отримані значення заносяться у постійну пам'ять персонального комп'ютера. За відновленим профілем електронної концентрації, в досліджуваному шару верхньої атмосфери, проводиться розрахунок значень T на інтервалі часу від 000 до 300 години ночі. Отримані на інтер00 00 валі часу від 0 до 3 години ночі значення T накопичуються в оперативній пам'яті ПЕОМ IBM PC AT іонозонда і обчислюється середнє значення температури шару верхньої атмосфери T (12). Отримане значення T порівнюється з наперед розрахованим значенням TN . При перевищені значення T значення 1,15 TN T 115 TN ухвалю, 10 ється рішення про майбутній землетрус що насувається. На Фіг. 3 і Фіг. 4 представлена географія розміщення 7-ми іонозондів "ПАРУС" [Ионозонд "ПАРУС". Документация Ионозонда ПАРУС-3. Демо версии \\ www http://top.izmiran.troitsk.ru/parus/.], і більше 70-ти іонозондів DPS-4 [Цифровой ионозонд DPS-4 \\ Институт Солнечно-Земной физики СО РАН. Отдел физики верхней атмосферы и распространения радиоволн, http://ulcar.uml.edu/.], що функціонують в даний час. З представленої географії розміщення іонозондів виходить, що вони охоплюють всі сейсмонебезпечні райони. Цей факт свідчить про те, що реалізація пропонованого способу оперативного виявлення землетрусу що насувається не вимагає додаткових капіталовкладень. Стислі пояснення того, що зображено на фігурах переліку фігур креслення до заявки на корисну модель Спосіб оперативного виявлення землетрусу що насувається по вимірюваним значенням температури верхніх шарів атмосфери Фіг. 1. Розподіл енергії моноенергетичного потоку електронів для мінімальної моделі іоносфери. Представлені результати розрахунків розподілу енергії моноенергетичного потоку e електронів в залежності від висоne z h см3 с ти h [км] над поверхнею Землі, якщо початкова енергія E0 моноенергетичного потоку електронів становить 40кеВ. Фіг. 2. Розподіл енергії моноенергетичного потоку електронів для мінімальної моделі іоносфери. e Представлені результати ne z h см3 с розрахунків розподілу енергії моноенергетичного потоку електронів в залежності від висоти h [км] над поверхнею Землі, якщо початкова енергія E0 моноенергетичного потоку електронів становить 100кеВ. Фіг. 3. Розміщення іонозондів "ПАРУС" в Європі та Азії. Фіг. 4. Розміщення іонозондів DPS-4 у науководослідних центрах світу. 11 47883 12 13 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 47883 Підписне 14 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601