Способ определения опасности цунами и устройство для его осуществления

 

Использование: в способах предупреждения о волнах цунами. Сущность изобретения: устройства регистрации размещают двумя группами - в прибрежной зоне на расстоянии от берега, где τ_кр - нормативное время на защиту охраняемого района, g - ускорение свободного падения, Н - средняя группа между берегом и устройством, и на расстоянии 2-4 тыс. км. Устройство регистрации содержит днище, в виде усеченного конуса 8, соединенное ребрами жесткости 6 с крышкой 2 и шахту 7. Его размеры для размещения в прибрежной зоне выбирают, исходя из условия геометрического подобия шельфу. Верхняя часть устройства заполнена газообразным агентом. 1 з.п. ф-лы. 2 ил.

Изобретение относится к способам предупреждения о волнах цунами, возникающих вследствие резкого подъема или опускания значительных водных масс океана.

Известен способ определения колебаний водной поверхности путем регистрации группой приемников колебаний атмосферного давления, в котором регистрацию проводят на расстоянии от очага цунами не менее 5 длин волн цунами в области частот 0,001-05 Гц, после чего проводят осреднение зарегистрированных колебаний атмосферного давления по группе приемников, определяют момент прихода первого экстремума выделенного сигнала и по сопоставлению зарегистрированного и эталонного сигналов прогнозируют возможность цунами (1).

Недостатком этого способа является необходимость установки приемников на расстоянии не менее 5 длин волн (до 2000 км при длине волны в 400 км) от очага цунами, т. е. более близкие очаги прогнозировать нельзя, кроме того, необходимо иметь эталонную запись от достоверного цунами, что не везде возможно.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения возникновения волн цунами, используемый в системе, состоящей из группы датчиков гидростатического давления, установленных на глубине более 100 м в прибрежной зоне и подключенных с помощью глубоководного кабеля к наземной станции. Вариации давления (уровня моря) преобразуются в частотно-модулированные сигналы и регистрируются в аналоговом виде в нескольких диапазонах береговой станцией. О появлении цунами судят по возникновению первого максимума, амплитуда которого существенно превышает фон (2).

Недостатком указанного способа является неоднозначность предупреждения о возникновении цунами.

Цель изобретения повышение надежности прогноза опасности цунами путем поэтапного ее определения.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения опасности цунами, включающем размещение в море на глубине более 100 м групп устройств регистрации, соединение их трактом связи с наземными станциями приема и обработки сигналов, высоту волны цунами моделируют на искусственном шельфе в ориентированных по сторонам света устройствах регистрации, которые разделяют на дальние, размещенные от берега в 2-4 тыс.км. и ближние размещенные от берега на расстоянии l, определяемом по формуле: где τ_кр нормативное время на защиту охраняемого района, g ускорение свободного падения, H средняя глубина моря между берегом и устройствами.

При этом на первом этапе по сигналам дальних устройств регистрации фиксируют факт возникновения и направление распространения волны цунами, на втором этапе по сигналам ближних устройств регистрации определяют степень опасности волны цунами для конкретного охраняемого района по ее высоте на масштабной модели шельфа у береговой линии этого района. В устройстве регистрации, включающем корпус с крышкой и днищем, подводный кабель связи с наземной станцией, крышка выполнена куполообразной, днище выполнено в виде усеченного конуса, входящего меньшим основанием под купол крышки и соединена с крышкой ребрами жесткости, сходящимися к сбросной шахте, установленной в меньшем основании усеченного конуса днища, и разделяющими внутренний объем устройства не менее чем на четыре сектора, во входных проемах секторов, образующих круговую щель в корпусе, установлены анемометра, соединенные подводным кабелем связи с наземной станцией или с радиобуем спутниковой связи; верхняя часть секторов и сбросной шахты под куполом крышки заполнены газообразным агентом, устройство закреплено к якорям на дне моря тросовыми растяжками, соединенными с корпусом не менее, чем в трех равноудаленных друг от друга точках и наклоненными под углом от 30 до 60^o к горизонту.

Физическая основа способа определения опасности цунами состоит в том, что волна цунами перемещается по всей глубине водного бассейна на большие расстояния при малой потере энергии со скоростями 800-1000 км/ч и на глубинах более 1000 м. При уменьшении глубины водоема скорость волны v падает по формуле Лагранжа: где g ускорение свободного падения, Н глубина водоема, поэтому при подходе к берегу волны цунами вырастает от 1-2 м в океане до десятков метров за счет торможения потока на наклонной плоскости и перехода кинетической энергии в потенциальную. Это позволяет смоделировать волну цунами на искусственном шельфе устройства регистрации, установленного на глубине более 100 м, где не сказывается влияние ветровых волн. Величину кинетической энергии волны определяют по скорости потока, замеренной анемометром, для чего необходим разpыв сплошности водной среды, что и выполнено в устройстве регистрации, частично заполненном газовым агентом. По скорости потока определяют его кинетическую энергию Е_k
где секундная масса потока
Потери энергии в модели малы, поэтому можно приравнять величину кинетической Е_к и потенциальной Е_п энергий:
E_к ≈ E_п; (3)
где h высота волны в модели.

Тогда:
h v²/2g (4)
т. е. высота волны пропорциональна скорости ее движения или величине электрического сигнала от анемометра, который можно отразить на самописце наземной станции, отградуированном на высоту волны цунами.

Cпособ определения опасности цунами осуществляют с помощью устройства регистрации, схематично изображенного на чертежах. На фиг. 1 представлена схема устройства в разрезе (вид сбоку), на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1 (вид сверху).

Устройство регистрации включает корпус 1 с куполообразной крышкой 2 и днищем 3 в виде усеченного конуса, большее основание 4 которого равно диаметру крышки 2, а меньшим основанием 5 днище 3 входит под купол крышки 2 и соединено с нею ребрами жесткости 6, скрепленными и со сбросной шахтой 7, закрепленной в меньшем основании 5 днища 3. Вместе со вспомогательной связью 8 ребра жесткости 6 придают необходимую прочность корпуса 1. Ребра жесткости 6 разделяют внутренний объем корпуса 1 не менее чем на четыре сектора 9 с наклонными днищами, сходящиеся к сбросной шихте 7. Во входных проемах 10 секторов 9 образующих сплошную кольцевую щель в корпусе 1, установлены анемометры 11, соединенные подводным кабелем связи 12 с радиобуем 13 спутниковой связи или прямо с наземной станцией (не показано).

Верхняя часть секторов 9 и сбросной шахты 7 до уровня 14 заполнена газообразным агентом. Устройство регистрации закреплено к якорям 15 на дне моря 16 тросовыми растяжками 17 так, что угол наклона их к горизонту составляет от 30 до 60^o, а количество растяжек 17 не менее трех с закреплением их через равные расстояния по дуге окружности корпуса 1. В указанном диапазоне наклона тросовые растяжки 17 обеспечивают стабилизацию устройства регистрации и необходимую надежность тросов при воздействии на устройство регистрации динамических возмущений от волны цунами. Заполнение купола крышки 2 газообразным агентом придает корпусу 1 положительную плавучесть, обеспечивая натяжение тросовых растяжек 17 и создает искусственный шельф для моделирования волны цунами: имеется наклон дна сектора 9 и граница раздела "вода-воздух", т.е. разрыв сплошности жидкой среды.

Способ определения опасности цунами осуществляют следующим образом.

На площадке на дне моря 16, выбранной возможно дальше от охраняемой зоны в 2-4 тыс.км. чтобы иметь больше времени на принятие решения, устанавливают одно или несколько устройств регистрации, закрепляют его тросовыми растяжками 17 к якорям 15, соединяют подводный кабель связи 12 с радиобуем 13 на поверхности моря и ориентируют устройство по сторонам света известным способом. Например возбуждают волну взрывом заряда ВВ или другим способом с известного направления, например с севера. Получив сигнал о приходе волны к входу 10 одного из секторов 9 от расположенного там анемометра 11, считают этот сектор 9 ориентированным на север, а остальные сектора ориентируют относительно него. Устройство готово к работе. Аналогично размещают группу ближних устройств на расчетном расстоянии l от берега:

где τ_кр нормальное время на защиту охраняемого района.

Связь этих устройств возможна через радиобуй 13 спутниковой связи или напрямую подводным кабелем связи 12 с наземной станцией.

При подходе возмущения водной среды от волны цунами в виде импульса давления к входу 10 в один из секторов 9 (см. фиг. 1 и 2), ввиду наличия в нем границы раздела 14 жидкой и газовой сред с существенно различной плотностью, начинается движение воды в секторе по наклонному днищу 3 к сбросной шихте 7 и на разделе сред формируется модель волны цунами. При этом за счет значительной высоты ребер жесткости 6 каждый сектор 9 изолирован от соседнего и волна моделируется в основном в конкретном секторе. За счет жесткости корпуса 1, обусловленной связью 8, днищем 3, ребрами жесткости 6 и куполообразной крышкой 2, соединенных в одну конструкцию, все устройство воздействует на тросы 17, закрепляющие устройство к якорям 15 на дне моря 16, и они сохраняют устройство в заданном положении в пространстве путем гашения энергии упругими деформациями тросов 17. Движение водного потока вращает крыльчатку анемометра 11 и он вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный скорости (следовательно и энергии потока) воды. Этот сигнал через подводный кабель 12 поступает в радиобуй 13, далее через спутник связи (не показан) поступает на приемник наземной станции и на один из каналов постоянно включенного самописца. Перо последнего поднимается на высоту, пропорциональную (в масштабе тарирования) сигналу анемометра. Так на станции появляется запись момента возникновения цунами (по времени записи), ожидаемой высоты волны (по высоте подъема пера) и направления, откуда идет волна (по номеру анемометра и картограмме ориентации устройства по сторонам света). Дежурный оператор (или ЭВМ) береговой станции оценивает степень опасности цунами для охраняемых районов по ожидаемой высоте волны и направлению ее распространения, причем последний фактор очень важен волна цунами может усиливаться или ослабляться, в зависимости от реальной топографии конкретной береговой линии и шельфа. На этом первый этап оценки опасности цунами заканчивается.

Второй этап начинается после срабатывания устройства у конкретно охраняемого района. Волна моделируется уже на масштабной копии реального шельфа (угол наклона днища 3 у секторов 9 точно повторяет наклон реального шельфа) с учетом усиливающего или ослабляющего действия береговой линии. Поэтому самописец выписывает реальную высоту волны цунами в масштабе. Возможен и вариант возникновения цунами между устройствами дальней и ближней установки все равно волна будет зафиксирована тем или иным или обеими группами устройств, но времени на действия не будет меньше только в пределах τ_кр. Такая двухэтапная методика оценки опасности цунами объединяет в себе достоинства аналога и прототипа и позволит снять излишнюю нервозность населения из-за неопределенности ситуации, исключать случаи объявления ложной тревоги и необъявления действительной опасности и повысить тем самым эффективность защиты людей и материальных ценностей от этого грозного стихийного бедствия.

Формула изобретения

1. Способ определения опасности цунами, включающий размещение в прибрежной зоне на глубине более 100 м групп устройств регистрации, соединение их трактом связи с наземными станциями приема и обработки сигналов, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности прогноза опасности цунами путем поэтапного ее определения, устанавливают дополнительную группу устройств регистрами на расстоянии 2 4 тысяч км от берега, а группу устройств в прибрежной зоне размещают на расстоянии l от берега, определяемом по формуле

где τ_кр нормативное время на защиту охраняемого района;
q ускорение свободного падения;
H средняя глубина моря между берегом и устройством,
и выполняют в виде модели шельфа у береговой линии охраняемого района, при этом устройства закрепляют на дне моря тросовыми растяжками, наклоненными под углом 30-60^o к горизонту и соединенными с корпусом устройства по крайней мере в трех равноудаленных друг от друга точках, по сигналам дальних устройств регистрации устанавливают факт возникновения и направление распространения волны цунами, а по сигналам ближних устройств регистрации определяют степень опасности волны цунами для охраняемого района.

2. Устройство регистрации, включающее корпус с крышкой и днищем, подводный кабель связи с наземной станцией, отличающееся тем, что крышка выполнена куполообразной, а днище в виде усеченного конуса, входящего меньшим основанием под куполообразную крышку, и соединено с ней ребрами жесткости, при этом последние разделяют внутренний объем устройства по крайней мере на четыре сектора, а большее основание конуса образует с крышкой кольцевую прорезь, в которой в каждом из секторов установлены анемометры, а верхняя часть секторов и сбросной шахты под куполообразной крышкой заполнена газообразным агентом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2