Способ обнаружения возможности наиболее опасных катастрофических явлений

 

Изобретение относится к исследованию физических явлений и найдет широкое применение при прогнозе возможности периодического наступления наиболее опасных неблагоприятных явлений, для обеспечения потребителей энергетическими и водными ресурсами, при поэтапных предварительных прогнозах экстремальных изменений природных и техногенных условий. Сущность изобретения: измеряют изменение параметров геофизического поля, включая сезонную температуру приземного воздуха и сезонных осадков, составляют хронологическую последовательность наиболее опасных катастрофических не менее чем трехлетних явлений, по которой определяют период повторения этих явлений. Сравнивают этот период с вычисленными резонансными интервалами смещения и по продолжительности опережающих либо последующих суммарных резонансных интервалов смещения судят о наличии возможности наступления наиболее опасных катастрофических неблагоприятных явлений. 9 ил.

Изобретение относится к области исследования физических явлений в нижней атмосфере, гидросфере, средах геологической природы и других явлений и найдет широкое применение при обнаружении наиболее опасных неблагоприятных катастрофических явлений как-то: суровых зим, засух, маловодных периодов, наводнений, землетрясений, малых ледниковых эпох (МЛЭ) и других неблагоприятных явлений, в том числе экстремальных по потреблению энергетических и водных ресурсов. Способ найдет основополагающее применение также при прогнозах производства и закупок продукции растениеводства, при моделировании в геологии, при прогнозах выработки электроэнергии, высокой сейсмической активности и грузооборота по малым рекам.

Известные способы оценки климатических изменений по колебаниям уровня поверхностных вод (см. ж. Водные ресурсы т. 21 N 4 1994 Карпычев Ю.А. Периодичность колебаний уровня Каспийского моря по данным радиоуглеродного анализа новокаспийских отложений. С. 418-421) заключаются в определении частоты колебаний уровня бессточных водоемов, которые являются предвестниками изменений климата регионов, суммирования амплитуды полученных 2400-летних, 200-летних и 80-летних метеоритмов, оценке изменений климата в отдельности регионе по понижениям приземной температуры воздуха.

Известные способы позволяют выявить влияние на климат и гидрологические ритмы водоисточников режимов функционирования нижней атмосферы, что уже несколько приближает к допустимому уровню достоверности пользователя.

Однако использование в известных способах в качестве предвестника неблагоприятных явлений только инструментальных наблюдений геофизических параметров, в том числе температуры воздуха г. Лондона, ограничивает диапазон исследования и смещает на временной оси в запредельную от исследуемого диапазона сторону климатические сигналы и гидрологические ритмы. Это по причине меридиальных различий сравниваемых регионов значительно снижает уровень надежности до запредельного от допустимого пользователем уровня.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является способ обнаружения возможности катастрофических явлений (см. Патент Российской Федерации N 2030769 МКИ G 01 11/00, приоритет от 10 марта 1995 г. Способ обнаружения возможности наступления катастрофических явлений), основанный на непрерывном измерении геофизических параметров, параметров геофизического поля, выделении геофизического поля возрастающей частоты с синусоидальным колебательным процессом и принятия суждения о возможности наступления неблагоприятных катастрофических явлений по началу геофизического поля возрастающей частоты с колебательным синусоидальным процессом периода от 100 до 1000000С.

Возможность учета отдельных геофизических параметров, в частности влияния атмосферной циклонической деятельности на ход экстремальных процессов в техногенных средах и средах геологической природы, позволяют несколько повысить достоверность прогноза и приблизить его к обоснованному природой катастрофических явлений уровню, а возможность уточнения наступления катастрофических явлений по переходу от обычного геофизического поля к синусоидальному полю возрастающей частоты периода от 100 до 1000000С дополнительно несколько повышает надежность прогноза.

Недостатком прототипа является ограниченная заблоговременность, не превышающая нескольких суток, что значительно снижает уровень разрешающей способности способа, а это в сочетании с ограниченным перечнем геофизических параметров и узким номенклатурным составом прогнозируемых экстремальных явлений узкого географического спектра и спектра сред распространения приводит к необходимости включения в число геофизических полей традиционно геофизических параметров, в частности барического давления.

Предложенный способ направлен на повышение заблаговременности обнаружения предвестников наиболее опасных катастрофических явлений, на расширение его географического приложения, расширение номенклатурного состава охватываемых прогнозом явлений и ограничение необходимости полномасштабных непрерывных измерений геофизических параметров и параметров геофизического поля.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе к числу контролируемых геофизических параметров относят восстановленные и измеренные изменения сезонной приземной температуры воздуха (ПТВ) и дефицита сезонных осадков по отношению к средней многолетней их величине, проводят составление хронологической последовательности наиболее опасных катастрофических явлений с продолжительностью действия не менее трех лет, согласно которой определяют период повторения наиболее опасных неблагоприятных явлений, по равенству которого одному из суммарных либо синхронных T_п резонансных интервалов смещения (РИС), связанных между собой выражениями вида:

































где
T : T₁, T₂, T₃ и T₄ - синхронные РИС (T₁ = 11 лет; T₂ = 20 лет; T₃ = 54 года; T₄ = 206 лет), априорно принимают признак экстремума в волне вариации солнечной постоянной, который на временной оси синхронно совпадает либо с началом, либо с интервалом проявления последнего из трехлетних катастрофических неблагоприятных явлений, либо отстоит от него на 600-летний, либо кратный ему период в волне вариаций солнечной постоянной, а по продолжительности опережающих, либо последующих суммарных РИС , определяемых из выражений (1)...(42), либо синхронных РИС - T_п, либо в синхронном варианте с последним из признаков экстремума повариантно судят о наличии возможности наступления наиболее опасных катастрофических неблагоприятных явлений.

Синхронность наиболее опасных катастрофических неблагоприятных явлений с атмосферными метеоритами определена повариантно в РИС и подтверждена многолетними наблюдениями катастрофических неблагоприятных явлений в нижней атмосфере и средах геологической природы отдельных регионов страны.

Глобальность ритмообразующего влияния взаимного резонанса явлений во всех сферах Земли через тип планетарной циркуляции атмосферы Земли на наступление катастрофических наиболее опасных неблагоприятных явлений расширяет географическую применимость при расширения границ номенклатурного состава охватываемых способом явлений, что ограничивает потребность в полномасштабных измерениях параметров геофизического поля и геофизических параметров в период между вышеуказанными явлениями.

Возможность обнаружения особоопасных катастрофических явлений указанным выше образом обосновывается следующим. В последние десятилетия на отечественных и зарубежных автоматических космических аппаратах проведен целый ряд интересных исследований. Так как отечественных автоматических космических аппаратах проведено уточнение параметров солнечной радиации, достигающей землю, в частности удалось уточнить величину солнечной постоянной Q. Солнечная постоянная Q при этом определена равной 1,388·10⁶ эрг/с·см². Отклонения или вариации ΔQ солнечной постоянной составляют до 2 процентов и имеют период изменения, равный 600 лет. На космических аппаратах "Улисс" американского производства проведены исследования различных областей Солнца. Комплекс проведенных исследований позволил выявить существенные различия солнечного ветра, направленного от полюсов Солнца, и экваториального солнечного ветра, а именно то, что электроны, протоны, ядра гелия вблизи Южного полюса движутся вдвое быстрее, чем у экватора, где их скорость едва достигает лишь 400 км/с. Именно вблизи экваториальной области Солнца на фоне непрерывного потока частиц наблюдаются различные неоднородности как в числе частиц, их энергиях, так и в характеристиках электрических и магнитных полей, которые они с собой несут. Влияние экваториального солнечного ветра вышеуказанных параметров достигающего Землю и приводит к нелинейности геофизического поля околоземного пространства, включая ее ионосферу, магнитосферу, атмосферу среды геологической природы и другие сферы.

На "фоне" нелинейного геофизического поля околоземного пространства волны солнечной радиации в виде вариаций ΔQ (фиг. 1) солнечной постоянной по мере поступления в атмосферу Земли изменяют черты ее планетарной циркуляции. Это приводит к периодическому росту резонансных амплитуд в волне ее метеоритмов периода от 11 до 2400 лет. Последний метеориты периода 2400 лет среднеглобальной среднегодовой приземной температуры воздуха (ПТВ) (фиг. 2) получен на основе фактов наблюдаемого в последнее столетие повышения температуры воздуха, температуры поверхности Земли, циклов солнечной активности и примеров изменения гидрологических ритмов, в том числе уровня Каспийского моря. Периодический рост амплитуды волны метеоритмов в атмосфере Земли происходит по мере резонансного перераспределения поступающей от Солнца энергии между энергией поглощаемой верхней и нижней атмосферой, энергией потребляемой Землей на вращение вокруг собственной оси, в том числе за счет динамического и термического режимов поверхностных и грунтовых вод, отдельных слоев земной коры и океана. При этом исходная волна вариации ΔQ солнечной постоянной 600-летнего периода и "дочерние" волны высоко-, средне- и низкочастотных метеоритмов и ритмов наиболее опасных катастрофических явлений в нижней атмосфере Земли, средах геологической природы, гидросферы и других сред вступают во взаимный резонанс, условием существования которого являются граничные условия. Соотношения кратности и им соответствующие граничные условия связаны коэффициентами кратности K_п и вытекают из законов сохранения энергии и импульса. Коэффициент кратности K_п для 11- и 20-летних периодов метеоритмов в атмосфере и 60-летнего периода волны неравномерного вращения Земли вокруг собственной оси равен в первом приближении 6 и 3, а аналогичный коэффициент кратности K_п, равный 6,3 и 1/4, повторяет низкочастотные метеоритмы в нижней атмосфере периода 108, 206 и 2400 лет в волнах вариаций ΔQ солнечной постоянной 600-летнего периода. Кроме того, коэффициент кратности K_п, равный 10, связывает волны неравномерного вращения Земли вокруг собственной оси и волны вариаций солнечной постоянной 600-летнего периода (фиг. 1). Это свидетельствует о параметрическом резонансе волн, как части взаимного резонанса волн во всех сферах Земли, возникающего под действием параметра ΔQ в волне вариаций солнечной постоянной. Для параметрического резонанса согласно законам сохранения энергии и импульса имеет место баланс между дополнительно поступающей во все сферы Земли: ионосферу, магнитосферу и нижнюю атмосферу, энергией и энергетикой возбуждаемых в атмосфере, гидросфере, средах геологической природы и других сферах процессов, в том числе связанных с периодом наступления неблагоприятных особоопасных катастрофических явлений. Тем самым в ходе параметрической раскачки "дочерних" волн в вышеуказанных сферах Земли волной вариаций ΔQ солнечной постоянной периодически происходят сменяющие друг друга малые ледниковые эпохи (МЛЭ), маловодные периоды, холодные зимы, засухи, наиболее сильные землетрясения и другие катастрофические наиболее опасные неблагоприятные явления, которые сопровождаются усилением сейсмической, вулканической, магнитной и другими видами активности Земли и околоземного пространства. В результате чего в определенном регионе Земли и в отдельные моменты времени, определяемые согласно сменяющих друг друга синхронных и суммарных РИС, происходят аномальные явления в вышеуказанных средах. Синхронные T_п и суммарные РИС повариантно прогнозируют неблагоприятные наиболее опасные катастрофические явления, связанные между собой выражениями вида (1)...(42), и в графическом выражении смещенные от точек a; b; b₁; c; d; e; f; g; h (фиг. 1 и 8) признаков экстремума в волне вариации солнечной постоянной до точек a₁; a₂; a₃; a₄; a₅; a₆; a₇; a₈; a₉ (фиг. 3-5) в интервалах действия 5 (фиг. 7).

Характерной особенностью наступления неблагоприятных явлений является либо синхронизм с экстремумами, либо смещение их на синхронный, либо суммарный РИС наступления указанных явлений относительно тех же экстремумов в волне вариации ΔQ солнечной постоянной.

Главное отличие параметрической раскачки волн неблагоприятных наиболее опасных катастрофических явлений заключается в резонансном суммировании синхронных с метеоритмами РИС периода T_п, равного 11, 20, 54 и 206 годам в процессе формирования суммарных РИС периода , определяемого повариантно из выражений (1). . . (42) при параметрической раскачке различных сфер Земли и околоземного пространства.

Именно этим объясняется казалось бы ничем не спровоцированные наступления неблагоприятных наиболее опасных катастрофических явлений вызывающих атмосферные и климатические, сейсмические, графитационные, геомагнитные и другие аномалии, приводящие к разрушениям, засухам, МЛЭ, вулканическим извержениям, землетрясениям и другим природным и техногенным явлениям. Засухи, например, наносят ущерб не только урожайности сельскохозяйственных культур, но и выработке энергии гидростанциями, грузообороту на малых реках и ряду других отраслей федерального хозяйства. Неблагоприятные катастрофические явления погоды и климата и связанные с ними значительные экономические и социальные потери не являются исключительными. Они наблюдались в прошлом, их следует ожидать и в будущем, однако следует учитывать повариантную возможность их наступления согласно предлагаемому способа.

Эти отличия от прототипа позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию изобретения "новизна".

Признаки, отличающие заявляемый способ обнаружения возможности наиболее опасных катастрофических явлений, не выявлены в других способах при изучении данной области исследования и поэтому обеспечивают предлагаемому способу соответствие критерию "существенные отличия".

Предлагаемый способ иллюстрируется графическими материалами, на которых на фиг. 1 изображен восстановленный по признаку экстремума в волне вариаций солнечной постоянной график вариаций солнечной постоянной; на фиг. 2 - график восстановленного низкочастотного метеоритма среднерегиональной среднегодовой ПТВ Волго-Каспийского водного бассейна; на фиг. 3-5 - схемы формирования волны РИС неблагоприятных наиболее опасных катастрофических явлений; на фиг. 6 - график трехлетних выбросов сезонной ПТВ средней полосы России; на фиг. 7 - график трехлетних дефицитов осадков, поз. 1 и 2, и значимых однолетних дефицитов осадков, поз. 3 и 4, средней полосы России; фиг. 8 и 9 - совмещенные графики вариаций ΔQ солнечной постоянной, восстановленных температурных аномалий ПТВ, восстановленного низкочастотного метеоритма среднерегиональной, среднегодовой ПТВ Волго-Каспийского водного бассейна.

Практическое осуществление предлагаемого способа не представляет особых сложностей. На наблюдательных станциях, размещенных в отдельных регионах Земли, включая плавучие, дрейфующие и размещенные в открытом космосе, оснащенных специальной геофизической аппаратурой, осуществляют контроль изменяющихся во времени параметров, в том числе метеорологических, гидрологических и параметров геофизических полей в нижней атмосфере, магнитосфере, ионосфере, средах геологической природы и отдельных слоях океана. Наблюдения ведут по стандартным методикам, при этом используют существующую сеть наблюдательных станций. В результате измерений и климатических реконструкций применительно к отдельно взятому региону Земли определяют амплитуды и период контролируемых параметров, в частности метеоритмов и ритмов неблагоприятных наиболее опасных катастрофических явлений в предшествующих и соответствующих текущему моменту времени. Полученные результаты представляют, например, в виде графической зависимости.

Данные результаты измерений сравнивают с предварительно установленными по формулам (1)...(42), приведенным выше, и со средними значениями для данной местности. В качестве предвестника экстремума в волне вариаций солнечной постоянной принимают равенство полученных по формулам (1)...(42) синхронных T_п: T₁. ..T₄ и суммарных резонансных интервалов смещения периоду повторения наиболее опасных катастрофических явлений с продолжительностью действия не менее трех лет, по которому априорно принимают решение о появлении в полученной хронологической последовательности вначале признака экстремума в волне вариаций солнечной постоянной, а затем повариантно возможности возникновения наиболее опасных катастрофических явлений в отдельно взятом регионе земли.

Конкретная реализация предлагаемого способа может быть проиллюстрирована на примерах контроля геофизических параметров исторического, доисторического и современного периодов ряда регионов европейского и евроазиатского континентов.

Пример 1. Для исторического периода средней полосы России последующего за XII столетием и для европейского континента VIII столетия проведена реконструкция инструментальных наблюдений сезонной температуры воздуха и сезонных осадков. На основе полученных данных (не приведены) проведен анализ выбросов сезонной температуры воздуха ΔT_сез, дефицита сезонных осадков ΔG относительно среднегодовой их величины и продолжительности действия неблагоприятных наиболее опасных явлений. При анализе выявлено, в частности в двух случаях, синхронное начало трехлетних выбросов сезонной температуры воздуха ΔT_сез и начала дефицита сезонных осадков ΔG засухи 1 1364-1366 годов и засухи 2 1601-1603 годов (фиг. 6 и 7). Из полученных графиков трехлетних неблагоприятных катастрофических явлений определен период повторения наиболее опасных катастрофических явлений продолжительностью 237 лет. Этот период совпал с расчетным интервалом , полученным согласно выражению (22) вида . Равенство периода повторения трехлетних наиболее опасных катастрофических явлений суммарному РИС априорно принято за признак экстремума в волне вариаций солнечной постоянной Q. Начало экстремума в волне вариаций солнечной постоянной (точка a) совпало с началом повторения наиболее опасных катастрофических явлений текущего тысячелетия, а именно с 1601 годом (фиг. 9). С учетом принятого признака экстремума и согласно климатическим реконструкциям рассмотрена МЛЭ 890-990 годов в Европе текущего тысячелетия. Расчеты по выражению (7) дали РИС , равный 108 годам. Определению сроков начала МЛЭ в Европе VIII столетия предшествовало установление года кратного признака экстремума. Таким годом оказался 1001 год, отстоящий от 1601 года на величину 600-летнего периода в волне вариаций солнечной постоянной, а получен он как разность между 1601 годом и вышеуказанным 600-летним периодом в волне вариаций солнечной постоянной. При отнесении интервала смещения к 1001 году - году кратного признака экстремума - получены следующие сроки МЛЭ VIII столетия, а именно 893-990 годы (фиг. 9). Причем сроки последующей МЛЭ в России XIII-XVII столетий согласно РИС , полученному по выражению (27), смещены. Начало этой МЛЭ имело место в 1301 году. Справедливость используемых выражений (1)...(42) подтверждает однолетняя засуха в России 1698 года - самая сильная для рассматриваемого периода. Она по началу проявления совпала с трехлетним интервалом действия 5 1697-1699 годов расчетной засухи, полученной суммированием с 1601 годом суммарного РИС T'₅, равного 96 годам полученного согласно выражению (5).

Пример 2.

В предшествующий нынешнему тысячелетию исторический период, а именно в 1400-1230 годах до новой эры, на европейском континенте происходила МЛЭ с пониженной на 0,7...1^o температурой воздуха. Эта МЛЭ имела синхронное начало с кратным признаком экстремума, который определен вычитанием пятикратного увеличения 600-летнего периода от 1601 года - года признака экстремума в волне вариаций солнечной постоянной (точка f фиг. 8). Совпадение начала указанной МЛЭ 1400-1230 годов до новой эры с интервалом действия 5 1399-1401 годов указывает на достоверность способа и обнаруживает возможности расширения диапазона его применения на доисторическое время вплоть до 1400 года (до новой эры).

Пример 3.

Наиболее значимые неблагоприятные катастрофические явления последних десятилетий на евроазиатском континенте это самая жестокая после 1698 года засуха в России 1975 года, Вернинское 1911 года землетрясение в Казахстане, Ташкентское землетрясение 6 (фиг. 7) 1965 и Ташкентское землетрясение 1976 года в Узбекистане, Хайчэнское 1975 года землетрясения в Китае, а также Сахалинское 1995 года землетрясение в России. Они предопределены в синхронных, суммарных РИС T₄; , полученных из выражений (21), (22), (26) и отнесенных к году кратности признака экстремума в волне вариаций солнечной постоянной точки b₁ (фиг. 9) 2201 года с учетом интервала действия 5 неблагоприятных явлений. Из перечисленных неблагоприятных наиболее опасных катастрофических аномалий три явления, а именно Ташкентское землетрясение 1976 года, Хайчэнское землетрясение 1975 года и засуха 1975 года в России произошли примерно в одни сроки. Этого достаточно для проведения анализа условий предшествующих и сопутствующих их осуществлению. В частности во время Хайчэнского 1975 и Ташкентского 1976 года землетрясений были проведены измерения силы тяжести. При измерении силы тяжести до и после Хайчэнского магнитуды 7.3 землетрясения в интервале июнь 1972 года - май 1973 года было отмечено явное уменьшение силы тяжести на величину 352 МкГал. После землетрясения 1975 года величина силы тяжести возросла почти до первоначального уровня. Изменение силы тяжести наблюдалось и в связи с Ташкентским магнитуды 7,8 землетрясением 1976 года, однако величина силы тяжести возросла в этом случае непосредственно перед землетрясением. Характерное изменение гравитационного поля Земли величиной до 350 МкГал имело место до и после обоих землетрясений.

На кумулятивную природу прошедших землетрясений указывает годовое отклонение между фактическим и расчетным началом суммарных РИС Вернинского 1911 и Ташкентских 1965 и 1976 годов землетрясений в интервалах действия 5 при полном совпадении начала Хайчэнского 1975 (Китай) и засухи 1975 года, а также Сахалинского 1995 года землетрясений в России, произошедших согласно суммарному и синхронному T₄ РИС.

Перечисленные факты проявления экстремальных явлений в евро-азиатском регионе с учетом отмеченных особенностей проявления наиболее опасных катастрофических явлений полностью соответствуют расчетным РИС с учетом интервалов действия 5. Это указывает на справедливость и достоверность предлагаемого способа.

Итак, способ основан на установлении предвестника наиболее опасных катастрофических явлений, в частности предвестника экстремума в волне вариаций солнечной постоянной, с которыми либо синхронны особоопасные катастрофические явления, либо они смещены на РИС последних.

Возможность определения границ волны вариаций солнечной постоянной и повариантного обнаружения наиболее опасных катастрофических явлений значительно повышает уровень заблаговременности, расширяет географические масштабы использования способа при расширении номенклатурного состава охватываемых способом явлений и ограничений потребности в полномасштабных измерениях контролируемых параметров геофизического поля.

Формула изобретения

Способ обнаружения возможности наступления наиболее опасных катастрофических явлений, содержащий измерение геофизических параметров и параметров геофизического поля, выявление возрастающей частоты синусоидального колебательного процесса периода от 100 до 1000000С и суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофических наиболее опасных явлений, отличающийся тем, что к числу контролируемых геофизических параметров относят восстановленные и измеренные изменения сезонной приземной температуры воздуха (ПТВ) и сезонных осадков, составляют хронологическую последовательность наиболее опасных катастрофических не менее чем трехлетних явлений, согласно которой определяют период повторения наиболее опасных трехлетних неблагоприятных явлений, по равенству которого одному из суммарных либо синхронных Т_п резонансных интервалов смещения (РИС) катастрофических неблагоприятных явлений, связанных между собой выражениями вида:










































где Т_п: Т₁, Т₂, Т₃, Т₄ - синхронные РИС катастрофических неблагоприятных явлений,
априорно принимают за признак экстремума в волне вариаций солнечной постоянной, который на временной оси синхронно совпадает либо с началом, либо с интервалом проявления последнего из трехлетних катастрофических неблагоприятных явлений, либо отстоит от него на 600-летний, либо кратный ему период в волне вариаций солнечной постоянной, а по продолжительности опережающих, либо последующих суммарных РИС определяемых из выражений (1) - (42), либо синхронных РИС Т_п, либо в синхронном варианте с последним из признаков экстремума повариантно судят о наличии возможности наступления наиболее опасных катастрофических неблагоприятных явлений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9