Способ предсказания землетрясений

 

Изобретение относится к космоведению, в частности к дистанционному мониторингу природных сред, и может быть применено в национальных системах сейсмического контроля для краткосрочного прогноза землетрясений. Согласно заявленному способу, осуществляют съемку областей выделенных линейных облачных аномалий в сине-фиолетовой части видимого спектра по двум ортогональным по поляризации сигнала каналам приема с высоким пространственным разрешением. Отслеживают динамику изменения ширины интервала корреляции во времени по серии последовательно получаемых изображений. Прогнозируют магнитуду и время удара. Технический результат: повышение достоверности краткосрочного прогноза землетрясений. 5 ил.

Изобретение относится к космоведению, в частности к дистанционному мониторингу природных сред, и может быть применено в национальных системах сейсмического контроля для краткосрочного прогноза землетрясений.

Очаг землетрясения представляет собой некоторую неоднородность в земной коре, в которой с момента ее возникновения накапливается энергия в виде механических напряжений породы. Накопление потенциальной энергии в очаге сопряжено с возникновением сопутствующих геофизических аномалий в различных средах: литосфере, атмосфере, ионосфере и магнитосфере Земли. Эти аномалии, проявляющиеся в виде различного рода признаков-предвестников, могут быть зарегистрированы техническими средствами зондирования с орбиты космических аппаратов и выделены на их изображениях программными методами обработки.

В частности, атмосферные аномалии сопровождаются рядом визуально наблюдаемых эффектов: свечением, возникновением серебристых облаков и др. Установлено появление над разломами за несколько суток до удара линейных облачных образований (ЛОА), представляющих собой протяженные гряды высокой облачности на фоне безоблачного неба, группирующихся вокруг эпицентральной области грядущего землетрясения. Последнее создает предпосылки установления координат очага и предсказания землетрясений путем визуального анализа снимков облачного покрова Земли. Известен “Способ определения тектонической активности территории в реальной масштабе времени”, Давлат патент идораси, Расмий акбортнома, 1994, №3(5) с. 115. Государственный фонд республики Узбекистан, 11-284, 51-5, G.01.V, 9% 21-1НДР. 940.0316.(22) от 26.04 1994 г. - аналог. Способ-аналог предусматривает получение и обработку космических снимков Земли, выделение на снимках областей и степени тектонической активности по превышению количества ЛОА над среднемесячными фоновыми значениями, определение скорости распространения тектонического напряжения в земной коре по расстоянию между ЛОА на двух последовательных снимках.

Недостатками аналога являются:

- малая достоверность прогноза, обусловленная субъективностью анализа визуальных признаков на снимках;

- отсутствие количественных оценок параметров прогнозируемого удара.

Более достоверный результат прогноза может быть получен, если использовать программные методы обработки изображений с целью извлечения из них скрытой информации по совокупности признаков-предвестников.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является “Способ определения вероятности землетрясения” Патент RU. №2.183.844, G. 01. V. 9/00, 2002 г.

В способе ближайшего аналога получают изображение собственного излучения подстилающей поверхности по двум взаимно-ортогональным по поляризации каналам приема в виде матриц цифровых отсчетов зависимости амплитуды сигнала А(х,у) от пространственных координат, формируют синтезированную матрицу изображения из попиксельных отношений амплитуд сигнала изображений в этих каналах, выделяют методами пространственного дифференцирования контуры на синтезированным изображении, вычисляют интервал автокорреляции (r) функции внутри выделенного контура по серии последовательных изображений, 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:

- невысокое пространственное разрешение ИК-радиометров-регистраторов собственного излучения подстилающей поверхности, единицы КМ с орбиты КА, что делает невозможным краткосрочный прогноз;

- невозможность по операциям ближайшего аналога расчета количественных параметров ожидаемого удара.

Задача, решаемая заявленным способом, состоит в обеспечении достоверного краткосрочного прогноза и расчета числовых характеристик предстоящего удара путем предварительного целеуказания потенциальных областей землетрсяения выделением ЛОА на снимках облачного покрова Земли и последующей детальной разведкой этих областей на основе получения и анализа изображений высокого разрешения видимого диапазона в двух взаимно ортогональных по поляризации сигнала каналах приема.

Поставленная цель достигается тем, что в способе предсказания землетрясений, включающем получение снимков облачного покрова Земли и выделение на них линейных облачных аномалий (ЛОА), получение изображений подстилающей поверхности по двум взаимноортогональным по поляризации каналам приема, формирование синтезированной матрицы из изображений в каналах приема, выделение контуров на синтезированном изображении, расчет числовых характеристик сигнала внутри контуров и отслеживание динамики их изменения по серии получаемых изображений, дополнительно регистрируют отраженной световой поток от областей выделенных ЛОА в сине-фиолетовой части спектра по двум взаимно ортогональным по поляризации каналам приема, амплитуду пикселей синтезированной матрицы вычисляют как модуль амплитуд А₁, А₂ соответствующих пикселей изображений в каналах, контур на синтезированном изображении очерчивают из условия равенства амплитуд пикселей А₁ =А₂ в каждой точке контура, площадь S, км² , внутри очерченного контура отождествляют с площадью зоны подготавливаемого землетрясения, определяют ширину ρ, км, автокорреляционной функции сигнала внутри очерченного контура и скорость ее изменения ∂ρ/∂t по серии получаемых изображений, прогнозируют параметры предстоящего удара: магнитуду М=k·lnS и время удара

,

где k – коэффициент регрессии; Δt (ч) - интервал времени получения двух последовательных изображений;

ρ ₁, ρ ₂ - ширина автокорреляции сигнала двух последовательно синтезированных изображений;

ρ ₀ - эталонная ширина автокорреляции сигнала синтезированного изображения в момент удара.

Изображение поясняется чертежами, где

фиг.1 - снимок выделенной ЛОА в ИК-диапазоне;

фиг.2 - синтезированное изображение видимого диапазона той же области ЛОА;

фиг.3 - текущие автокорреляционные функции сигналов синтезированных изображений, имеющих ширину p₁ и р₂;

фиг.4 - функция изменения ширины автокорреляционной функции во времени;

фиг.5 - функциональная схема устройства, реализующего способ.

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. Зона подготовки землетрясения занимает на поверхности Земли область диаметром 100-150 км. При скорости полета КА по орбите 8...10 км/с проход зоны по времени составляет интервал 10...15 с. Чтобы получить качественный оптический снимок зоны подготовки землетрясения, с минимальным расходом ресурсов КА предлагается осуществлять предварительные целеуказания для съемки выдачей координат обнаруженных ЛОА. Линейные облачные аномалии однозначно идентифицируются на снимках облачного покрова Земли, получаемых системой спутников NOAA, США. В Центре Мониторинга МЧС РФ организован канал непрерывного отслеживания ЛОА. Однако прогнозирование землетрясений только анализом ЛОА не обеспечивает необходимую достоверность прогноза. Вероятность ложной тревоги составляет 40...50%. Для обеспечения высокой достоверности предсказания землетрясения осуществляют съемку областей выделенных ЛОА в сине-фиолетовой чести видимого спектра по двум, ортогональным по поляризации сигнала каналам приема с высоким пространственным разрешением, порядка десятков м/пиксел. Установлено, что над областью подготовки землятрясения имеют место изменения альбедо поверхности и поляризации отраженного светового потока (см., например, “Космическая система оперативного краткосрочного прогноза землетрясений “Вулкан”, эскизный проект, часть III, книга 3, РАКА, М., 2002 г. стр. 68 § 2.3. Селекция очагов землетрясений в фиолетово-синем участке видимого спектра).

Естественный солнечный свет не поляризован. Сам факт изменения поляризации отраженного светового потока от анализируемой области является дополнительным признаком-предвестником, повышающим достоверность идентификации очага. Кроме того, получаемое высокодетальное изображение поверхности очага содержит скрытую информацию о параметрах удара: магнитуде и времени. Энергия землетрясения заключена в объеме деформированной породы очага. Чем больше масса деформированной породы, тем больше ее объем и тем больше магнитуда ожидаемого удара. Поскольку объем пропорционален кубической степени линейных размеров очага, а площадь поверхности области сейсмического возбуждения пропорциональна квадрату линейных размеров, то зависимость магнитуды от площади меньше первой степени.

В примере реализации показано, что М=kln·S, где k - коэффициент регрессии, определяемый из статистических данных (по совокупности реализации); S - площадь области сейсмического возбуждения. При известном разрешении на пиксель получаемых изображений расчет площади (S) осуществляют вычислением площади очерченного контура синтезированного изображения. Количественные характеристики S, k приведены в примере реализации.

Вследствие большой дисперсии величин попиксельных отношений синтезированного изображения очаг землетрясения может быть выделен (оконтурен) методом пространственного дифференцирования. Для выделения контурного рисунка на результирующем изображении вычисляют градиент скалярной функции амплитуд А(х, у) в каждой точке пространства на основе расчета оператора Робертса (см., например, Дуда Р., Харт П. “Распознование образов и анализ сцен”, перевод с англ., М., Мир, 1976 г., стр. 287-288). Данная процедура является стандартной математической операцией, входящей в комплект специализированного программного обеспечения ER MAPPER 5.0 (см., например, “Пакет программы для обработки изображений в науках о Земле”, GENASYS’, San Diego, USA, p.283-284).

Результат выделения контура очага землетрясения на синтезированном изображении иллюстрируется фиг.2.

Непосредственно перед ударом механические напряжения земной коры в области очага достигают предельных значений. Максимальной величины достигает и напряженность электростатического поля в приповерхностном слое и атмосфере, образуя в пространстве некоторый купол, опирающийся на область очага (см., например, “Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов”, Доклады конференции, М., ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, РАН, 1998 г., стр. 27). Вследствие этого изменяется скорость флуктуаций (из-за изменений альбедо и поляризации) отраженного светового потока по пространству очага от пикселя к пикселю, т.е. сигнал становится более “изрезанным”.

Скорость флюктуаций сигнала оценивают (см., например, Заездный А.М. “Основы расчетов по статистической радиотехнике”, М., Связь-издат, 1969 г., стр. 93) шириной ее автокорреляционной функции. Расчет автокорреляционной функции сигнала осуществляют программным методом по операциям ближайшего аналога. Вид функций автокорреляции В(ρ) иллюстрируется фиг.3. За ширину функции автокорреляции принимают интервал ρ, при котором ее амплитуда составляет 0,5 от max. Интегральным признаком ожидаемого удара является изменение шероховатости синтезированного изображения, количественным параметром которого служит ширина интервала корреляции (ρ). По мере роста сейсмического напряжения интервал автокорреляции сигнала уменьшается. При предельных значениях ρ≈2 км происходит “вспарывание” очага.

Отслеживая динамику изменения параметра ∂р/∂t по серии последовательно получаемых изображений, прогнозируют время удара. Из математики известно, [см., например, Н.С.Пискунов. "Дифференциальное и интегральное исчисления", учебник для ВТУЗов, 5-е изд. М., Наука, 1964 г., стр. 451], что общим решением дифференциального уравнения первой степени является экспонента. Вид ожидаемого решения для функции ρ(f) иллюстрируется графиком фиг.4. Начальные условия для решения дифференциального уравнения первого порядка определяют по серии синтезированных изображений. Из свойств экспоненты а) касательная к экспоненте в любой точке отсекает от оси абсцисс отрезок, равный постоянной времени Т; б) расстояние вдоль оси абсцисс между любыми двумя точками экспоненциальной кривой определяют (см. фиг.4):

На графике фиг.4 проведена линия установившегося значения ρ ₀, т.е. тот предел, к которому стремится (ρ→ρ ₀), при котором происходит “вспарывание” очага. Эталонное значение ρ _о получают апостериорным анализом изображений, полученных накануне состоявшихся землетрясений. При известной разнице (t ₁–t₂)=Δt промежуток времени между двумя последовательными съемками (например, если съемка осуществляется на двух смежных витках, то Δt≅1,5 ч) и известной эталонной величине ρ ₀ рассчитывают время ожидаемого удара, как:

где ρ ₁, ρ ₂ - расчетная величина ширины автокорреляционной функции двух последовательных изображений.

Пример реализации способа

Заявляемый способ может быть реализован по схеме фиг.5. Функциональная схема устройства фиг.5 содержит орбитальную группировку 1 космических аппаратов типа NOAA, США, с установленными на их борту ИК-радиометрами 2, осуществляющими съемку в полосе сканирования 3. Результаты съемки в виде кадров передаются с борта КА и в режиме открытого доступа принимаются региональными пунктами приема информации 4, где записываются на видеомагнитофон 5 типа “Актур”. Скомпонованные файлы информации (вместе со служебными признаками, время съемки и координаты) перегоняются в Геофизический Центр (ГФЦ) 6, где ведется База данных 7, на носителях типа стриммеров FT-120. Выделенные по визуальным признакам ЛОА помещают на сайт 8 сети “Интернет” 9. Координаты выделенных ЛОА вместе с их изображениями передают по сети 9 через Центр Управления полетом (ЦУП) 10 и канал управления 11 на борт Международной Космической станции (МКС) 12. С борта МКС 12 по выданным целеуказаниям осуществляют высокодетальную съемку потенциально опасных в сейсмическом отношении областей, посредством двух соосных, ортогональных по поляризации отраженного светового потока каналов приема 13, 14. Полученные в каналах приема изображения записывают на бортовой магнитофон 15 типа “Нива” и передают по оперативному каналу связи и спутник-ретранслятор 16 на наземный пункт ретрансляции сообщений 17. С пункта ретрансляции 17 через ЦУП 10 информацию перегоняют в ГФЦ 6, где проводят обработку высокодетальных изображений на ПЭВМ 18 в стандартном наборе элементов: процессора 19, оперативного запоминающего устройства 20, винчестера 21, дисплея 22, принтера 23, клавиатуры 24. Базу эталонных изображений создают на сидеромах 25.

Предсказать землетрясение - это значит определить место, время и энергию удара. Скрытую информацию о характеристиках предстоящего удара извлекают программными методами отработки изображений, полученных в ортогональных по поляризации каналах приема. Границы области сейсмического возбуждения находят из условия равенства амплитуд А₁=A₂ соответствующих пикселей сигнала фоновых участков (т.е. неполяризованного света). Гипотетический центр очага определяют вычислением локального максимума (минимума) функции сигнала синтезированного изображения внутри очерченного контура области сейсмического возбуждения. Нахождение локальных max (min) функции, а также формирование синтезированной матрицы является стандартными математическими процедурами специализированного программного обеспечения [см., например, MATH CAD. 6.0 PLVS, издание второе, стереотипное, информ-издат. дом “Филинъ”, 1997 г., стр. 50-58 Пространственное дифференцирование. Выделение контуров, стр. 211. Векторизация элементов матрицы]. Магнитуду удара (М) связывают с площадью (S) области сейсмического возбуждения. Ретроспективным анализом на большом статистическом материале наземных наблюдений получены регрессионные зависимости размеров (r) деформационных аномалий вида: r=ехр(М)·1 км; lgr = 0,46М-0,35 [см., например, "Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов”. Доклады конференции, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, РАН, М., 1998 г., стр. 9-10, 30]. Однако чтобы определить реальные границы областей сейсмического возбуждения наземными средствами, необходимо заранее построить развитую плотную сеть измерений в районе ожидаемого удара, что практически не осуществимо. В заявляемом способе плотность измерений соответствует пространственному разрешению пикселя. Представляется, что достаточная точность вычисления области сейсмического возбуждения по ее изображению (разрешение десятки м/пиксель) обеспечит высокую достоверность прогнозирования магнитуды удара по регрессионной зависимости: M=k·lnS, где S [км² ]; k - среднестатистический коэффициент регрессии, k≅0,57. В представленном на фиг.2 изображении площадь оконтуренного фрагмента составляет S≈4·10 ⁴ км², (200×200) км, откуда ожидаемая магнитуда удара составит M≈6,1.

“Вспарывание” очага происходит при значениях ρ≈2 км. Расчетный интервал автокорреляции сигнала изображения фиг.2 составил ρ ₁=6 км, повторная съемка на смежном витке Δt=1,5 ч, дали значение ρ ₂=3,8 км. Откуда расчетное время удара t_у =3,6 ч, отсчитываемые от момента t₁.

Эффективность заявляемого способа характеризуется такими качественными признаками, как: глобальность, оперативность, достоверность, точность. При штатном режиме работы космонавтов МКС по предложенной технологии представляется возможность упреждающего оповещения населения о предстоящем землетрясении за несколько часов до удара.

Формула изобретения

Способ предсказания землетрясений, включающий получение снимков облачного покрова Земли и выделение на них линейных облачных аномалий (ЛОА), получение изображений подстилающей поверхности по двум взаимно ортогональным по поляризации каналам приема, формирование синтезированной матрицы из изображений в каналах приема, выделение контуров на синтезированном изображении, расчет числовых характеристик сигнала внутри контуров и отслеживание динамики их изменения по серии получаемых изображений, отличающийся тем, что регистрируют отраженный световой поток от областей выделенных ЛОА в сине-фиолетовой части спектра по двум взаимно ортогональным по поляризации каналам приема, амплитуду пикселей синтезированной матрицы вычисляют как модуль амплитуд А₁, А₂ соответствующих пикселей изображений в каналах, контур на синтезированном изображении очерчивают из условия равенства амплитуд пикселей А₁ , А₂ в каждой точке контура, площадь (S, км² ) внутри очерченного контура отождествляют с площадью зоны подготавливаемого землетрясения, определяют ширину ρ, км, автокорреляционной функции сигнала внутри очерченного контура и скорость ее изменения ∂ρ/∂t по серии получаемых изображений, прогнозируют параметры предстоящего удара: магнитуду М=k·InS и время удара

где k - коэффициент регрессии;

Δt - интервал времени получения двух последовательных изображений, ч;

ρ ₁, ρ ₂ - ширина функции автокорреляции сигнала двух последовательно синтезированных изображений;

ρ ₀ - эталонная ширина функции автокорреляции сигнала синтезированного изображения в момент удара.

РИСУНКИ