Способ диагностики сильных землетрясений посредством оценки характеристик сигналов сверхдлинноволновых радиопередатчиков

После реализации утвержденной Правительством РФ Федеральной целевой программы (ФЦП) «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2011 года» в 2011 году сформирована новая аналогичная ФЦП до 2015 года (Распоряжение от 29.03.2011 г. № 534-р), в которой особо выделена необходимость совершенствования существующей Федеральной системы сейсмологических наблюдений (ФССН), созданной в целях координации деятельности органов государственного управления РФ по обеспечению защиты населения, объектов и территорий от воздействия землетрясений. В основу функционирования ФССН, являющейся подсистемой Российской системы предупреждения и действий в чрезвычайных ситуациях, положены деятельность служб министерств и ведомств, Российской академии наук и ведомственных институтов, а также их взаимодействие на основе комплексного анализа сейсмологических и геофизических данных служб наблюдения в целях прогнозирования времени,

ВЕСТНИК 2016

ВЕСТНИК 2016

силы и места предстоящих землетрясений, в том числе и приводящих к возникновению цунами [3].

Накопленный к настоящему времени значительный эмпирический и теоретический материал по исследованию наземными и космическими средствами физических процессов, сопровождающих подготовку землетрясений на разных стадиях, позволяет осуществлять прогнозирование сильных (с магнитудой >  6) землетрясений [4; 5].

Из известного множества геофизических явлений как предвестников землетрясений рассматриваются аномальные вариации состояния локальных областей ионосферы, обусловленные ионосферно-литосферным взаимодействием, характеризуемым нестационарностью процессов даже на сравнительно коротких интервалах времени, наличием суточных и сезонных вариаций, а также присутствием различных помех естественного и техногенного характера [4; 6; 7].

Диагностика сейсмической активности по регистрации ионосферных аномалий с применением как наземных, так и космических средств связана с несколькими факторами [8], среди которых можно выделить основные:

• -    невоспроизводимость полевого эксперимента, а именно: отсутствие наблюдения одной и той же сетью станций, равно как и космическим аппаратом при повторяющихся параметрах землетрясений – гипоцентре, магнитуде и механизме очага;

• -    недостаточная плотность и неравномерность территориального распределения станций сети регистрации предвестников;

• -    нелинейные тренды и разброс параметров шумов, поступающих от космических, метеорологических и антропогенных источников;

• -    существование триггерных эффектов, которые способствуют возникновению землетрясений вследствие вариаций тектонических напряжений из-за земных приливов, изменения атмосферного давления, скорости вращения Земли и др.

Ионосферные предвестники землетрясений достаточно различны по своей природе, однако для их наблюдений требуется широкий спектр аппаратуры как наземного, так и космического базирования [9], поэтому создание целенаправленной системы мониторинга сейсмической активности является достаточно затратным, и, как правило, эта функция возлагается на существующие наземные и космические системы.

Одним из малозатратных способов диагностики сейсмической активности является способ, основанный на анализе характеристик сигналов существующих радиопередатчиков сверхдлинноволнового (СДВ) частотного диапазона (10…50 кГц) [10]. Фрагмент (европейская территория) карты расположения СДВ-передатчиков показан на рис. 1.

Рис. 1. Расположение европейских СДВ-радиопередатчиков (MSCW1 – радиоприемник в Москве)

На рис. 2 приведена сеть СДВ-радиопри-емников, входящих в систему сбора и обработки данных центра солнечных исследований Стэнд-фордского университета.

Рис. 2. Расположение СДВ-радиоприемников, входящих в систему сбора и обработки данных центра солнечных исследований Стэндфордского университета

Способ основан на том, что радиоволны СДВ частотного диапазона характеризуются особенностью распространения в волноводе «ионосфера – земная поверхность». Наличие локальных ионосферных возмущений приводит не только к изменению протяженности пути распространения СДВ-радиоволн, но и к модуляции их амплитуды и фазы [10]. Регистрация аномального повышения амплитуды принимаемого сигнала по одной трассе распространения радиоволны не дает возможности пространственной локализации места ионосферного возмущения. Для диагностики сейсмоионосферного возмущения целесообразно иметь территориально распределенную сеть приемников.

На рис. 3 приведено схематичное расположение СДВ-радиопередатчиков и СДВ-приемников, обозначенных T_i и R_i соответственно. Как видно из рисунка, спокойными являются трассы распространения СДВ-радиосигналов T₁R₁ , T₁R₂ , T₁R₃ , T₁R₄ , T₁R₅ , T₂R₁ , T₂R₂ , T₂R₃ , T₂R₄ , тогда как сигналы, распространяющиеся по трассам T₁R₆ , T₂R₅ , T₂R₆ , проходят через возмущенную область ионосферы. Обнаружение ионосферного возмущения по трассе осуществляется путем выявления в процессе обработки характерных вариаций параметров сигналов, а определение места ионосферного возмущения – по одновременно проявляемым характерным вариациям сигналов на двух взаимно пересекающихся трассах.

Рис. 3. Схематичное расположение СДВ-радиопередатчиков и СДВ-приемников для определения места ионосферного возмущения по одновременно проявляемым характерным вариациям сигналов на двух взаимно пересекающихся трассах

Следует отметить, что продолжительность существования локально возмущенной области ионосферы ограничена десятками минут, а также может не совпадать с эпицентром будущего землетрясения вследствие магнитосферноионосферных взаимодействий [4]. Поэтому реализация предлагаемого способа предполагает наличие постоянно действующей сети приемных средств и оперативного сбора и обработки данных.

При расчете размеров зон земной поверхности, затрагиваемых литосферным напряжением, равно как и для оценки зоны наблюдения ионосферных предвестников, используется математическое выражение, предложенное И.П. Добровольским [11] и проверенное С.А. Пулинцом и др. [4]:

р = 10^{0,43 М} , где ρ – радиус зоны подготовки землетрясения;

M – магнитуда предполагаемого события.

Как правило, суточный ход принимаемого СДВ-радиосигнала для каждой отдельно взятой частоты имеет суточные и сезонные вариации в спокойных ионосферных условиях, что позволит селектировать аномальные вариации сигнала. Однако ход принимаемого СДВ-радиосигнала может существенно варьироваться вследствие солнечных вспышек, а также метеорологических процессов (грозовые разряды) в атмосфере, вносящих шумы в полезный сигнал [12]. В целях обнаружения аномальных ионосферных возмущений названные выше процессы обуславливают необходимость применения методов статистики при обработке получаемых сигналов.

В Научно-технологическом центре «Космонит» АО «Российские космические системы» изготовлен и прошел экспериментальную проверку аппаратно-программный комплекс (АПК) [10], реализующий описываемый способ. АПК структурно состоит из активной антенны, СДВ-радиоприемника и ПЭВМ с соответствующим специальным программным обеспечением (СПМО). Структурная схема АПК приведена на рис. 4. Внешний вид антенны и приемника показан на рис. 5.

СПМО решает задачу обработки принимаемых сигналов в частотном диапазоне от 0 до 50 кГц. Накапливаемая при обработке статистика позволяет выявить на суточном и более продолжительном временных интервалах вариации характеристик сигнала, принимаемых от каждого из работающих СДВ-радиопередатчиков в спокойной и в возмущенной ионосферной обстановке. СПМО обладает графическим интерфейсом пользователя, позволяющим выполнять анализ принятой информации с последующим принятием решений о наличии ионосферных возмущений на трассе распространения СДВ-радиосигналов [2].

Как было указано выше, СДВ-радиосигналы чувствительны к солнечным вспышкам. На рис. 6 показаны результаты обработки сигналов от СДВ-радиопередатчиков: GQD (22.1 кГц, Великобритания), JJI (22.2 кГц, Япония) и NAA (24.0 кГц, США), полученные 11 марта 2015 г. По оси абсцисс указано время UTC . Как видно из рисунка, около 16 UTC (отмечено стрелкой) наблюдалось повышение амплитуды принимаемого сигнала, связанное с возмущением ионосферы по трассам распространения радиоволн, обусловленное произошедшей солнечной вспышкой балла X2.1.

Предлагаемый способ диагностики сейсмической активности обладает преимуществами: невысокая стоимость, простота реализации и экс-

ВЕСТНИК 2016

ВЕСТНИК 2016

Рис. 4. Структурная схема АПК

Рис. 5. Внешний вид антенны (слева) и приемника (справа) АПК

Рис. 6. Результаты обработки сигналов от трех СДВ-радиопередатчиков, принятых 11 марта 2015 г.

плуатации. Также способ позволяет наблюдать эффекты солнечных вспышек. Для реализации способа необходимо создание территориально распределенной сети на основе разработанного АПК с учетом географического расположения тектонических разломов на территории РФ, а также центра сбора и обработки информации на основе современных информационных технологий [13]. Вместе с тем предлагаемый способ не может рассматриваться как единственно возможный и обеспечивающий достаточную достоверность прогноза землетрясений. Реализация способа может быть использована в ФССН как отдельная подсистема.