CC BY
34
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Истомин А. Л. Сумарокова Н. Н. Математическое обеспечение системы принятия решений при приеме студентов в вуз // Открытое образование. 2007. № 1. С. 16-20.
2. Истомин А. Л., Сумарокова Н. Н. Оптимальное планирование приема студентов в ВУЗ // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2010. № 2 (26). С. 148-155.
3. Истомин А. Л. Определение оптимальной структуры
профессорско-преподавательского состава вуза и его распределение среди образовательных программ // Системы управления и информационные технологии. 2010. № 4.1 (42). С. 154-158.
4. Истомин А. Л. Декомпозиция, агрегирование и локальная оптимизация в задаче построения расписания занятий в вузе // Современные проблемы информатизации : сб. тр. XV Междунар. науч. конф. СПИ-2010. Моделирование и социальные технологии. Воронеж, 2010. С. 183-185.
УДК 621.371 Башкуев Юрий Буддич,
д. т. н., профессор, зав. лабораторией геоэлектромагнетизма Отдела физических проблем Бурятского научного центра СО РАН, профессор кафедры «Телекоммуникационные системы» ИрГУПС, e-mail: buddich@mail.ru
Аюров Дашинима Баирович, научный сотрудник лаборатории геоэлектромагнетизма Отдела физических проблем Бурятского научного центра СО РАН, тел.: 89644053891, e-mail: dawu@mail.ru
Буянова Дарима Гармаевна, к. ф.-м. н., доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории геоэлектромагнетизма Отдела физических проблем Бурятского научного центра СО РАН, тел.: (3012) 43-32-10, e-mail: dbuy@mail.ru
СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА ДАННЫХ СПУТНИКА DEMETER
Yu.B. Bashkuev, D.B. Ayurov, D. G. Buyanova
THE DEMETER SATELLITE DATA AUTOMATED PROCESSING AND ANALYSING SYSTEM
Аннотация. Рассмотрена система автоматизированной обработки и анализа данных спутника DEMETER. Проведен анализ данных электрического датчика ICE на примере ионосферных сейсмоэлектромагнитных эффектов Култукского землетрясения 27 августа 2008 г.
Ключевые слова: спутник DEMETER, информационная система, база данных, землетрясения.
Abstract. The demeter satellite data automated processing and analysing system is considered. The analysis of electrical sensor ICE's data as an example of ionospheric seismo-electromagnetic effects of Kultuk's earthquake on August 27, 2008 is lead.
Keywords: DEMETER satellite, information system, database, earthquakes.
Введение
Cnyi-ник DEMETER - Detection of ElectroMagnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions был запущен 29 июня 2004 года на круговую полярную орбиту с наклонением 98,3° и высотой ~700 км и закончил работу в декабре 2010 г. Спут-
ник разработан в CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) и контролировался из Тулузы (Франция). Спутник двигался по солнечно-синхронной орбите с параметрами: расстояние между соседними орбитами 2500 км в средних широтах, ночные полуорбиты приходятся на 22 LT, дневные полуорбиты - на 10 LT. Научные цели программы DEMETER: исследование возмущений ионосферы, связанных с сейсмической активностью, изучение до- и послесейсмиче-ских эффектов; изучение ионосферных возмущений, связанных с антропогенной деятельностью, и механизмов генерации этих возмущений; получение динамических данных о глобальном электромагнитном окружении Земли на высоте ~700 км. Для достижения этих целей DEMETER измерял шесть компонент электромагнитного поля в широком диапазоне частот и определял параметры плазмы: ионный состав, электронную концентрация и температуру, потоки энергичных электронов. Научное оборудование состояло из пяти инструментов: ICE измерял три компоненты электрического поля от постоянного тока (DC)
до 3,5 ЫГц; IMSC - три магнитных датчика прово-
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
Рис. 1. Схема первичной обработки и загрузки информации в базу данных
дили измерения компонент магнитного поля от нескольких Гц до 20 кГц; IAP - анализатор ионов; IDP - детектор энергичных частиц; ISL - детектор Лэнгмюра измерял концентрацию электронов и ионов в плазме и электронную температуру [1, 2].
Система обработки и анализа данных
На основе анализа имеющихся подходов и программных средств для обработки и анализа данных спутника DEMETER установлено, что существующие решения не обеспечивают эффективного управления информационными потоками и являются узкоспециализированными. Предложена, разработана и реализована система автоматизированной обработки и анализа данных спутника DEMETER, представляющая собой эффективный инструмент для мониторинга электромагнитного окружения Земли на высотах 660-710 км. Схема первичной обработки и загрузки информации в базу данных представлена на рис. 1.
Основой разработанного программного комплекса является база данных под управлением реляционной СУБД. База данных (БД) выступает в роли централизованного хранилища результатов измерений, полученных со спутника. Она может размещаться как локально, так и на удаленном сервере сети Интернет. Таким образом, информация становится доступной группе пользователей, работающей с различными приложениями вне зависимости от их местоположения.
В случае локального размещения БД доступ к информации организуется для исследовательской группы в рамках рабочего проекта (например, локальный мониторинг состояния ионосферы). В случае удаленного размещения БД доступ к базе данных возможен из любой точки земного
шара, а исследования могут носить глобальный характер, т. к. операции обработки исследовательских данных могут выполняться на самом сервере, выдавая только результат выборки из огромного массива данных для последующей обработки и интерпретации.
Ключевым моментом является организация структуры базы данных. Возможности файловой системы ограничены, и исследователю приходится продумывать способы хранения и организации экспериментальных данных. В свою очередь, СУБД предоставляют более эффективный способ обработки и управления информацией в сравнении с файловой системой. Поэтому в работе предложено хранить информацию в базе данных, более того, хранить только те параметры, которые действительно необходимы пользователю. Модель взаимодействия пользователя с БД показана на рис. 2.
Разработан способ хранения и управления информацией со спутника DEMETER на основе реляционной СУБД MySQL, позволяющий оптимизировать информационные потоки. Весь процесс обработки данных электромагнитных измерений в околоземном космическом пространстве разделен на первичную и вторичную обработку. Тестирование и оценка тактико-технических характеристик разработанного комплекса показали высокое быстродействие и эффективность управления информационными потоками. Суммарный объем обработанных рабочих данных составил 80 Гб. Разработана методика обработки и анализа сонограмм, позволяющая строить спектры с определением расстояния до заданной наземной подспутниковой точки и времени пролета спутника.
Рис. 2. Модель информационного обмена пользователя с базой данных
Суть методики состоит: а) в определении спектра в диапазоне 0-20 кГц для конкретного момента времени (положения спутника на орбите); б) в определении пространственного изменения уровня сигнала (спектральной линии) при движении спутника по полуорбите. При этом определяется абсолютный уровень спектральной плотности мощности электрической или магнитной компоненты поля. Предложенная система обработки и анализа дает возможность исследовать несколько механизмов, которые могут привести к заметным изменениям уровня поля на высотах 600-700 км при подготовке землетрясений: 1) механизм боковой волны, при котором поле сейсмоэлектромаг-нитных эмиссий и ОНЧ излучателей распространяется в волноводе «Земля - ионосфера» и затем просачивается через ионосферу на высоты спутника [3]; 2) дифракция волн на крупномасштабных неоднородностях ионосферы и дактовое распространение по силовым линиям в магнитосфере (в определенных условиях возмущения ионосферы могут сыграть роль собирательной линзы, фокусируя сигналы ОНЧ радиостанции на значительных расстояниях от излучателя [4]); 3) в эпицентре землетрясений сдвиги в разломных зонах могут генерировать сильные вертикальные электрические поля, которые проникают в плазмосферу и приводят к высыпанию энергичных частиц в нижнюю атмосферу и увеличиваю электронную плотность в слое Б; 4) возможное взаимодействие потоков высыпающихся частиц с излучениями радиопередающих устройств в зависимости от геофизических условий может приводить к нелиней-
ному усилению и частотному уширению излучений [5].
Пример обработки и его обсуждение
Рассмотрим в качестве примера обработки результаты исследования ионосферных сейсмоэлек-тромагнитных эффектов Култукского землетрясения 27 августа 2008 г. и его афтершоков по данным спутника DEMETER. Анализ данных электрического датчика ICE проведен в диапазоне 0-20 кГц.
27 августа 2008 года в 10 ч 35 мин местного времени (в 01 ч 35 мин по Гринвичу) на юге Байкала произошло сильное землетрясение. Магнитуда землетрясения составляла 6,2 (К = 15,2), глубина очага 16 км, интенсивность сейсмических сотрясений в эпицентре достигла 8 баллов. Землетрясение ощущалось на большой территории Сибири - от г. Красноярска до г. Читы. Максимальные сейсмические сотрясения отмечались в пос. Култук, расположенном на побережье Байкала. Очаг землетрясения располагался в пределах Байкальской рифтовой зоны, характеризующейся высокой сейсмичностью. В этой части Байкала неоднократно отмечались сильные землетрясений с магнитудами до 7 [6].
В ОНЧ-НЧ-СЧ-диапазонах спутник регистрировал естественное электромагнитное поле и сигналы ОНЧ-НЧ-СЧ-передатчиков в двух диапазонах частот от единиц Гц до 20 кГц и ~3 кГц до 3,3 МГц. В период подготовки землетрясения 27 августа 2008 г. и его афтершоков с 23 по 30 августа 2008 г. вблизи очага землетрясения прошли 20 дневных и ночных полуорбит спутника [7]. На рис. 3 представлены в качестве примера сонограммы дневных полуорбит 23 и 26 августа 2008 г. над областью подготовки землетрясения.
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
Рис. 3. Дневные сонограммы по электрической компоненте в диапазоне 0-20 кГц: а) 22146_0 (23.08.08, 3:20/11:41 - 3:54/9:18 UT/LT); б) 22190_0 (26.08.08, 3:12/11:44 - 3,46/9:19 UT/LT)
На сонограмме (рис. 3, а) 23.08.08 за 4 суток до землетрясения, которое произошло в 01:41:31 ИТ 27.08.08, и его афтершоков в 02:07:56 ЦГ и 03:29:13 ЦТ во время пролета спутника вблизи очага (3:22-3:30 ЦТ) наблюдаются интенсивные излучения радиостанции NWC (19,8 кГц), отмечено уширение верхней и нижней боковых полос до 0,3-0,5 кГц. Выделяются также сигналы ОНЧ радиостанций на частотах 11,9, 12,64, 14,88, 18,3 кГц. Сонограмма, полученная 26.08.08, за сутки до землетрясения отличается от сонограммы 23.08.08 наличием широкополосного увеличения интенсивности естественных радиоизлучений в полосе частот от 1 до 13 кГц в области от 40° до 60° с. ш. и 104°-120° градусов в. д. (рис. 3, б). Разработана методика детального анализа сонограмм, позволяющая строить спектры в полосе до 20 кГц с определением расстояния до заданной наземной подспутниковой точки и времени пролета спутника. На рис. 4 представлены примеры спектров для дневного и ночного времени 23 и 27 августа 2008 г.
Анализ спектрограмм показывает, что ночной уровень естественного ОНЧ-радиоизлучения выше, чем в дневные часы. Это обстоятельство связано с изменением электродинамических характеристик ионосферы. На спектрах отчетливо видны спектральные пики ОНЧ радиостанций. При этом можно четко разделить узкие спектральные линии импульсно-фазовой радионавигацион-
ной системы «Альфа» (11,9; 12,64; 14,88 кГц) и более широкие спектральные линии ОНЧ-радиостанций 18,3; 19,8, передающих сигналы с угловой модуляцией. Спектрограммы позволяют определить абсолютный уровень спектральной линии (табл. 1) и дать оценку отношения сигнал/шум. Анализ спектров позволяет также дать оценку прохождения ОНЧ-радиоволн через ионосферу и определить абсолютные уровни ОНЧ-радиополя искусственных излучателей в разное время суток. Для распространения ОНЧ-радиоволн интересен механизм боковой волны, при котором поле ОНЧ-излучателя распространяется в волноводе «Земля - ионосфера» и затем просачивается через ионосферу на высоты спутника [3]. Существует еще несколько механизмов, которые могут привести к заметным изменениям уровня поля при подготовке землетрясений.
Таким образом, изучение сонограмм и спектров спутника DEMETER до и после Култукского землетрясения 27 августа 2008 г. показало:
—в дневное время отмечена высокая интенсивность поля радиостанции 19,8 кГц перед землетрясениями 23 и 26 августа и ее спад после землетрясений 27 и 30 августа 2008 года;
— ночные записи в период прохождения «роя» землетрясений характеризуются более сложными вариациями, которые связаны с характером ионосферных процессов в ночное время;
а)
1,500 МА X Полу эрбит а №2 2146-С [200! 3.8.23 - 3:5' 1:53 U Т] Рас стоян ие 87 км ICE V .FSpe ctrum Burst &Surv еу
-3,000 М N
О 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000
1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000
б)
1,500 NA к Полу эрбит а №2 >210-: [200! 3.8.27 -13:; 11:54 LIT] Pa сстоя ние 1 092км ICE VL .FSpe ctrum Burst SiSurv ey
V -3,000 м V N Л/' ■ч v WA ч1 fj^n..,; -^vjl V/v Лwv Ла
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 Гц
1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000
Рис. 4. Примеры дневных и ночных спектров по электрической компоненте в диапазоне 0-20 кГц:
а) дневная полуорбита; б) ночная полуорбита
Таблица 1
Дневные и ночные уровни спектральной плотности сигналов СДВ радиостанций
Полуорбита Время пролета мкВ2 Уровень поля, м ■ Гц
11,9 кГц 12,64 кГц 14,88 кГц
Дневные
22146-0 23.08.2008 2,02 х 10-2 0,63 х 10-2 1,44 х 10-2
22190-0 26.08.2008 в шумах в шумах 1,00 х 10-2
22205-0 27.08.2008 в шумах 1,10 х 10-2 1,20 х 10-2
22220-0 28.08.2008 2,89 х 10-2 в шумах в шумах
22234-0 29.08.2008 В шумах в шумах в шумах
22249-0 30.08.2008 0,65 х 10-2 0,29 х 10-2 1,65 х 10-2
Ночные
22166-1 24.08.2008 в шумах в шумах в шумах
22196-1 26.08.2008 34,65 х 10-2 63,44 х 10-2 66,86 х 10-2
22210-1 27.08.2008 22,06 х 10-2 13,66 х 10-2 18,05 х 10-2
22225-1 28.08.2008 52,02 х 10-2 87,02 х 10-2 42,57 х 10-2
22255-1 30.08.2008 146,95 х 10-2 в шумах 1050,10 х 10-2
— в период подготовки землетрясения отмечено широкополосное увеличение интенсивности естественных радиоизлучений 26 августа в полосе от единиц до ~13 кГц в области от 40° до 58° с. ш. и 97°-114° в. д.;
— вариации ионосферных параметров перед землетрясениями могут иметь различные признаки от случая к случаю, их амплитуды могут зависеть от магнитуды землетрясения и его афтершоков, а также их временных параметров.
Заключение
Предложенная система автоматизированной обработки и анализа данных и база данных спутника DEMETER создают основу для разработки многопараметрических математических и физических моделей учета влияния электромагнитной обстановки в околоземном космическом пространстве. Эти модели необходимы для разработки практических методов обеспечения сейсмобез-опасности в Байкальской рифтовой зоне. Они повышают уровень понимания физических процес-
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
сов, протекающих в различных оболочках Земли (литосфера, атмосфера, ионосфера).
Дальнейшие исследования целесообразно ориентировать в сторону более глубокого теоретического анализа прямых и обратных задач диагностики околоземного космического пространства, накопления статистического материала. Представляется также совершенно необходимой реализация автоматизированной информационной базы данных для российских пользователей на основе математических моделей прогнозирования состояния околоземного космического пространства во время редких геофизических явлений.
Авторы выражают благодарность Французскому космическому агентству (Centre National d'Etudes Spatiales - CNES), Французскому центру научных исследований (Centre National de la Recherche Scientifique - CNRS), проф. Мишелю Пар-ро и Жану-Иву Брошо за данные спутника DEMETER, полученные нами как приглашенными исследователями.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Examples of Unusial Ionospheric Observation Made by the DEMETER Satellite over Seismic Regions / Parrot M., Berthelier J. J., Lebreton J. P., Sauvard J. A., Santolik O.,
Blecki J. // Physics and Chemistry of the Earth. Elsevier. 2006. Vol. 31. P. 486-495.
2. http://demeter.cnrs-orleans.fr/.
3. Аксенов В. И. Исследование распространения сверхдлинных радиоволн в ионосфере Земли // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1975. Т. 18, № 9. С. 13331346.
4. Флуктуации сверхдлинных радиоволн в волноводе Земля-ионосфера / В. Г. Безродный, П. В. Блиох, Р. С. Шубова, Ю. М. Ямпольский. М. : Наука, 1984. 143 с.
5. Molchanov O. A., Hayakawa M. Seismo-Electromagnetics and Related Phenomena // History and Latest Results. Terra sci. Publ. Comp. Tokyo, 2008. 189 p.
6. Сильное землетрясение на Байкале 27 августа 2008 года : (геологические условия его возникновения, предвестники и макросейсмические последствия) / Семенов Р. М., Имаев В. С., Смекалин О. П., Чипиз-убов А. В., Оргильянов А. И. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2009. № 1. С. 51-56.
7. Буянова Д. Г., Башкуев Ю. Б, Аюров Д. Б. Вариации параметров ОНЧ сигналов на спутнике DEMTER над зонами сейсмической активности [Электронный ресурс] // Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой : электрон. сб. докл. Рос. науч. конф., (6-10 сент. 2010) / ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН. Изд. JRE (Журн. радиоэлектроники). М., 2010 г. С. 394-404. URL : http://jre.cplire.ru/jre/library/Ulan-Ude-2010/pdffiles/s2_20.pdf.
УДК 504.4054:628.3 Обуздина Марина Владимировна,
аспирант кафедры «Безопасность жизнедеятельности и экология» Иркутского государственного университета путей сообщения, тел.: 8-914-005-005-8, e-mail: angelika86@bk.ru
Руш Елена Анатольевна, д. т. н., профессор, зав. кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и экология» Иркутского государственного университета путей сообщения, тел.: (3952) 63-83-52, e-mail: lrush@mail.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ СОРБЦИОННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ ИЗ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД ЦЕОЛИТАМИ
M. V. Obuzdina, E.A. Rush
INVESTIGATION INTO CONFORMITY TO SORPTION EXTRACTION LAWS OF ORGANIC POLLUTANTS FROM INDDUSTRIAL WASTE WATER BY ZEOLITS
Аннотация. Исследованы закономерности сорбционного извлечения органических загрязнителей из промышленных сточных вод цеолитами Холинского месторождения.
Изучено влияние специальной термической и химической обработки природных цеолитов на процесс сорбции нефтепродуктов из растворов. Показано, что скорость сорбции может быть значительно увеличена за счет создания специаль-
