CC BY
38
УДК 504.4:550.831:005.584.1
О.В. Мартынов, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-13-03 (Россия, Тула, ТулГУ),
С.А. Шопин, аспирант, (4872) 33-13-03 (Россия, Тула, ТулГУ),
Л.Л. Семенов, канд. техн. наук, ст. науч. сотр. (4872) 33-13-03 (Россия, Тула, ТулГУ),
B.И. Иванов, д-р физ.- мат. наук, проф., декан, (4872) 35-21-28 (Россия, Тула, ТулГУ),
C.А. Скобельцын, канд. физ-мат. наук., доц., (4872) 35-21-28 (Россия, Тула, ТулГУ),
В.А. Шопин, магистрант, (4872) 33-24-80 (Россия, Тула, ТулГУ)
МОНИТОРИНГ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОДГОТОВКИ И РЕАЛИЗАЦИИ ПРИРОДНЫХ КАТАСТРОФ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОКАНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ГРАДИЕНТОМЕТРОВ
Описан подход к пониманию природных катастроф как процессов сброса энергии в системе планеты в результате действия компенсационных процессов. Рассмотрены назначение, устройство, принцип действия и структура сигналов широкополосного градиентометра - прибора, позволяющего в реальном масштабе времени отслеживать динамику энергетических процессов в системе планеты. Показаны примеры сигналов системы - предвестников природных катастроф.
Ключевые слова: природные катастрофы, энергетические процессы, градиентометр, крутильные весы, предвестники.
Ежегодно на Земле происходит значительное количество природных катастроф, таких как ураганы, тайфуны, землетрясения и др. Природные катастрофы наносят значительный материальный ущерб, а также приводят к человеческим жертвам. Только в результате крупнейших катастроф 2008 года - землетрясения с магнитудой M7, 9 в провинции Сихуань, Китай 12.05.2008 г. и тропического циклона Наргис, Мьянма 03.05.2008 г. - по данным Международного центра исследований по эпидемиологии катастроф (The Center for Research on the Epidemiology of Disasters, CRED), ущерб составил более 85 млрд дол., погибло более 210 тыс. человек [1]. В связи с этим работы по исследованию механизмов подготовки таких событий имеют большое практическое значение.
1. Исследование механизма подготовки природной катастрофы Одним из авторов статьи разработана концепция, согласно которой все вышеуказанные природные катастрофические явления являются разными проявлениями одних и тех же энергетических процессов в системе планеты [2]. В основу концепции принятой для исследований геодинамики была положена концепция взаимосвязанности природных процессов (работы Ф. Энгельса, В. Ленина, А. Власова) и соответствующие известные
данные об окружающем нас мире. В частности, были использованы представления о нелинейности геодинамических процессов, обмене энергией планеты с окружающей средой (работы Н. Умова), возникновении режимов контролируемого хаоса (работы А. Лоскутова), формировании новых структур в массе-объёме планеты (работы И. Пригожина) и подавлении этих режимов глобальными гравитационными полями с возвращением планеты в равновесное состояние (марковские режимы во вложенных друг в друга поляризованных средах, определяющих ранговые значения энтропий с характеристиками по А. Ляпунову и А. Колмогорову).
Центральные понятия концепции: потенциал структуры - величина, характеризующая возможности материи, вовлеченной в конкретную массу-объем, и поляризация - нарушение равновесного состояния системы (среды).
И. Ньютон в классическом труде «Математические начала натуральной философии» вводит определение I: «Количество материи (масса) есть мера таковой, устанавливаемая пропорционально плотности и объему ее», и формулирует свои законы, из которых для нас важен 111-й: «Действию всегда есть равное и противоположное противодействие» [3, стр. 23, стр.41].
Понятие «массы» было принято в виде
где Умк - объем, связанный с массой т, то есть с определенным количеством материи в виде поляризованных частных объемов Уп , соответствующих п структурным уровням материи; Нп+у - гамильтониан, относящийся к взаимодействию данного объёма УмЬ с внешней средой; Нп+х - гамильтониан, относящийся к взаимодействиям внутри данного объёма УмЬ. Причем, объем Уп в формуле (1) в свою очередь состоит из интегральной суммы входящих в него, но на каждом из этапов разных объемов V:
где Нп - гамильтониан, относящийся к взаимодействиям внутри каждого отдельного объёма Уп [2].
Таким образом, массу понимаем как геометрически ограниченную область пространства (всеобъемлющей материальной среды, ВС), "уплотненную" взаимодействиями на каждом структурном уровне этой области и с внешней средой.
Понятие объёма было принято на основе топологических представлений и, прежде всего, геометрии Н. Лобачевского, в единении с идеями А. Власова и Г. Крона:
(1)
п
где ¥П - анализируемый объем (в нашем случае - объем планеты), Е(г,г')
- ядро первичного импульса, характеризующее собой полную и точную энергию взаимодействия с ВС; гм - топологический размер массы-объёма анализируемой системы; г' - топологический размер поляризованного объёма, в котором реализуются процессы компенсации первичной поляризации системы; Унстр - новый объем, соответствующий новой формирующейся структуре; р (г' ,Унстр) - плотность структур, связанная с новым
формирующимся объемом; Т(У) - топологическая время в виде каскада частотных характеристик каждого из расслоенных пространств - объемов общего единого пространства - объема системы (например, планеты) Уп; Т(у(У)) - топологическое температура, как отображение последовательности процессов формирования структур и соответствующего сочетания высоких и низких частот vi в соотношении потенциалов; у(У) - распределение частот, как функция соответствующих объёмов в виде определённого сочетания частот особо низко- и высокочастотного диапазонов, с различными интервалами топологического времени Т( Т); Уп-анализируемый объем, соответствующий определенной массе с конкретным топологическим содержанием температуры Т и времени Т, которые
( 1 ^ ..................
связаны функциональной зависимостью Т = / — . Поэтому тП е УП -
V Т у
объёмы в расслоенных пространствах системы, тП - масса, связанная с объемом УП. Интегрирование в формуле (2) проводится по всем расстояниям в соответствии с ядерной топологией.
Механизм подготовки природной катастрофы согласно концепции заключается в следующем: среда планеты поляризованная определённым первоначальным импульсом вследствие обмена энергией с внешней средой принимает дополнительный поток энергии, который разделяется на обеспечение геодинамики с формированием новой структуры с выделением свободной части энергии во внешнею среду. Вследствие действия законов сохранения в геодинамике возникают компенсационные процессы (111-й закон Ньютона) и начинается процесс формирования новой структуры -нового объема Унстр внутри массы планеты тП, процесс усложнения системы. Этот процесс, пройдя через несколько этапов, в конечном итоге приводит к окончанию формирования новой структуры и выбросу в окружающую среду огромного количества энергии - природной катастрофе. Таким образом, природные катастрофы представляют собой сложный процесс периодического накопления свободной энергии и последующего её выделения (сброса) в окружающую среду.
Компенсационные процессы реализуются на множестве уровней возбужденной части ВС. Но каждый из уровней (объёмов) ВС среагирует в разных временных интервалах и с различной векторной направленностью, в том числе в разных частотных периодах и диапазонах частот взаимодействия импульсов ип, уровнях волн с периодом (модой) Ьп и т.д. В результате процесс подготовки природной катастрофы сопровождается различными явлениями, проявляющимися на разных уровнях системы планеты и реализующимися в разных частотных диапазонах. На каждом уровне системы планеты реализующиеся процессы сопровождаются излучением в пространство волн частотного диапазона, соответствующего этому уровню. В результате получается своего рода многоголосый ансамбль, имеющий самый широкий частотный диапазон 10-12- 1012 Гц, причем теоретически нет никаких ограничений, как на нижнюю, так и на верхние границы диапазона. Такие явления как тепловое излучением в районе очага, электромагнитное излучение, акустические и ионосферные явления соответствуют ВЧ диапазону потенциалов структур и поэтому являются вторичными по отношению к основному процессу, реализующемуся в НЧ диапазоне и сопровождающемуся излучением в пространство волн особо низкочастотного (ОНЧ) диапазона (10-12- 10-2 Гц). [2]
При прохождении волны через неоднородную анизотропную среду ее мода, в зависимости от характеристик среды изменяет свои характеристики по законам нелинейности. Влияние нелинейностей уменьшается с уменьшением частоты волны и при очень низких частотах ОНЧ диапазона излучение практически не ослабляется при прохождении различных сред и может быть зарегистрировано на больших расстояниях (тысячи километров) от источника. В соответствии с концепцией о механизме поляризации и возникновении волновых процессов именно ОНЧ излучение является основной характеристикой протекающего процесса и несёт в себе информацию обо всем комплексе геодинамических процессов. [2] Для регистрации ОНЧ излучения и исследования, связанных с ним процессов была создана специальная приборная техника - система широкополосных градиентометров (ШГМ).
2. Принцип действия прибора ШГМ
Прибор ШГМ представляет собой измерительную систему, в которую входят корпус-экран и внутри помещен приемник ОНЧ волны, электронная регистрирующая система и персональный компьютер со специальным программным обеспечением, обеспечивающим архивирование и предварительную обработку поступающей информации. В основу конструкции прибора ШГМ положен принцип измерения малых сил с помощью крутильных весов. Крутильные весы (также известные как весы Кавендиша или весы Кулона) являются высокочувствительным физическим измерительным прибором, с помощью которого поставлены тонкие эксперименты Кулона, Кавендиша, Этвеша и другие, определены различные
физические постоянные и т.д. [4, стр. 93]. Конструкция крутильных весов прибора ШГМ (крутильной системы) и основные виды движения крутильной системы показаны на рис. 1(а, б). На рис. 1, б крутильная система показана условно в виде нити и коромысла.
Элементы крутильной системы на рис. 1, а (грузы, коромысло, нити) изготавливаются из оптически непрозрачных и немагнитных материалов. Светодиод, зеркальце и фотоэлемент образуют датчик угла поворота, конструкция которого подробнее рассмотрена ниже. Особенностью крутильной системы является ее асимметричность. Вследствие этого она представляет собой механическую систему с большим числом степеней свободы (от 5 до 9 или более в зависимости от конкретных конструкций подвесок грузов и крутильной системы в целом). На рис. 1, б показаны основные виды движения в крутильной системе с 5-ю степенями свободы: одной крутильной - поворот коромысла 03, являющийся основным видом движения в системе, и четырьмя маятниковыми - отклонение нити подвеса от вертикали в двух плоскостях 04 и 05 и маятниковые колебания коромысла, относительно двух осей 01 и 0 2.
Рис. 1. Крутильная система прибора (а): 1 - нить подвеса;
2 - коромысло; 3 - груз-антенна; 4 - груз-противовес; 5 - зеркальце;
6 - светодиод; 7 - фотоэлемент; основные виды движения крутильной системы (б)
При воздействии на крутильную систему внешнего силового поля, к действию которого чувствительны ее элементы, происходит поворот коромысла на некоторый угол, а также возникают маятниковые колебания по остальным степеням свободы. Маятниковые колебания оказывают влияние на крутильное движение коромысла, в связи с чем крутильные системы такого типа обладают частотной избирательностью [5]. Для восстановления по результатам измерений компонентов воздействующего на крутильные системы комплекса векторных поляризованных полей необходима их регистрация несколькими крутильными системами, которые имеют различные частоты собственных колебаний, а соответственно и различное ядро
интегрального преобразования силовое воздействие-сигнала прибора, что можно получить использованием различных длин нитей подвеса и специальными конструкциями грузов-антенн.
Принципиальным отличием крутильной системы прибора ШГМ от похожих крутильных систем, используемых в гравитационных вариометрах [6, стр. 211] является использование различных по конструкции грузов, один из которых представляет собой асимметричный груз-антенну сложной геометрической формы с концентраторами дифференциации фазового состава мод поляризованных полей, а также размещение всего комплекса крутильной системы над специальной антенной.
Каждый прибор ШГМ содержит несколько крутильных систем, каждая из которых соответствует одному измерительному каналу. Все крутильные системы прибора имеют различные конструкции грузов-антенн и характеристики нитей подвеса.
Измеряемой величиной каждого канала прибора является угол поворота коромысла крутильной системы.
3. Конструкция оптического датчика угла
1
Рис. 2. Принцип действия датчика угла: 1 - нить подвеса;
2 - зеркальце; 3 - источник света (светодиод); 4 - ОПЧД; 5 - луч света от светодиода; 6 - отраженный от зеркальца луч; d - расстояние от фотоэлемента до зеркальца; x - расстояние от центра ОПЧД до центра отраженного луча; а - угол поворота зеркальца; n - горизонтальная составляющая вектора нормали к поверхности
зеркальца
Принцип измерения углового положения коромысла состоит в регистрации положения светового "зайчика", отраженного закрепленным на нити зеркальцем 5 (см. рис. 1). В качестве источника света, освещающего зеркальце, используется светодиод. Для регистрации положения отраженного "зайчика" используется одномерный позиционно-чувствительный детектор (ОПЧД) S3270 фирмы «Hamamatsu Photonics» [7]. Принцип действия датчика показан на рис. 2. Светодиод и фотоэлемент (ОПЧД) на рис. 2
разнесены друг относительно друга на определенное расстояние по вертикали.
С помощью ОПЧД измеряется величина х и затем вычисляется угол поворота по формуле:
(3)
4. Конструкция прибора
Крутильные системы прибора размещают внутри рабочего объема корпуса-экрана, представляющего собой асимметричный замкнутый металлический заземленный сосуд. Конструкция корпуса-экрана показана на рис. 3.
Рис. 3. Корпус-экран прибора: 1 - рабочий объем корпуса;
2 - устройство крепления и регулировки крутильной системы;
3 - крышка корпуса; 4 - основание прибора; 5 - крышка рабочего
монтажного окна; 6 - штанга; 7 - опора штанги
Рабочий объем корпуса 1 и соответствующие крышки 3 и 5 выполнены из толстой (толщина ~20 мм) стали. Нити подвеса крутильных систем располагаются внутри штанг 6. Установка нулевого положения крутильных систем и крепление нитей подвеса осуществляется с помощью узла 2. Элементы датчика угла поворота каждой крутильной системы (фотоэлемент, светодиод) располагаются в опорах штанг 7. Монтажное окно 5 используется для доступа внутрь рабочего объема при сборке и наладке прибора. Конструкция основания 4 выбрана с целью минимизации влияния помех механического типа (например, сейсмических) на крутильные системы прибора.
Сигналы с датчиков угла каждого измерительного канала с помощью электронной регистрирующей системы предварительно усиливаются
и фильтруются, а затем дискретизируются по времени и преобразуются в цифровой код с помощью аналогово-цифрового преобразователя и передаются в персональный компьютер для архивации в базе данных. На рис. 4 показан путь сигнала в приборе ШГМ.
онч
волна
Силовое
воздействие
Крутильная Угловое Датчик
система отклонение угла
Электрический сигнал , г
База данных Персональный Сигналы в Регистрирующая
измерений компьютер цифровом коде система
Рис. 4. Последовательность преобразования информации об ОНЧ волне
Система ШГМ работает в круглосуточном режиме. За более чем 20 лет эксплуатации накоплен обширный материал для статистических исследований показаний приборов.
5. Структура сигналов прибора и подход к их обработке
В целом, сигналы прибора являются низкочастотными, принадлежат ОНЧ диапазону. Характерный сигнал прибора приведен на рис. 5. По вертикальной оси отложен угол поворота крутильной системы в условных единицах, по горизонтали - время.
А,усл.ед.
10.11.2006 11.11.2006 12 11 2006 13.11.2006 14 11 2006 вРемя
Рис. 5. Пример сигналов прибора ШГМ
Сигналы на рис. 5 имеют регулярный, не шумоподобный характер. Области I соответствует относительно «спокойное», невозмущенное состояние крутильной системы. В области II имеется аномалия - длительное по времени и значительное по амплитуде отклонение крутильной системы равновесия, причем синхронное на всех трех каналах. Отклонение крутильных систем от положения равновесия соответствует процессу компен-
сации поляризации среды вследствие действия законов сохранения, т.е. процесс преобразования поступившей в систему планеты энергии при формировании новой формы материи, содержащей каскад новых структур, характеризующихся различными диапазонами частот взаимодействия потенциалов. Новая структура может быть описана только соответствующей голограммой. Возмущенное движение крутильных систем несет информацию об энергетических параметрах процесса - информацию будущей природной катастрофы. Возврат крутильной системы к невозмущенному движению - окончание аномалии II - связан с возвратом системы планеты в условно равновесное состояние на соответствующем структурном уровне и времени проявления события.
Частотная избирательность крутильных систем проявляется в разной, но в то же время похожей форме графиков сигналов на различных каналах. В отличие от отклонений, вызванных случайными факторами, предвестнику природной катастрофы соответствует многочасовое, многодневное и порой многолетнее отклонение. Так, на рис. 7 длительность отклонения составила около двух суток (частота сигнала ~10-5 Гц). По аналогии с тем, как в это отклонение вложены более высокочастотные сигналы III, видимые на рис. 7, так и аномалия II вложена в значительно большую по длительности волну, для которой также верны указанные рассуждения. Этот процесс вложения волн во все более низкочастотные продолжается вплоть до диапазона 10-10 Гц. Значительное различие временных параметров информационных и шумовых сигналов позволяет надежно выделять составляющие сигналов, несущие информацию о предвестнике события и именно в них вкладывать более высокочастотные сигналы при построении голограммы будущего события - катастрофы с кратковременным выбросом в окружающую среду огромного количества энергии.
В тоже время процесс преобразования энергии сопровождается энергетическими выбросами в окружающую среду меньших по сравнению с готовящемся событием объёмов и интенсивностей, которые также можно отслеживать и использовать с помощью системы ШГМ.
На рис. 6 представлен спектр сигналов одного из каналов прибора (по обоим осям на графике логарифмический масштаб). Основные спектральные составляющие, показанные на рис.8, сосредоточены в низкочастотной области спектра, их частота <500 мГц. Пики 1, 2 и 5 на спектре соответствуют колебаниям на собственной частоте по крутильной степени свободы и ее второй и третьей гармоникам, пики 3 и 4 - по маятниковой степени свободы и ее гармоникам соответственно.
Геодинамика планеты является нелинейной и очень сложной, соответственно нелинейными являются и процессы подготовки природной катастрофы. Однако, используя идеи эргодичности, основанные на марковских цепях, реализуемых в поляризованных взаимосвязанных средах, ляпуновских характеристических показателей отображенных в соответст-
вующих ранговых энтропиях, можно заблаговременно строить голограммы новых формирований в системе планеты. Используя указанные голограммы можно как прогнозировать эти процессы, так и управлять ими.
Рис. 6. Спектральный анализ сигнала ШГМ за период 08.09.2008 - 08.10.2008
Для отдельных этапов статистической обработки сигналов был вы-бр ан следующий подход. В качестве меры взаимосвязи между сигналом прибора ШГМ и природными катастрофами выбрана величина
N
N
(4)
где Nx - число природных катастроф, которым было сопоставлено появление аномалий в сигналах, N0 - общее число событий за рассматриваемый период. Значение величины Nx определяется следующим образом: по результатам обработки всех сигналов системы ШГМ восстанавливаются характеристики, воздействующих на крутильные системы векторных поляризованных полей и определяется направление на источник ОНЧ волны
- район формирования очага будущей природной катастрофы, а также строится голограмма формирующейся структуры, с помощью которой аномалиям в сигналах сопоставляются конкретные события. При статистической обработке информация о параметрах катастроф выбирается из открытых источников, доступных в сети Интернет - баз данных программы Earthquake Hazard Program геологической службы США [8] и данных Европейского средиземноморского сейсмологического центра [9].
Аномалия II в сигналах на рис. 5 - предвестник землетрясения в районе Курильских островов 13.01.07 с M8,2 (46,29°с.ш., 154,56°в.д.), который был зарегистрирован за 2 месяца до события. Примеры других предвестников показаны на рис. 7 и 8. На рис. 7 пунктирной линией показана кривая предвестника - средняя линия сигнала.
r
А,усл.ед.
14.09.2006 16.09.2006 18.09.2006 20.09.2006 22.09.2006 24.09.2006
Рис. 7. Длиннопериодическое отклонение 16.09.2006-22.09.2006г. Предвестник землетрясения у Курильских островов 15.11.2006 г. Mw=8.3 (46,66° с.ш. 153,35° в.д.)
А,усл.ед.
■ к
28.03.2009 30.03.2009 31.03.2009 03.04.2009
Рис. 8. Предвестники землетрясений в Италии в районе г.Акилла, 06.04.2009 г. 42,38°с.ш., 13,32° в.д. M6,3 (а)и в районе Курильских островов 07.04.2009 г. 46,17°с.ш. 151,55° в.д. M6,9 (б)
Заключение
Приборная система ШГМ позволяет регистрировать сигналы, которые могут быть сопоставлены с будущими природными катастрофами, сопровождающимися выделением огромного количества энергии. Регистрируемый сигнал несет информацию как о месте, так и о энергетическом наполнении будущей природной катастрофы («величине» события). В сигналах прибора ШГМ аномалии сигналов выделяются четко и могут быть описаны различными числовыми параметрами (амплитуда, длительность, спектральный состав и др.), а так как сигналы несут информацию о направлении на источник ОНЧ волны, они могут быть сопоставлены с конкретными событиями. Исследование с помощью системы ШГМ процессов преобразования энергии, в результате которых в системе планеты формируется новая структура, проявляющаяся природной катастрофой, позволяет подойти к технологии получения энергии "из окружающей среды" -
чистой энергии, технологии, не загрязняющей и не разрушающей природную среду.
Список литературы
1. EM-DAT: The OFDA/CRED International Disaster Database [Электронный ресурс].- Электрон. дан.- Belgium: Brussels, Universite Catholique de Louvain.- Created on: May-23-2009.- Data version: v12.07.- Режим доступа: http://www.em-dat.be
2. Мартынов О.В. Концепция системы прогноза природных катастроф и практические результаты, полученные на основе аппарата нелинейной физики, математики и данных системы // Нелинейный мир. 2008. №10.
С.579 615.
3. Ньютон И. Математические начала натуральной филосо-фии/И.Ньютон. М.: Наука,1989. 689c.
4. Naker G.L., Blackburn J.A. The Pendulum. A Case Study in Physics.-Oxford University Press, 2005.
5. Калинников И.И. Горизонтальные крутильные весы - сейсмоприемник с многолепестковой диаграммой направленности // ДАН. 1991. Т. 317. №4.6.
6. Kaufman A., Hansen R. Principles of the gravitational method (Methods in Geochemistry and Geophysics Series). Elsevier. 2007. 258 c.
7. One-dimensional PSD S3979, S3931, S3932, S1352, S3270 [Электронный ресурс]: Datasheet. KPSD0001E01.- Электрон. дан.- USA: Hamamatsu Photonics K.K., 2004.- Режим доступа:
http://usa.hamamatsu.com/assets/pdf/parts S/S3979_etc.pdf- Загл. с экрана.
8. USGS National Earthquake Information Center [Электронный ресурс ].-Электрон. дан. - USA: USGA. - Режим доступа: http://www.neic.cr.usgs.gov/neis/epic-global.html. - Загл. с экрана.
9. European-Mediterranean Seismological Centre [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Europe: EMSC. - Режим доступа: http://www.emsc-csem.org.- Загл. с экрана.
O. Martynov, S. Shopin, L. Semenov, V. Ivanov, S. Skobel ’tsyn, V. Shopin
Monitoring of energy processes of natural disasters preparation and realization by the multichannel system of wideband gradiometers
Approach for interpretation of natural disasters as energy release processes in the planet system in the result of compensatory processes action is presented. The purpose, construction, operating principle and signal structure of the wideband gradiometer (WBG) being the instrument providing real-time tracking of the planet system energy processes dynamics, are considered. Examples of WBG system signals being the precursors of natural disasters are presented.
Key words: nature catastrophe, energetic processes, gradient- measurer, torsion balance, foreshocks.
Получено 17.03.2010
