CC BY
99
УДК 001.18:614
Закономерности взаимодействия и влияния космических и гелиогеофизических факторов на возникновение мега-катастроф и их использование для прогнозирования угроз и предупреждения бедствий
© Технологии гражданской безопасности, 2009
С.Е. Байда Аннотация
Закономерности влияния гелиогеофизических и космических факторов на возникновение мега-катастроф исследуются на основе принципов теории катастроф, синергетики и нелинейной динамики. Показана возможность использования полученных закономерностей для определения времени, а в некоторых случаев и места подготовки и возникновения землетрясений, аварий электрических сетей и эпидемии гриппа.
Ключевые слова: безопасность, статистика, гелиогеофизические условия, космические условия, частотно-временные закономерности, прогноз, землетрясения, аварии электрических сетей, эпидемии гриппа.
The patterns of heliogeophysical and cosmic influence on the occurrence of mega-catastrophes and their use for hazard prediction and disaster prevention
© Civil Security Technology, 2009
S. Bayda Abstract
The patterns of heliogeophysical and cosmic influence on the emergence of mega-catastrophes are studied based on the principles of catastrophism, synergetics and nonlinear dynamics. The derived patterns can be used to determine the time and in some cases the place of preparation and emergence of earthquakes, electric power failures and flu epidemics.
Key words: safety, statistics, heliogeophysical conditions, cosmic conditions, time-and-frequency regularity, the forecast, earthquakes, accidents in electric systems, epidemic influenza.
Структурные и качественные изменения любой существующей во времени сложной системы или объекта любой физической природы неизбежны и являются следствием её взаимодействия с изменяющейся окружающей средой и внешних условий, а также собственных количественных и качественных изменений. Катастрофа системы может быть фатальной, как её полное разрушение и выброс накопленной потенциальной энергии в окружающую среду, или как качественная и структурная перестройка, переводящая систему на новый потенциальный уровень. Попытки решить задачу прогнозирования точного времени и места наступления катастрофы в настоящее время наталкиваются на непреодолимые трудности, связанные с необходимостью определения взаимодействия нелинейно связанных и не связанных параметров и определения вероятностного распределения многоуровневого дерева событий в условиях случайных и хаотичных процессов. Одним из подходов решения этой задачи является установление аналитических численных закономерностей возникновения катастрофы и создание на их основе системы прогностических функций, отражающих в текущем настоящем и будущем времени активность внешних и внутренних процессов, способных вызвать катастрофу сложной системы, а также, с помощью которых, можно контролировать приближение к этой ситуации [1].
1. Общие свойства, эффекты и закономерности возникновения катастроф
Современные катастрофы имеют синергетический или смешанный природно-техногенно-социальный характер и определяются общим термином как мега-катастрофы. Мега-катастрофы — это сложный и взаимосвязанный процесс проявления одновременно или последовательно совокупности катастроф, а также целого ряда сопутствующих опасных явлений и процессов:
• землетрясений, цунами, наводнений, оползней, штормов, ураганов, торнадо;
• разрушения инфраструктуры жизнеобеспечения, аварий на транспорте, промышленных взрывов и пожаров;
• социальной нестабильности, массовых беспорядков, эпидемий.
Все катастрофы, проявляющиеся в природе, технике, в экономике, жизни и здоровье отдельного человека имеют общие закономерности, несмотря на то, что во многих случаях являются следствием случайных и хаотичных процессов, подчиняющихся вероятностным законам. Но это происходит только по причине незнания их закономерностей, которые могут быть установлены путем аналитического исследования. Существование таких закономерностей является следствием того, что, воздействуя извне или возникая внутри системы, обладающей конечными свойствами, они взаимодействуют с ней и с процессами, которые уже идут. В зависимости от свойств этой системы, случайные и хаотичные про-
цессы будут усиливаться и этим самым «раскачивать» систему, приближая и инициируя катастрофу, или, не найдя параметрического соответствия, прекратят свое существование и исчезнут.
Процессы в окружающем нас мире подчиняются единым физическим, биологическим и социальным законам, среди которых можно найти общие аналогии. Их объединяет единство во времени и абстрактный математический аппарат, с помощью которого можно описать и найти аналогии между процессами различной физической природы.
Можно выделить следующие группы основных общих свойств, законов и эффектов, сопутствующих и проявляющихся в катастрофических процессах любого вида:
1. Свойства окружающей среды:
• все процессы и явления во вселенной едины во времени и идентичны в локальном пространстве и имеют между собой прямые или косвенные (опосредованные) связи;
2. Свойства процессов внешнего и внутреннего системного взаимодействия:
• энергетическое равновесие в системе и между системами, выравнивание объёмной плотности энергии и самоорганизация структурных зон. Если объёмная плотность энергии отдельно взятой локальной зоны отличается от соседней, то между ними имеется напряженность (давление, сила), которая действует на соседние структуры или элементы, ограничивающие её выравнивание и стремится вызвать взаимную перестройку; создает системную неустойчивость или способствует их самоорганизации;
• структурная перестройка системы происходит с накоплением потенциальной энергии, если её уровень повышается, или с выделением энергии во внешнюю среду, если её общий уровень понижается;
• скачкообразное изменение свойств системы, сформированной из дискретных структур, ступенчатое понижение или повышение энергии или активности системы под влиянием или после внешнего энергетического воздействия;
• эффект возврата колебательной активности Ферма-Паста-Улама (ФПУ) в сложных системах и структурах с нелинейными связями;
• «память» сложных структур к прошлым внешним воздействиям и её накопление.
3. Процессы взаимовлияния и резонансные взаимодействия:
• взаимовлияние не связанных или слабо связанных параметров в процессах сложных систем;
• хаотичные и случайные процессы имеют склонность упорядочиваться, усиливаться или ослабевать, при воздействиях, оказываемых на неё и в соответствии со свойствами сложной системы и процессами, которые в ней уже идут.
4. Пространственно-структурные свойства процессов в системе, волновые и ударно-волновые явления в сложных структурах, пространственное рас-
пространение ответной реакции системы на воздействие.
5. Математические условия и закономерности катастрофы:
• процесс подготовки катастрофы — это процесс накопления потенциальной энергии;
• консерватизм системы, система стремится к минимизации потенциальной функции (энергии), как точки устойчивого равновесия;
• экстремумы потенциальных функций, и их первой, второй и последующих производных, как точек бифуркаций, перехода в новое состояние и возникновения катастрофы;
• увеличение частоты странных аттракторов (удвоение, утроение) перед точкой (временем) возникновения бифуркации;
• если структура после точки бифуркации сохраняет своё равновесие, то её потенциальная энергия увеличивается; если структура разрушается, то накопленная потенциальная энергия выделяется во внешнюю среду;
• система развивается (расширяется), если её составляющие элементы могут накапливать потенциальную энергию при минимуме потребления энергии (требование устойчивого равновесия);
• чем сложнее система, тем больший уровень накопления потенциальной энергии и тем сложнее и продолжительней спектр частотно-временной активизации и перестройки системы после воздействия;
• информация является триггером управления социальной энергии, обеспечивающей накопление или высвобождение энергии, в состоянии неустойчивого равновесия системы.
6. Внешние факторы влияния энергетической накачки системы, подготовки, запуска и инициирования катастрофы и среди них:
• Циклические процессы:
изменение фаз Луны, изменение относительного положения Солнца, Земли и Луны;
постоянные циклы повторяемости положения планет, изменение относительного положения планет солнечной системы.
• Квазициклические процессы:
солнечная активность;
изменение положения и сдвиг земной оси; годовые сезонные изменения,
цикл Чандлера или повторения углового положения земной оси;
угловая скорость вращения Земли и суточное время.
• Переменные процессы с короткими периодами упорядоченных и закономерных процессов:
изменение гравитационной постоянной;
метеорологические явления, изменение атмосферного давление и структуры барических полей.
• Случайные, хаотичные и управляемые процессы:
упорядоченная и неупорядоченная антропогенная ак-
тивность и промышленные технологии с большими энергетическими воздействиями на литосферу и атмосферу;
единичные или управляемые техногенные воздействия на ионосферу, атмосферу, литосферу, испытания ядерного оружия.
Общим параметром или характеристикой процессов, происходящих в системах и объектах или вокруг них, является энергия. Точное количественное определение полной энергии процесса, особенно в сложных природно-технических и биологических системах, в большинстве случаев невозможно. В то же время причиной качественных и структурных изменений может быть совместное влияние факторов и процессов, отличающихся по физической природе. Поэтому энергетическая характеристика внешних и внутренних процессов может быть выражена в виде любого параметрического аналога, не являющегося численным эквивалентом; например, количества солнечных пятен, линейного смещения, или условного эквивалента (количество землетрясений, численность людей, количество акций и денежной массы).
Определяющим является характер, а точнее — экстремумы, изменения процесса, который можно измерить и выразить в любой параметрической и аналоговой форме в численном виде, как функции текущего времени. Эта функция покажет переходный процесс, определяющий активность системы или объекта. Для расширения аналитических возможностей может быть взята совокупность или группа параметров, отображающая основные виды переходных процессов вокруг и в самой системе.
Для анализа энергетики переходных процессов статистика мониторинга влияющих факторов А1, В^.. интерполируются и преобразуются в соответствующие сплайн-функции (1).
[4 ]-><*(*) и IдЬКО
(1)
Чтобы учесть совместное влияние переходных процессов различной физической природы и практических расчетов функции переходных процессов (1), приводятся к безразмерным единичным сплайн-функциям: аи(1) = а()/атах (2)
На их основе может быть создана комплексная функция, состоящая из суммы единичных сплайн-функций переходных процессов:
(3)
'И
(о=2>„о
Все сплайн-функции переходных процессов представляются в виде системы единичных сплайн-функций
(4):
а
дк
(0=
д2а,
Физическая суть влияния переходных процессов изменения влияющих факторов и, в частности, изменения космических и гелиогеофизических условий и параметров, состоит в том, что переходный процесс показывает энергетическую нагрузку, которую создает изменение этих условий или параметров, на литосферу, гидросферу и атмосферу Земли, а также природные, технические и биологические системы и объекты, находящиеся в них. Для примера на рис.1 показаны совмещённые графики изменения относительной солнечной активности и её первой и второй производных и относительной сейсмической энергии землетрясений [2]. Оценка сейсмической энергии за период 1900-1990 г.г. взята из работы Котляр П.Е., Ким В.И. Положение полюса и сейсмическая активность Земли. — Новосибирск: ОИГГМ СО РАН, 1998 г.
Каждому изменению внешнего фактора, сопутствует соответствующая внутренняя перестройка той структуры, на которую он действует. Соответственно первая производная изменения фактора а1(), Ъ() покажет скорость перестройки этой структуры, а вторая производная а 1'Ъ1'— ускорение перестройки структуры. Если физическая структура после прекращения внешнего воздействия может восстановить своё прежнее равновесное положение или создать новое состояние равновесия, то она сохраняет свою целостность. Если нет, то это соответствует необратимым структурным изменениям, которые проявляются как разрушение или катастрофа системы. Таким образом, переходные процессы инициируют запуск процессов, которые могут завершиться катастрофой.
На рис. 1 показано, как переходные процессы изменения солнечной активности влияют на сейсмическую активность. Исследования условий возникновения землетрясений показали [3], при экстремальных значениях изменения абсолютной величины гелиогеофизиче-ских параметров проявляется 22—57% землетрясений; при экстремальных значениях первой производной исследуемого фактора — 15—55%, при экстремальных значениях второй производной исследуемого фактора — 15—53%. При объединении результатов анализа выявлена в 90—95% связь между переходными процессами и возникновением землетрясений.
На рис. 2 показаны космические и гелиофизиче-ские условия, при которых возникли землетрясение и цунами 26 декабря 2004 г. Время землетрясений совпало с экстремальным сдвигом земной оси, экстремумом второй производной изменения солнечной активности, и экстремумом второй производной изменения положения земной оси. Экстремальные гелиогеофизические условия проявились в условиях полнолуния на пике фазового частотно-временного спектра.
Влияние переходных процессов изменения солнечной активности на социальную нестабильность показано на рис. 3.
2. Постановка и решение задачи прогнозирования катастрофы
Условия и гипотезы, принимаемые для решения задачи.
Решение задачи аналитического определения начала подготовки и времени возникновения определенного вида катастрофы системы или объекта для конкретного локального места (региона) начинается с определения области прогностических исследований и энергетики внутренних и внешних процессов системы или объекта;
• пространственная, структура ожидаемой катастрофы, сложность, структурный состав, иерархия системы, в которой происходит катастрофа.
• энергетические факторы внешних влияний или инициации катастрофы. Иерархия и энергетический уровень факторов влияния;
• энергетика или количественная характеристика катастрофы, процесса разрушения или перестройки, масштаб, массовая или количественная характеристика.
Условия задачи:
1) Масштаб времени и интервал прогнозирования (суточный, месячный, годовой).
2) Локализация и пространственные (геодезические) параметры прогнозирования.
Принимаются следующие гипотезы возникновения катастроф:
1) Все процессы и явления во вселенной едины во времени и локальны (идентичны) в пространстве и имеют между собой прямые или косвенные (опосредованные) связи.
2) Изменение энергетической или социальной нагрузки в системе и нарушение внутреннего и внешнего системного равновесия ведет к её качественной и структурной перестройке или катастрофе.
3) Катастрофа системы — это нарушение устойчивого равновесия, которое происходит при экстремальных изменениях внутренних системных процессов, активизации «памяти» прошлого состояния системы и внешних влияющих факторов.
4) Все внешние воздействия, не вызвавшие катастрофу, в той или иной мере способствуют повышению потенциальной энергии системы.
5) Процесс подготовки катастрофы — это процесс отработки внешних воздействий и накопления потенциальной энергии системы.
Аналитическая и расчетная модель возникновения катастрофы.
Концептуальной основой аналитических моделей для исследования пространственно-временных закономерностей возникновения катастроф являются единство и связь космических и земных энергетических процессов и, в частности, переходных процессов гелиогео-физических факторов. Решение задачи аналитического прогнозирования катастрофы системы начинается с
Рис. 1. Совмещённые графики изменения относительной солнечной активности и её первой и второй производных и относительной сейсмической энергии землетрясений за период 1900-1990 гг.:
(а) совмещённые графики изменения относительной солнечной активности и относительной сейсмической энергии землетрясений е;
б) совмещённые графики первой производной по единичной функции изменения солнечной активности в'(Т) и первой производной по единичной функции сейсмической энергии землетрясений е'(г);
в) совмещённые графики второй производной по единичной функции изменения солнечной активности в"(г) и второй производной по единичной функции сейсмической энергии землетрясений е"(г)
солнечная активность
__ 1-я производная по ед. функции изменения солнечной активности
- 2-я производная по ед. функции изменения солнечной активности
амплитуда колебания земной оси
1-я производная по ед. функции амплитуды колебания земной оси
- 2-я производная по ед. функции амплитуды колебания земной оси
— активизация землятресений под влиянием измепнения фаз Луны
Рис. 2. Единичные функции переходных процессов суточного изменения гелиогеофизических условий в относительных
значениях на 26 декабря 2004 года и 28 марта 2005 г.
Рис. 3. Совмещённые графики изменения солнечной активности и социальной нестабильности в мире в 1860-2002 гг. ш(t) - безразмерная единичная сплайн-функция социальной нестабильности, которая характеризует социальную нестабильность как изменение отношения ш = Ыакт./Ммир , где Ыакт. — численность населения, активно вовлеченная на конкретный момент времени в нестабильные социальные процессы; Ммир — численность населения всего мира или конкретной страны; - первая производная по единичной сплайн-функции социальной нестабильности в мире; ш"(Г) - вторая производная по единичной сплайн-функции социальной нестабильности в мире; fs(t) — единичная функция изменения солнечной активности; - первая производная по единичной сплайн-функции изменения солнечной активности; Г^) - вторая производная по единичной сплайн-функции изменения солнечной активности.
разработки аналитической модели катастрофы, которая включает:
• динамическую (физическую, экономическую или биологическую) модель катастрофы;
• антропогенную модель катастрофы (учет исторического, социального и человеческого факторов);
• математическую (расчетную) модель катастрофы, алгоритмы и программы математического анализа и расчета частотно-временных закономерностей (спектров) и прогностических функций катастроф;
• мониторинговую модель (контрольные параметры) процесса подготовки и развития катастрофы.
Основная цель разработки аналитической модели (рис. 4) — установление математических численных закономерностей как циклических, так и случайных и хаотичных процессов, вызывающих катастрофу сложной системы или объекта и разработки математической (расчетной) модели катастрофы.
Определение частотно-временных спектров возникновения катастроф.
Из общих свойств физических процессов и теории катастроф следует, что катастрофа системы возникает на экстремумах функций переходных процессов и её первых и вторых производных. После аналитических ис-
следований и определения основных факторов влияния рассчитываются единичные сплайн-функции переходных процессов этих факторов (1,2) или их совокупности — комплексные сплайн-функции (3) в виде системы (4). Экстремумы этих функций, причем как минимумы, так и максимумы, определяют время и даты, когда катастрофа произошла или могла произойти. В 50-70% случаев катастрофа возникает не сразу, а спустя некоторое время после экстремального изменения параметров переходного процесса. Длительность задержек и их суммарный частотный спектр дает спектральную закономерность создания условий для её возникновения после экстремального изменения переходного процесса влияющего фактора.
Расчет частотно-временного спектра активизации катастрофы производится следующим образом. Вначале определяются интервалы времени запаздывания катастрофы:
АТп = Тп - Т0 , (6)
где АТп — интервал времени между временем экстремального изменения влияющего фактора и временем катастрофы; Т0 — время экстремального изменения влияющего фактора; Тп — время возникновения катастрофы; п — статистический учетный номер катастрофы.
Взаимодействие системы с внешней средой
Внешний фактор возбуждения и энергетической
накачки системы
Основные фазы катастрофы
о
Естественная
активность
системы
Характеристика и свойства фазы
Историческая память от внешних воздействий внутренняя активность системы при устойчивом равновесии 1.1
Отработка внешнего воздействия, возникновение процессов, противостоящих и отрабатывающих внешнее воздействие, совпадение внешнего импульса и пиков активности системы, появление странных аттракторов 2.2
Внешний синер-гетический фактор возбуждения и энергетической накачки системы
Малоэнергоемкий инициатор катастрофы, триггер
Накопление потенциальной энергии или выделение накопленной энергии системы в окружающее пространство
С
Предсостояние катастрофы
Процесс развития катастрофы
£
Втягивание системы в катастрофический процесс, увеличение частоты странных аттракторов, увеличение потенциальной энергии системы, приближение к неустойчивому равновесию системы, появление и активизация предвестников 3.3
Точка бифуркации системы, начало перехода движения) системы на новый уровень увеличения потенциальной энергии (подъем) или понижение (падение) уровня потенциальной энергии, разрушение и выделение кинетической энергии во внешнюю среду 4.4
Структурные преобразования и изменения, волновые линейные и кольцевые (спиральные) возмущения, повторная отработка собственного импульса энергии, выделенного во внешнюю среду, переход системы к устойчивому равновесию 5.5
С
Система имеет устойчивое равновесие, вместе с тем имеет место локальный возврат энергетической активности (эффект ФПУ), проявляется частотно-временной спектр активности, внешнего воздействия нет, но система периодически активизируется. 6.6.
Рис. 4. Аналитическая модель катастрофы
Время «задержки» катастрофы Тп после экстремального изменения величины воздействующего фактора собирается в матрицу распределения событий катастроф (7):
Мт = [Т1,Т2 ...Гп] Т1 < Т2... <Тп (7)
На основе матрицы распределения событий Мт вычисляется гистограмма и формируется матрица количества событий катастроф в суточном или любом другом интервале времени (8):
(8)
^ Т - [Л'л ]
Интерполяция матрицы и гистограммы на
её основе создает спектрально-временную сплайн-функцию или спектр активизации природных бедствий или аварий (9), с помощью которой можно выявить математическую закономерность возникновения конкретного вида катастрофы при изменении влияющего фактора А (соответственно В, С и других). Для удобства вычислений и сравнения спектров активизации катастроф между собой, они преобразуются в единичные спектры (6). Примеры частотно-временных спектров активизации землетрясений, аварий в энергосетях и эпидемии гриппа показаны на рисунках 5—8.
определённый цикл времени и имеет математическую закономерность. Из этого следует, что реакция отклика элемента сложной системы на внешнее воздействие имеет продолжительный во времени характер, заключающийся в повторении реакции на возмущение, которое было в прошлом.
Особенностью определения закономерностей влияния факторов, имеющих циклические изменения на возникновение катастроф, является наличие частотно-фазовых спектров активизации катастроф внутри цикла или периода, вызванное тем, что воздействие этого фактора отличается на разных фазах этого цикла. Расчет частотно-фазового спектра производится в соответствии с формулами (8, 9, 10).
(9)
(10)
Спектрально-временные функции активизации катастроф по своей физической природе имеют подобие с проявлением эффекта ФПУ — возвратом колебательной активности системы осцилляторов, исследованной Э.Ферма, Д.Паста и С.Улама [4]. Литосферу, гидросферу и атмосферу Земли и даже организм человека можно представить, как сложный многосистемный осциллятор с нелинейными связями и свойствами. Э. Ферма, Д.Паста и С.Улама исследовали математическую модель составного осциллятора из системы маятников с нелинейными связями под воздействием начального одиночного импульса. Они обнаружили, что в сложном осцилляторе после одиночного воздействия на отдельный маятник его колебательная активность имеет переменный характер. Энергия колебаний не выравнивается между маятниками и не затухает во времени. Колебательная активность первого возмущенного маятника снижается и вновь усиливается через
Рис. 5. Частотно-временные сплайн-функции активизации землетрясений после экстремальных значений переходных процессов изменения солнечной активности и изменения положения земной оси. При определении экстремумов коэффициент сглаживания сплайн-функций переходных процессов соответствовал среднему значению за 29,7 дней
Рис. 6. Единичная частотно-временная сплайн-функция активизации землетрясений, вычисленная по циклическим переходным процессам, связанным с фазами Луны
Рис. 7. Частотно-временные спектры возникновения аварий в электросетях вследствие изменения солнечной активности, колебания земной оси и изменения фаз Луны после новолуния
Большой интерес представляет выявление аналогий возникновения катастроф систем и объектов, совершенно отличающихся по своей физической природе. Графическая аналогия частотно-временных спектров показывает, что возникновение землетрясения и смерть человека имеют общие закономерности и механизм. Установлена аналогия спектров активизации землетрясений после испытания ядерного оружия [5] и спектров фатальных случаев после хирургических операций (рис. 9) [6]. Такая же аналогия обнаружена при сравнении спектров активизации землетрясений и фатальных случаев после
экстремальных изменений активности солнца, сдвигов земной оси и изменения фаз Луны [7,8].
Спектры активизации катастроф, рассчитываются на основе обработки статистических данных произошедших катастроф для каждого вида переходного процесса и, в зависимости от фильтрации этих данных по масштабу катастрофы, масштабу времени и географической привязки, имеют глобальные и локальные закономерности. Исследования показали, что спектры, рассчитанные на основе статистики разных периодов времени, отличаются в основном только изменением амплитуды пиков. Также имеются отличия в спектрах, рассчитанных для максимальных и минимальных значений экстремальных изменений влияющих факторов.
Частотно-временные спектры активизации катастроф являются основой для создания системы прогностических функций, используемых для аналитического прогнозирования катастроф практически любого вида.
Прогностические функции и аналитический принцип определения времени и места катастрофы.
Основу аналитического метода решения прогностической задачи определения времени и места катастрофы составляет:
• учет переходных процессов изменения влияющих факторов, состояния окружающей среды или условий, а также любых других показателей и параметров;
• определение статистических спектрально-временных закономерностей активизации катастроф после экстремальных значений изменения переходных процессов влияющих факторов;
• мониторинг «чувствительности» — отклика контролируемой системы и окружающих условий на экстремальные изменения переходных процессов влияющих факторов и согласование времени изменения локальных параметров с расчетным временем активизации катастрофы.
Считаем, что момент любого экстремального изменения влияющего фактора является началом запуска процессов активизации землетрясений. Таким образом, основой прогностических функций является сумма всех индивидуальных спектрально-временных сплайн-функций активизации землетрясений, началом которых является начало цикла или момент времени экстремального изменения соответствующего влияющего фактора.
Рис. 8. Сплайн-функции частотно-временных спектров активизации эпидемии гриппа, рассчитанные по экстремальным значениям переходных процессов изменения солнечной активности и изменения положения земной оси и по циклам изменения положения Луны
(а) — по максимальным и минимальным значениям сплайн-функции солнечной активности;
б) — по максимальным и минимальным значениям сплайн-функции смещения земной оси;
в) — по циклу повторения календарного дня и фазы Луны и по циклу Сароса).
В отличие от катастроф и аварий, происходящих как мгновение времени, эпидемия может продолжаться в течение длительного времени. Поэтому для расчета частотно-временного спектра активизации эпидемии гриппа необходимо использовать более продолжительные квазициклические и циклические процессы.
Рис. 9. Единичные сплайн-функции частотно-временных спектров фатальных случаев и землетрясений: а) после перенесенного стресса (хирургической операции) и после ядерного взрыва; Ь) фатальные случаи и землетрясения с учетом изменения фаз Луны с момента новолуния; с) фатальные случаи и землетрясения с учетом изменения солнечной активности; ф фатальные случаи и землетрясения с учетом изменения положения земной оси
В общем виде расчет времени активизации катастрофы осуществляется с использованием системы следующих семи функций:
Потенциальная функция активизации катастрофы — является суммарной функцией всех единичных частотно-временных сплайн-функций активизации катастрофы, запущенных по времени tA, В 1С... соответствующих экстремальных изменений переходных квазициклических процессов влияющих факторов А, В, С... и показывает «накопление» пока ещё скрытой энергии катастрофы:
Циклическая функция активизации катастрофы —
является суммарной функцией циклических частотно-фазовых спектров активизации катастроф, связанных со стабильными по времени периодическими процессами (изменение фаз Луны, космические планетные циклы):
Активная функция катастрофы является суммарной функцией всех частотно-временных сплайн-функций активизации катастроф, запущенных после экстремальных изменений переходных процессов влияющих факторов, соответствующих времени tZ возникновения катастроф подсистем или элементов системы. Она показывает уровень активизации внутренних опасных процессов:
Функция дисбаланса потенциальной и активной функции катастрофы — является разностью между потенциальной и активной функцией и показывает накопление потенциальной энергии катастрофы:
/118
Функция реализации катастрофы показывает условный энергетический эквивалент произошедших катастроф и служит для контроля расчётов активизации опасных процессов в системе по потенциальной, активной, дисбалансной функциям. Рассчитывается как распределение суммарного количество всех катастроф, произошедших за данный период времени.
Функция волновой пространственной активизации катастрофы рассчитывает пространственные координаты локальных зон системы, в которых происходит активизация опасных процессов, которые могут привести к катастрофе.
Функция изменения контрольных параметров мониторинга системы — предвестников катастрофы — в качестве этой функции могут быть выбраны любые мониторинговые данные pi или их совокупность, которые показывают текущие изменения параметров системы или окружающей среды.
В её качестве могут быть использованы наблюдения за атмосферными процессами, геофизические измерения или био-предвестники. Эта функция (17) является основной для определения локальной зоны подготовки сильного землетрясения по данным локального мониторинга. Совпадение во времени пиков контрольных параметров или активности биопредвестников, в случае прогнозирования землетрясений, покажет близость наступления катастрофы, которая если не происходит сразу, то, скорее всего, произойдет на следующем пике прогностической потенциальной функции.
Представленные функции являются аналитическим инструментом для определения времени и локальной зоны, где возникают внешние и внутренние условия и может произойти катастрофа. Система прогностических функций представлена на примере активизации землетрясений (рис. 10).
На рис. 11 показаны прогностические функции возникновения аварий на электростанциях и электросетях Северного полушария вследствие изменения космических и гелиогеофизических факторов. Расчеты были выполнены в октябре 2008 г. и обновлены в марте 2009 г. Следует отметить, что на расчетной прогностической сплайн-функции имеется пик, соответствующий 17 августа 2009 года, когда произошла крупнейшая авария на Саяно-Шушенской ГЭС. Для удобства ниже представлена таблица, в которой указаны даты проявления условий, способствующих возникновению крупных аварий в электрических сетях. В таблице 17 августа помечено
жирным шрифтом, так как эта дата фигурировала и в предыдущих расчетах 2008 года (эта информация была доложена на 11-й Всероссийской научно-технической конференции «Безопасность критичных инфраструктур и территорий» в Екатеринбурге в декабре 2008 года и на научно-практической конференции («Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» в мае 2009 года).
С помощью системы прогностических функций были также получены спектры активизации эпидемии гриппа (рис. 12). На рисунке видно, что в 2009 году эпидемическая активность минимальна, но виден ее рост к 2010 г., и также наметился пик эпидемиологической активности в 2017—2018 годах.
Таблица 1 Расчетные даты проявления условий, способствующих возникновению крупных аварий в
электрических сетях Северного полушария в 2009 году (по данным на 30 марта 2009 г. без учета влияния текущего изменения гелиогеофизических факторов)
Год Месяц День
2008 Ноябрь 10, 14, 17, 19-20, 25, 28, 30
2008 Декабрь 2-3, 6-7, 10, 12, 14, 21, 25, 27, 29-30
2009 Январь 2-3, 6, 9, 10-11, 13, 17, 19, 24-25, 28, 31
2009 Февраль 2, 6-7, 9, 11, 14, 16,18, 21, 24, 26
2009 Март 2-3, 5, 9, 12, 19, 23, 26, 27, 28, 31
2009 Апрель 2-3, 7, 9, 11, 14, 16, 18-19, 22-23, 27
2009 Май 1, 3, 6, 9, 10, 13-14, 16-17, 21, 2324, 26, 29-30
2009 Июнь 2, 5, 7, 12-13, 15, 19-20, 22, 24, 28
2009 Июль 1, 4, 6, 8, 12, 14, 19, 21, 24, 27, 30
2009 Август 2, 4, 6, 10, 12-13, 17, 19-20, 22, 25-26, 28-29
2009 Сентябрь 1, 2-3, 5, 9, 10-11, 15-16, 17-18, 20, 24, 27, 30
2009 Октябрь 2, 4, 8, 10, 15, 17, 19-20, 23-24, 26, 29-30, 31
2009 Ноябрь 2, 6, 9, 13, 16, 18, 22, 25, 28, 30
2009 Декабрь 2, 6, 8, 13, 15, 18, 22, 24, 28, 30, 31
2010 Январь 4-5, 7, 12, 14, 17
В качестве примера использования прогностических функций и данных локального мониторинга на рис.13 показаны гелиогеофизические условия и график изменения атмосферного давления накануне землетрясения 17 августа 1999 г. магнитудой 7,5М в районе г. Измир в Турции по данным [9] и расчетная функция суточной активизации землетрясений. Аномальные падения атмосферного давления за 5,5, 4 и 3 суток до землетрясения, совпадающие с пиками прогностической функции активизации землетрясений, показывают «подготовку» условий для реализации землетрясения с большой маг-нитудой.
Рис.10. Система основных прогностических функций, используемых для вычисления времени активизации землетрясений. Расчёт сделан по данным на 1 мая 2007 г.: потенциальная функция активизации землетрясений 1роЦГ); циклическая функция активизации землетрясений 1с1к!(Г); активная функция землетрясений 1асЦГ); функция реализации землетрясений 1гва! (Г)
январь февраль март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь
— Расчетная функция возможных аварий в электросетях при изменении гелиогеофизических факторов - Расчетная функция возможных аварий в электросетях при изменении фаз Луны
— Расчетная функция возможных аварий в электросетях с учетом совместного влияния космических и гелиогеофизических факторов Сглаженная расчетная прогностическая функция с учетом совместного влияния космических и гелиогеофизических факторов
декабрь 2009 г
январь февраль март апрель май июнь июль август
— Расчетная функция возможных аварий в электросетях при изменении гелиогеофизических факторов - Расчетная функция возможных аварий в электросетях при изменении фаз Луны
— Расчетная функция возможных аварий в электросетях с учетом совместного влияния космических и гелиогеофизических факторов —' Сглаженная расчетная прогностическая функция с учетом совместного влияния космических и гелиогеофизических факторов
сентябрь октябрь ноябрь
декабрь 2009 г
Ю О
о <
сл а> о с
а> о
=7
=з о о
со <
<
о
м о о со
со
I
I
Рис. 11. Прогностические функции возникновения аварий в электросетях Северного полушария вследствие изменения космических и гелиогеофизических факторов в 2008-2009 г.г. (расчет сделан по гелиогеофизическим данным на 30 марта 2009 г.)
182 0 185 0 184 0 185 0 I86 0 1 87 0 1 880 1 890 1900 1910 1920
1920 193 0 1 94 0 1 9 50 I960 1970 I 960 1 99 0 2 000 2 010 2020
— расчетная функция активизации эпидемий по г елиоге о физическим и космическим факторам,
расчетам функция активизации эпидемий по изменению фаз Луны,
— расчетная функция активизации эпидемий при совместном учете гелиоге о физических и космических факторов,
— сглаженная прогностическая функция активизации эпидемий при совместном учете гелиогеофизических и космических факторов
Рис. 12. Эпидемическая активность в мире с 1820 по 2020 годы, связанная с влиянием гелиогеофизических и космических факторов
С помощью прогностических функций может быть выявлена аналогия различных катастрофических и опасных процессов и явлений, которые на первый взгляд не могут быть связаны. На рис. 14 показано наличие аналогий между сейсмическими процессами и смертностью населения в результате травм, ранений и хирургического вмешательства.
Заключение
Постановка задачи прогнозирования, анализ и проведенные исследования показывают возможность её решения с достаточной точностью. Предлагаемый подход может стать эффективным аналитическим инструментом решения прогностических задач практически любого вида, и уже был апробирован для определения численных закономерностей активизации сейсмически опасных процессов, авиакатастроф, аварий в системе
электроснабжения, последствий испытания ядерного оружия, кризисного состояния людей, испытавших психологические и боевые стрессы, активизации эпидемий.
Природные экстремальные и опасные явления — естественный процесс соблюдения баланса природной энергии, существования и развития экосистемы Земли. Эти естественные явления становятся катастрофами только при непродуманном соприкосновении человека с ними или нарушении их естественного хода. Мир взаимосвязан и ни одно катастрофическое событие, какого бы масштаба и где бы оно не произошло никого не оставит без последствия.
Данный подход может быть использован для прогнозирования условий возникновения катастроф сложных систем любой физической природы, в том числе синер-гетического характера и мега-катастроф и направлен на их предотвращение.
1,
0,5
О,
-0,5
-1,
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
солнечная актавность
----------1-я производная по ед. функции изменения солнечной активности
--2-я производная по ед. функции изменения солнечной активности
^• амплитуда колебания земной оси
----------1-я производная по ед. функции амплитуды колебания земнй оси
--1-я производная по ед. функции амплитуды колебания земнй оси
--активизация землетрясений под влиянием изменения фаз Луны
1, 0,5
Ро
Рис. 13. Связь изменения гелиогеофизических и космических условий, локального атмосферного давления и расчётной прогностической функции активизации землетрясений накануне землетрясения с магнитудой 7,5М в районе г. Измир в
Турции 17 сентября 1999 г.
янв февр март апрель май июнь июль август сент окт нояЬ дек
— статистика фатальных случаев в 2006 году 2006 Г.
— статистика землетрясений с магнитудой 5М и более в 2006 году
Рис. 14. Совмещение графиков расчетных прогностических функций возможной активизации фатальных случаев и активизации землетрясений с магнитудой 5м и более при учете гелиогеофизических условий на 2006 год
Литература
1. Байда С.Е. О некоторых подходах в прогнозировании времени и
места катастроф // Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций. V научно-практическая конференция. 15-16 ноября
2005 г Доклады и выступления. — М.: ООО «Рекламно-издательская фирма «МТП-инвест», 2006. — С. 295-305.
2. Bayda S.E. New principles of the short-term forecast of time and place of occurrence of mega-catastrophes. // Edited by Walter J. Amman, Jordahna Haig, Christine Huovien, Martina Stocker Proceedings of the International Disaster Reduction Conference, Davos, Switzerland august 27-September 1. Extended abstracts:
— Swiss Federal Research Institute WSL, Birmensdorf and Davos, Switzerland, 2006 — 62-65 p.
3. Байда С.Е. Исследование возможности создания системы гло-
бального предупреждения о времени повышения сейсмической активности и активизации авиационных происшествий. Сборник материалов XI-й научно-практической конференции «Актуальные проблемы гражданской защиты» 18-20 апреля
2006 г. — М.: ЦСИ, 2006. — С. 25.
4. FermiE., Pasta J., andUlam S. In: Collected Papers of E.Fermi, 1955,
v.2, p.978.
5. Байда С.Е. Влияние испытаний ядерного оружия на повышение
сейсмической активности. Сборник докладов XII-й научно-практической конференции по проблемам защиты населения и территорий от ЧС «Междисциплинарные исследования проблем обеспечения безопасности жизнедеятельности населения в современных условиях», 18-20 апреля 2007 г., Москва, 2007 г.,
— С.213-216.
6. Байда С.Е., Петросян Ф.К. Частотно-временные закономерности
фатальных случаев после травм и ранений, полученных в результате катастроф. Совершенствование гражданской обороны в Российской Федерации. Материалы IV Научно-практической конференции. 25 октября 2007 г; МЧС России. — М.: ДЭКС-ПРЕСС, 2007. — С. 113-119.
7. Svetlana Bayda (2008), "Interrelations of Changes of Space and Helio-Geophysical Factors and the Number of Victims after Catastrophic Earthquakes" Proceedings of the International Disaster Reduction Conference, Davos, Switzerland, August 25th — 29 th 2008. Extended abstracts, Global Risk Forum GRF, Davos, Davos, Switzerland, 2008, — pp. 92-95.
8. Байда С.Е. Аналогия закономерностей возникновения землетря-
сений и фатальных случаев после изменения космических и гелиогеофизических факторов. // Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций. VIII научно-практическая конференция. 8-10 октября 2008 г Сборник материалов.: МЧС России, Центр «Антистихия», — С. 13-15.
9. Нигметов Г.М. и др. Некоторые вопросы краткосрочного прогно-
зирования сейсмической опасности и риска. Сборник научно-технических трудов. 25 лет — от идей до технологий.: М.: ИИЦ ВНИИ ГОЧС, 2001 — С. 107-116.
Сведения об авторе
Байда Светлана Евгеньевна: ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), к.т.н., с.н.с., e-mail: [email protected].
