// Вие четете...

Стихийни бедствия

Прогнозиране на Цунами.

„Ако не бяха вълните, морето съвсем не би било страшно.“

Съвременните задачи на навигационно хидрографското и хидрометеорологично осигуряване на безопасността на мореплаването, усвояването на морските природни ресурси, другите стопански дейности на шелфа и крайбрежните територии предявяват все повече нарастващи изисквания към знанието на параметрите на физическите полета на океана и атмосферата, морското дъно, разработката на модели за отчитане на влиянието на природната среда на морските обекти, включвайки в това число, описанието и на особено опасните хидрометеорологични и геофизични явления.

В групата на такива явления влизат, в частност, катастрофичните вълни Цунами, един от основните способи за снижаване на последствията от които се явява повишаването на надеждността и предварителното оповестяване за тяхното възникване.

По този начин, актуалността за разработка на методически прийоми по използването на данните от наблюденията за параметрите на хидрофизичните и геофизичните полета в морската среда в интересите на прогнозиране на вълните цунами са непосредствено свързани с задачите за осигуряване на безопасността на жизнената дейност на човека, решаването на икономическите и отбранителните задачи на море.

Известно е, че подводните земетресения, огнищата които са разположени близо до повърхността на дъното и имат значителни размери по площ, предизвикват вертикални смествания на дънните породи, достатъчни за възникване на морската повърхност на вълни, предизвикващи при разпространението си в плитки води на катастрофични вълни Цунами. При подводни земетресения, покрай сеизмичните вълни в дънните породи, се възбуждат ниско честотни акустични колебания във водната маса, които се наблюдават и регистрират на значителни разстояния (от стотици до хиляди километри) от огнищата на земетресението. Хидроакустичните сигнали от подводните земетресения могат да се използват при прогнозиране на Цунами.

Но непосредственото използване на такива сигнали в качеството на преки предвестници на Цунами е усложнено от наличието на смущения, създавани шумове в морската среда (ШМС) от други източници. Във връзка с това възниква задачата за оценка на възможни способи за отделяне на подводните сеизмично акустични сигнали от фона на другите шумове.

За оценка на възможността за решаване на тази задача ще анализираме редица експериментални и теоретични изследвания за ШМС.

Към настоящия момент е приета следната класификация на ШМС:

– динамически, обусловени от приливно отливните движения на водните маси, ветровото вълнение, турбулентните потоци във водата и атмосферата, дъждовете, прибойните движения и т.п.;

– шум от морските съдове и крайбрежните технически съоръжения;

– сеизмически, към които покрай сигналите, предизвикани от тектоничните движения (земетресения), се отнасят също и сигналите, обусловени от вулканичната дейност и разпространението на Цунами;

– под ледови, обусловени от процесите на образуване и динамиката на ледената покривка, а също така и от взаимодействието на вятъра и подводните течения от неравностите на леда;

– топлинни.

На интензивността на смущенията, възникващи от ШМС, в общия случай влияят:

– хидрометеорологичните параметри (сила на вятъра, състояние на повърхността на морето, характеристиките на подводно звуковия канал (ПЗК);

– изменчивостта на параметрите на морската среда във времето (в частност наличието на ледена покривка);

– близостта на корабни маршрути до района на наблюдение;

– дълбочината на поставяне и техническите характеристики на измерителната апаратура (насоченост на датчиците, разрешаващата способност и т.н.).

Известно е, че интензивността на спектралните характеристики на сумарните шумове намаля с нарастване на честотата. Максималното значение на ШМС се регистрира в инфразвуковия диапазон (f~1-10 Хц) и може да достигната до 100-120 дБ. В плитководните райони шума обикновено е с 10-20 дБ по-силен, отколкото в дълбоководните.

В диапазона на ниските звукови честоти (от 10 до 300 Хц) преобладават относително кохерентни шумове от корабоплаването, интензивност която може да достигне 70 дБ и повече, при това участъка от спектъра с максимални сигнали може да се придвижи с увеличение на дълбочината (от честота f = 50-100 Хц за плитководни райони до f = 20-80 Хц – за дълбоководните).

За много по-високите честоти сумарната интензивност на ШМС се определя основно от скоростта на вятъра. В диапазона 1-10 кХц нивото на ШМС може значително да се увеличи (до 55дБ) за сметка на шумовете от интензивен дъжд.

Като цяло характеристиките на ШМС запазват своята стационарност за реализация с продължителност от 10-20 с до 3-5 минути.

Анализът на вертикалната изменчивост на ШМС показва, че за честоти по-малки от 200 Хц се наблюдава тенденция за повишаване на интензивността на 3-5 дБ близо до оста на подводно звуковия канал по сравнение с данните измерени близо до дъното, На много по-високите честоти тази зависимост може да се измени и обратно. В частност, при регистрация на сигналите на честота от 200 до 600 Хц в плитководно море (дълбочина до 120 м) близо до оста на ПЗК се наблюдава минимално значение на интензивността на ШМС.

Сумарните ШМС притежават анизотропна структура, както във вертикална, така и в хоризонтална плоскост. При измервания с насочени хидроакустични датчици вариациите на шумовете в азимутална плоскост се отбелязва повишено ниво на интензивността на акустичния сигнал с 4-5 дБ по направлението на отдалечаване (на разстояние по-голямо от 103 км) на щорма и района на интензивен корабен трафик. За полето на хидроакустичните източници, относително близки до точката на наблюдение (до 102 км), най-голяма интензивност се наблюдава от направление, перпендикулярно на разпространение на вълнението в морето.

По такъв начин, ШМС се регистрират в достатъчно широк честотен диапазон, в техния спектър могат да се наблюдават достатъчно продължителни сигнали от квазикохерентен характер.

За откриването на хидроакустични сигнали със сеизмичен произход е важно техните източници да са разположени в кората на океана, и при обикновени условия акустичните вълни, възбудени от тях, под всякакви ъгли на плъзгане трябва обезателно многократно да се отразяват от дъното и относително бързо да затихнат, тъй като прекия им „захват” от вълнопровода на ПЗК е малко вероятен.

В същото време е известно, че сеизмично акустичните сигнали в морето уверено се регистрират на разстояние по-големи от 1000 км от огнището на земетресението, което оказва на разпространението на тези сигнали в ПЗК без загуби на енергия в грунта. Такова явление е възможно само при наличие на физически механизми, осигуряващи „захват” на хидроакустичните вълни близо до мястото на тяхната генерация, след което те се разпространяват вече по вълноводен път.

Възможните механизми за такъв захват са свързани с такива явления, като:

– трансформация на сеизмичните вълни в акустични на протяжен островен склон;

– разсейването на акустичните вълни от развълнуваната повърхност;

– разсейването на акустичните вълни от случайна обемна не еднородност на водната маса и др.

Най-разпространени източници на сеизмични шумове се явяват сеизмичните колебания с малка амплитуда, които заемат в основния спектър от честоти от 0,1 до 25-30 Хц. Близо до епицентъра на земетресението (на разстояние до 15-20 км) основната честота на сигналите лежи в диапазона от 20 до 30 Хц, намаляваща до 7-10 Хц с отдалечаване до 100-150 км. Сигналите от сеизмичен произход могат да се регистрират и на много по-високи честоти (50-80 Хц и по-високи). В общия случай величината на амплитудата на налягането на сеизмично акустичните сигнали зависи от величината на предизвикващия сигнал вертикално сместване на дъното, определяно от скоростта на сместване и продължителността на импулса на сеизмичния тласък; вълновото съпротивление на водата, което се определя от произведението на плътността на водата и скоростта на звука; ъгълът на пречупване на акустичната вълна, произлизащи от дъното и предаващи се на водата, а също така и от отдалечението по хоризонта на наблюдението от дъното.

В качеството на модел на източник на сеизмично акустични вълни е приет вертикално движещ се кръгов участък от дъното (с радиус от около 1 км) със скорост νо = 1 м/с за време τо = 0,1 сек. Разчетите са показали, че в този случай на разстояние от порядъка от 1000 км от епицентъра сигналът с честота 105 Хц може да достигне на хоризонта на наблюдение z = 100 м величина от 93 дБ, което незначително превишава средното ниво на шумовете от други източници в този диапазон.

За оценка на възможностите за уверено откриване на сигналите със сеизмичен произход на фона на другите ШМС ще разгледаме механизма на взаимодействие на звуковите вълни във водната среда.

Интензивните звукови вълни във водата вследствие на нелинейните ефекти взаимодействат между себе си. В обикновени условия явлението вълнова дисперсия на практика отсъства, и вълните с близка честота в квадратично приближение ефективно взаимодействат само при колинеарно разпространение, когато се изпълняват условията за синхронност. Но при взаимодействие на вълни, силно различаващи се по честота, например, ако интензивен високочестотен звуков сноп се разпространява в среда, смущаван от ниско честотни вълни (например, от сеизмичен произход), възможен е ефект на модулация на високо честотния сноп, със степен която ще зависи от величината на нелинейния параметър на водната среда и ъгъла между векторите на разпространение на вълните. При това е възможно взаимодействие на комбинационни тонове с високочестотната вълна, водеща към генериране на разсейваща вълна, разпространяваща се в направлението на ниско честотната вълна.

По такъв начин, доколкото силните сеизмични възмущения обикновено локализирани във времето и пространството, тогава се появява възможност за откриване на комбинирани сигнали, свързани със сеизмична активност по модулационни характеристики на по високочестотните акустични шумове в морето.

В резултат на анализа на уравнението за амплитудата на разсеяната вълна е открито, че тази амплитуда нараства с увеличаването на радиуса на снопа на вълновия пакет и дължината на областта на взаимодействие на вълните (дължината на пакета), а също така и от параметъра за не линейност на средата, например, при повишено съдържание на газов компонент във водата.

По такъв начин, амплитудата на разсеяната вълна се определя от взаимодействието на първичните вълни на дължината на пакета, а нейната честота зависи от взаимната ориентация на вълновите вектори на разсеяната вълна и вълновия пакет. Последното обстоятелство открива възможност за определяне на пристигането на акустичната вълна от сеизмичен произход по величината на изменение на честотата на разсеяното излъчване.

В аспекта на апаратурна реализация на разгледаните ефекти интерес представлява възможността за регистрация на ниско честотните вълни от напомпването. Ще отбележим, че макар и при колинеарно разпространение на изследваната вълна и вълните на напомпване интензивността на разсеяната вълна в обикновени условия не е голямо, дадения ефект успешно се реализира при създаването на параметрични приемници на звука и устройства за диагностика на нелинейния параметър на средата.

В заключение може да се дадат следните методични препоръки по използването на разгледаните ефекти в системата за предупреждение за възникването на катастрофични вълни Цунами.

При разполагане на хидроакустичните приемници близо до зоната (на незначително отдалечаване от огнището на земетресението) е целесъобразно да се проведе анализ на ниско честотните съставляващи на разсеяния сигнал, тъй като ъгълът между направленията на разпространение на взаимодействащите си вълни, който е голям, а в качеството на опорни квазихармонични високо честотни сигнали могат да се използват, например, шума от корабоплаването, притежаващ насоченост в хоризонтална плоскост.

В далечната зона, когато сеизмично акустичните вълни се разпространяват в ПЗК, е възможно тяхното взаимодействие с шумовете от други източници по колинарен тип, и следователно, момента на тяхното появяване и направлението от прииждане могат да бъдат определени по пътя на тясно полосната филтрация и спектралния анализ на вълните на комбинационни честоти.

И в двата случая надеждността за регистрация на ниско честотни сигнали със сеизмичен произход, а следователно, и от оперативността на оповестяване за възможност за възникване на Цунами, може да бъде значително повишена при използване в измерителните системи на допълнителни източници на високо честотни сигнали за акустично напомпване.

При това е възможно значително увеличение на наблюдавания сигнал при нарастване на не линейността на водната среда. Такъв ефект може да се наблюдава, например, близо до тектонични разломи при повишаване на съдържанието във водната среда на газове, отделящи се в резултат на сеизмична активност, предшестваща земетресение.

Коментари

Все още няма коментари

Публикувай коментар