CC BY
45
ПРИЕМНЫЕ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ СОВРЕМЕННЫХ СТАЦИОНАРНЫХ
ШУМОПЕЛЕНГАТОРНЫХ СТАНЦИЙ - МОЩНЫЙ ИНСТРУМЕНТ МОНИТОРИНГА ОКЕАНА
Я. С. Карлик (ФГУП ЦНИИ «Морфизприбор», г. Санкт-Петербург)
Несмотря на чрезвычайную актуальность, проблема краткосрочного прогноза цунамигенных землетрясений на сегодня остается нерешенной. Одной из причин такого положения дел является отсутствие необходимых эффективных измерительных инструментов для выявления прогностических признаков таких землетрясений. В настоящей работе дается краткое описание приемной гидроакустической антенны одной из современных стационарных шумопеленгаторных станций, которая, по мнению автора, может позволить приблизить решение проблемы краткосрочного прогноза цунамигенных землетрясений. Частотный диапазон описанной антенны позволяет осуществить мониторинг геоакустических полей, обусловленных сейсмоакустической эмиссией, которая возникает в процессе подготовки землетрясений задолго (до 15-20 суток) до их свершения.
Despite of an extreme urgency, the problem of a short forecast of earthquakes invoking(producing) tsunamis, remains unsolved nowadays. One of the causes of such position in businesses is the absence of necessary effective inspection tools for detection of prognostic tags of such earthquakes. In the present work the brief description of the take up hydroacoustic antenna of one of modern stationary echosounding servers is given which, in opinion of the writer, can allow to approximate solution of a problem of a short forecast of earthquakes invoking(producing) tsunamis.
The frequency range of the circumscribed antenna allows to realize monitoring geoaudio fields stipulated by seismicacoustic emission, which arises during preparation of earthquakes long before (till 15-20 of day) up to them свершения.
В науке и технике бывают случаи, когда появление новых приборов, предназначенных для измерения и наблюдения известных физических явлений, приводит к открытию качественно новых явлений природы и, как следствие, к существенному прогрессу в создании технических средств.
В 70-е годы под руководством автора в России была создана уникальная высокоэффективная низкочастотная гидроакустическая приемная стационарная антенная система (рис. 1), несколько экземпляров которой находятся в эксплуатации в районе Тихого океана вблизи берегов полуострова Камчатка.
Рис. 1. Антенная БГАС «Агам».
Основные габаритные характеристики антенны: высота -16,8 м; ширина - 4,1 м; длина - 102, 5 м; водоизмещение в рабочем положении - 1480 м3; глубина установки - до 350 м
Приемная антенна представляет собой двухрядную плоскую дискретную фазированную решетку площадью 750 м2. Антенна содержит 2 400 гидрофонов, размещенных в двух плоскостях, по 1 200 гидрофонов в каждой плоскости. Для уменьшения помех, принимаемых с тыльной стороны антенны, вместо традиционного экрана использован способ так называемого
«электрического» экранирования. На базе двухрядной решетки гидрофонов путем специального включения сигналов от двух рядов гидрофонов формируются характеристики направленности формы «кардиоиды», обеспечивающие малый уровень приема сигналов с тыльной стороны антенны. Конструктивно гидрофоны размещаются на специальной несущей конструкции (КМЧ), которая обеспечивает возможность буксировки антенны морем к месту установки, установку ее в заданное положение у дна моря, удержание антенны в рабочем положении с высокой точностью при воздействии течений со скоростью до двух узлов (рис. 2). Антенная система удерживается у дна с помощью двух якорей, весом по 65 тонн каждый. Информация, принимаемая гидрофонами, передается на береговой пост (БП) по специальным морским кабелям с сохранением амплитуднофазовых соотношений между сигналами, что позволяет на БП формировать веер остронаправленных характеристик в горизонтальной плоскости в секторе ±90°
от нормали к плоскости антенны. По американской классификации указанная антенна известна под именем «Claster lance» [1]. По своей значимости для науки и техники создание такой антенной системы в России можно поставить в один ряд с созданием в 1956 г. радиотелескопа с фазированной антенной решеткой в виде сектора цилиндра с радиусом 100 м и созданием в 1975 г. оптического телескопа с диаметром зеркала 6 м.
Многолетний опыт использования указанных гидроакустических приемных антенн показал их большие информативные возможности для проведения широкомасштабных экспериментальных исследований по большому спектру научных и прикладных проблем мониторинга океана.
В настоящее время в рамках федеральной целевой программы (ФЦП)
«Мировой океан» совместно с учеными Института океанологии им.
П.П. Ширшова РАН и Института прикладной физики РАН мы приступаем к созданию системы наблюдения и сбора гидроакустической информации, содержащей
прогностические параметры подводных землетрясений и волн цунами.
В качестве первого шага в этом направлении предполагается создать на базе одной из действующих стационарных гидроакустических систем ВМФ России в районе полуострова Камчатка экспериментальный комплексный пункт мониторинга землетрясений и волн цунами.
Известно, что подвижки земной коры, вызывающие землетрясения, сопровождаются так называемой сейсмоакустической эмиссией [2, 3]. Сейсмоакустические сигналы всегда
сопутствуют и, вероятно, предшествуют сейсмическим событиям. Дж. А. Эйби [4] приводит пример необычного поведения овец и крупного рогатого скота за 15 минут до землетрясения. Объясняет он это тем, что животные ощущают какие-то предваряющие землетрясения деформации земной поверхности, которые находятся за пределами восприятия человека. В классической японской литературе имеются сообщения о том, что местные жители слышали гул из-под земли за несколько дней перед землетрясением, а за несколько часов были слышны исходящие из недр звуки, подобные взрывам.
В Гарме в 1950 г. за два часа перед землетрясением наблюдались колебания поверхности земли в диапазоне частот до 500 Гц. Это дало основание профессору Т. Рикитаке заметить, что изучение колебаний в звуковом акустическом диапазоне частот может оказаться полезным для предсказания землетрясений [5].
Как известно, одной из основных причин возникновения катастрофических волн цунами являются подводные землетрясения, эпицентры которых залегают на относительно небольших глубинах под дном океанов. Сейсмическая активность, предшествующая таким землетрясениям, должна сопровождаться возбуждением в водной среде геоакустических полей, что создает определенные предпосылки для краткосрочного прогноза цунами генных землетрясений.
В этой связи большой интерес представляют результаты непрерывных скважинных геоакустических наблюдений в диапазоне частот от 3 Гц до 2 кГц, проводимых Институтом
Рис. 2. Схема буксировки антенны судном
вулканологии ДВО РАН с августа 2000 г. [2]. За период с 1 января 2001 г. по 31 мая 2002 г. в районе наблюдений произошло 19 землетрясений с магнитудой М > 5,0, с эпицентральными расстояниями до 480 км и глубиной очага до 580 км. Перед всеми землетрясениями, кроме двух, имевших глубину очага более 500 км, наблюдались значительные нарушения суточного хода уровня геоакустических шумов, причем изменения начинались за время, исчисляемое от 1 до 20 суток до землетрясения. Полученные результаты позволили ученым Института вулканологии ДВО РАН с января 2002 г. перейти к пробным краткосрочным прогнозам землетрясений в реальном масштабе времени.
Учитывая, что условия распространения геоакустических сигналов, обусловленных акустической эмиссией, в водной среде значительно благоприятней, чем в земной коре, можно ожидать более весомые результаты при приеме указанных сигналов гидроакустическими стационарными антеннами. Об этом свидетельствуют также результаты исследований тектоники земных слоев, проводившихся американскими учеными в 1993 г. с помощью известной гидроакустической системы SOSUS. Антенны системы SOSUS регистрировали на два порядка больше землетрясений, чем сейсмографы мировой стандартизированной сейсмографической сети.
Поскольку гидроакустические сигналы, создаваемые сейсмоколебаниями, регистрировались на выходе сформированных характеристик направленности, удалось существенно улучшить отношение сигнал/шум, а также локализовать источники землетрясений (эпицентры) при использовании нескольких разнесенных в пространстве антенн.
Учитывая, что эффективность российских приемных гидроакустических антенн существенно выше приемных антенн системы SOSUS, можно ожидать с их помощью более высоких результатов мониторинга цунами генных землетрясений.
Литература
1. Зарубежная печать о системах подводного наблюдения СССР. Jane’s Underwater Warfare Sistems, 1989-1990, р.147.
2. БеляковА.С. Методы сейсмоакустических наблюдений // Физика земли.- 1995.- № 8.- С. 8993.
3. Сейсмоакустика переходных зон / Гаврилов В.А., Морозова Ю.В., Зуев Ю.В., Шушпанов Г.А.. // Второй всероссийский симпозиум, Владивосток, 3-7 сентября 2001 г. Материалы докладов. -Владивосток, 2001. - С. 15-16.
4. Эйби Дж. А. Землетрясения.- М.: Недра, 1982.- 264 с.
5. Рикитаке Т. Предсказания землетрясений.- М.: Мир, 1979.- 388 с.
