Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса. обоснование цели и задач исследования .
Раздел 1.1. Возникновение и развитие методов наблюдения за инфразвуком 10
Раздел 1.2 Механизм дальнего распространения инфразвуковых волн в атмосфере 17
Раздел 1.3. Современные инфразвуковые станции наблюдения 23
ГЛАВА 2. Интегрированный аппаратно-программный сейсмоинфразвуковой комплекс «апатиты»
Раздел 2.1. Климато-метеорологические и географические условия в районе расположения СИЗК «Апатиты» 31
Раздел 2.2. Структурная схема сейсмоинфразвукового комплекса «Апатиты» 3 8
Раздел 2.3. Программный комплекс Event Lokator (EL), для сбора, накопления, обработки, архивирования и хранения данных 43
Раздел 2.4. Экспериментальные исследования по выбору оптимальной конструкции пространственного инфраакустического фильтра (ТТИАФ) , 52
ГЛАВА 3. Результаты наблюдений с использованием сейсмоинфразвукового комплекса «апатиты»
Раздел 3.1. Регистрация наземных взрывов 65
Раздел 3.2. Инфразвуковые сигналы, вызываемые другими источниками возбуждения 74
Раздел 3.3. Регистрация микробаром 87
ГЛАВА 4. Анализ регистрируемых данных
Раздел 4.1. Общая характеристика регистрируемых данных 91
Раздел 4.2. Использование инфразвукового метода для зондирования атмосферы 96
Раздел 4.3. Оценка затухания инфразвуковой волны по амплитуде микробаром 102
Раздел 4.4. Применение инфразвукового и сейсмического методов наблюдений для обнаружения температурных инверсий в нижней атмосфере 103
Заключение 107
Список использованных источников 109
- Механизм дальнего распространения инфразвуковых волн в атмосфере
- Структурная схема сейсмоинфразвукового комплекса «Апатиты»
- Инфразвуковые сигналы, вызываемые другими источниками возбуждения
- Оценка затухания инфразвуковой волны по амплитуде микробаром
Введение к работе
Актуальность проблемы. «Исследования динамических процессов, изучение энергетических потоков во внешних геосферах и потоков механической энергии во внутренних геосферах, процессов перераспределения энергии и причинно-следственных связей в системе взаимодействующих геосфер, а также самих источников возмущений являются задачами важного научного и практического значения» (В.ВАдушкин, Ю.КЩукин, 1999). Активная техногенная деятельность человечества вызывает мощные потоки энергии в геофизической среде, в частности в приповерхностной зоне земной коры и нижних слоях атмосферы (тропосфера и стратосфера). Такие потоки могут спровоцировать нарушение геодинамического равновесия в зонах промышленного освоения недр или в местах расположения инженерно-технических сооружений и систем повышенной опасности. В связи с этим возникает потребность в формировании региональных и глобальных систем геомониторинга, составной частью которых являются средства инструментального детектирования и лоцирования сеисмогенных явлений естественного и искусственного происхождения. Совместный интегральный анализ сейсмических и инфразвуковых данных дает возможность осуществлять верификацию источника возбуждения энергии и производить его локацию с оценкой масштабов энерговыделения. Комплексирование сейсмического и инфразвукового методов регистрации волновых полей позволяет достоверно разделить наземные и подземные взрывы, а также отличить события, происходящие в литосфере и гидросфере, от различных ударно-взрывных и геофизических возмущений, вызывающих генерацию инфразвуковых волн в нижних и верхних слоях атмосферы. Работоспособность интегрированных комплексов в условиях высоких широт была продемонстрирована совместными исследованиями ИФА РАН, ПГИ и ПИ КНЦ РАН в 80 - 90-е годы. Вместе с тем эти пионерные работы выявили ряд ограничений и проблем, преодоление которых потребовало поиска новых технических решений.
Исходя из вышеизложенного, с 1996 г. в Кольском региональном сейсмологическом центре Геофизической службы РАН (КРСЦ ГС РАН) начаты работы по дополнению существующей короткопериодной сейсмической группы «Апатиты», состоящей из 9 сейсмометров для измерения вертикальной составляющей Sz и трехкомпонентной сейсмической станции, аппаратурой, обеспечивающей регистрацию инфразвуковых волн на частотах ниже 10 Гц.
Цель исследования заключалась в разработке методов верификации и локации источников возбуждения сейсмических и инфразвуковых колебаний для выявления диагностических критериев надежного детектирования наземных взрывов на удалении до 300 км.
СПетерї рг /О ОЭ 280 4*т6
Основная идеяработы состоит в комплексном использовании сейсмического и инфразвукового методов наблюдений для повышения точности локации и верификации источников возбуждения сейсмических и инфразвуковых колебаний.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели автором были решены следующие задачи:
разработка оптимальной конструкции инфразвуковой части интегрированного сейсмоинфразвукового комплекса (СИЗК) «Апатиты» для уверенной регистрации различных типов инфразвуковых сигналов в условиях Евро-Арктического региона, характеризующихся повышенным фоном шумов природного и техногенного происхождения; разработка оптимальной системы сбора, передачи, обработки и хранения регистрируемой информации;
классификация инфразвуковых сигналов, сопоставление их с сейсмическими данными и совместная их интерпретация; изучение особенностей распространения ИЗ сигналов в авроральной зоне Евро-Арктического региона при различных метеоусловиях;
развитие способов локации наземных взрывов по сигналам, зарегистрированным пространственно-распределенной группой сейсмических и акустических датчиков, выявление диагностических критериев для надежного детектирования наземных взрывов на удалении до 300 км от СИЗК.
Методика исследований. Поставленные задачи решались комплексным методом, включающим: анализ и обобщение научного опыта и технических достижений по проблеме исследований; теоретические расчеты и экспериментальные проверки конфигурации комплекса; методы цифровой обработки сигналов; теорию распространения волн в атмосфере; численные методы.
Фактический материал: в работе использована база данных КРСЦ ГС РАН, включающая в себя волновые формы, зарегистрированные сейсмической группой СИЗК «Апатиты» за период 1995-2004 годы и модернизированной инфразвуковой группой СИЗК «Апатиты» за период 1999-2004 годы; данные метеостанций Мончегорска и Кандалакши за период 2001-2003 годы; данные цифровой семиканальной метеостанции PROFI, входящей в состав СИЗК «Апатиты» за 2004 год; данные о местоположении, дате, времени и мощности химических взрывов, произведенных на рудниках Мурманской области, предоставленные горнодобывающими предприятиями ОАО «Апатит», ОАО «ОЛКОН», ОАО «Кольская ГМК» и ОАО «Ковдорский ГОК».
Научная новизна заключается в том, что:
на базе уже существующей короткопериодной сейсмической группы «Апатиты» КРСЦ ГС РАН впервые в Евро-Арктическом регионе был разработан и создан цифровой интегрированный сейсмоинфразвуковой комплекс, адаптированный к
местным природно-климатическим и географическим условиям, позволяющий уверенно регистрировать наземные и атмосферные взрьшы на расстоянии до 300 км;
посредством СИЗК «Апатиты» выявлены характеристические параметры основных источников возбуждения инфразвуковых волн в Евро-Арктическом регионе, позволяющие произвести классификацию этих источников;
непрерывный мониторинг и значительное количество источников возбуждения инфразвуковых волн позволили определить характер распространения ИЗ волн в различные сезоны года и времена суток и разработать рекомендации по использованию инфразвукового метода наблюдений для зондирования атмосферы в Евро-Арктическом регионе и его применению в региональных системах геоэкологического и геодинамического мониторинга и контроля природной среды.
Основные положения, выносимые на защиту, отражающие главные результаты диссертационной работы:
1. Применение пространственно-распределенных групп инфразвуковых и
сейсмических регистраторов (mini-array) позволяет в условиях Евро-Арктического
региона детектировать и лоцировать наземные взрьшы в радиусе от 1 до 300 км от
СИЗК (в зависимости от метеорологических условии), при этом специальная методика
фильтрации атмосферных помех обеспечивает надежное выделение инфразвуковых
сигналов, вызванных взрывами мощностью более 1 т тротилового эквивалента, даже
при высоком уровне шумового фона, характерного для высокоширотной области
атмосферы в периоды электромагнитных бурь.
2. Совместный анализ сейсмических и инфразвуковых сигналов, регистрируемых
СИЗК <Апатиты», обеспечивает надежное разделение наземных взрывов от
природных и техногенных землетрясений, от подземных и подводных взрывов, а
также от процессов ударно-взрывного характера в атмосфере.
Достоверность научных положений обеспечена:
использованием фундаментальных законов механики сплошных сред и акустики;
высокой надежностью верификации методики на основе многократной локации заведомо известных источников сейсмических и инфразвуковых колебаний, к которым относятся расположенные на расстоянии 40 - 220 км от СИЗК «Апатиты» рудники, производящие добычу открытым способом,
Практическая значимость: Актуальность решаемых в диссертационной работе задач определяется потребностями организаций, проводящих непрерывный мониторинг состояния окружающей среды, и предприятий горнодобывающей отрасли в надежных методах локации и диагностики событий, происходящих в литосфере и атмосфере. Применение интегрированных сейсмоакустических комплексов в системах комплексного мониторинга состояния природной среды и на геодинамических полигонах в горно-промышленных районах повышает надежность контроля за геодинамическим режимом территории, обеспечивая выявление и локализацию
наземных взрывов и обрушений скальных массивов, расположенных вне зон визуального наблюдения традиционными средствами. Интегрированные СИЗК типа «Апатиты» могут быть эффективно использованы для организации постоянного автоматического контроля соблюдения регламентируемых режимов в охранных зонах вокруг инженерно-технических сооружений повышенной опасности (в том числе подземных хранилищ РАО), обеспечивая обнаружение случаев и мест проведения несанкционированных наземных взрывов и предотвращая ложное срабатывание охранных систем на ударно-волновые процессы в атмосфере.
Апробация работы и публикации. Отдельные выводы и некоторые результаты работы представлялись и обсуждались на семинарах КРСЦ ГС РАН, школе-семинаре МНТЦ (Обнинск, 2002), на совместной ассамблее Европейского геофизического сообщества (EGS), Американского геофизического союза (AGU) и Европейского союза по геонаукам (EUG) (Nice, France, 2003), на XXVI международном семинаре «Физика авроралыгых явлений» (Апатиты, 2003), на международном совещании «Техногенная сейсмичность при горных работах: модели очагов, прогноз, профилактика» (Апатиты-Кировск, 2004). Полученные в ходе исследования результаты нашли свое отражение в проекте МНТЦ № 1341 «Исследование характеристик инфразвукового фона для оценки пороговой чувствительности инфразвукового метода контроля за проведением ядерных испытаний», в проекте № 1.5.8 Региональной научно-технической программы Мурманской области и проекте РФФИ №03-06-96158-р2003Север_а «Комплексный анализ характеристик и усовершенствование модели распространения сейсмических волн в Баренцрегионе для решения проблем повышения эффективности контроля сейсмической опасности в районах расположения экологически опасных объектов, включая ядерные». По теме диссертации опубликовано 9 статей. Полученные результаты также отражены в 4 отчетах по НИР Кольского регионального сейсмологического центра ГС РАН и в отчетах по вышеперечисленным проектам.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 92 наименования.
Механизм дальнего распространения инфразвуковых волн в атмосфере
Прежде чем провести анализ современного состояния: исследований распространения инфразвука, необходимо отметить первопричину побудившую исследования; Важным стимулом данных исследований явилось обнаружение аномальных зон слышимости звука. Аномальными они были названы потому, что находились за пределами окружавших источник кольцеобразных зон молчания [51].
Одними из первых систематических исследований были работы, начатые в начале века в Японии [77,78]. В этих работах изучалось распространение звука от извержений вулканов, ив качестве источников информации использовались показания от наблюдателей. Было обнаружено, что аномальные зоны слышимости имеют очаговый характер, с сильно вытянутой геометрией в определенном направлении. На основании этого было сделано предположение о существовании в верхней атмосфере сильных ветровых потоков, приводящих к образованию зон молчания и слышимости, наблюдаемых размеров и форм. Очень интересны сведения о регистрации в одном и том же пункте одного- трех приходов звука от извержений вулканов, которые можно было бы интерпретировать согласно [48], как акустические сигналы, отраженные от различных высот атмосферы.
В работе [35], выполненной в начале 30-х годов, описаны эксперименты по обнаружению звука от взрывов в Германии. Пункты регистрации были расположены вдоль линии источник - приемник симметрично относительно точки взрыва на удалении 500 км. Данные сравнивались с результатами: аэрологического зондирования атмосферы до высот 10 км, а также использовалась информация от наблюдателей на большой территории. Было получено, что при наличии приземной инверсии и сильного попутного ветра, наблюдается прохождение звуком расстояний до 500 км. При отсутствии этих условий первая зона слышимости имела радиус около 50 км, а зона аномальной слышимости располагалась между 150 и 300 км. Такое распространение звука и кольцеобразная форма зон слышимости объяснялась существованием в стратосфере областей увеличения температуры.
Важным этапом исследований распространения звука являются работы, проводившиеся в полярных широтах на Новой Земле и Земле Франца -Иосифа в 30-х годах. Источники и приемники располагались на расстоянии от 174 км до 957 км. Было произведено около 30 взрывов, в различные сезоны года. Основной вывод, который делают авторы на основе полученных материалов, является заключение о существовании в полярной стратосфере областей с увеличенной температурой. Позже, анализ этих результатов в обзоре [48] показывает, что небольшие скорости прихода звука можно отождествить с его прохождением до высот нижней термосферы, а различие скоростей прихода звука с противоположных направлений относительно источника объясняется наличием западно-восточного переноса зимой и восточно-западного летом на стратосферных участках лучевых траекторий.
В 50-х годах исследования распространения звука в атмосфере возобновились. Наиболее полно результаты этих исследований отражены в работах [80]. Здесь сообщается о результатах экспериментов, в которых источники и приемники располагались внутри большой пространственной области. Это дало возможность подробно исследовать области акустической тени и слышимости. Для значений фазовой скорости (скорости следа звуковых лучей) получались величины 345-380 м/с, что характерно при отражении от верхней стратосферы и термосферы. Было подтверждено также наличие зон молчания в направлениях, противоположных направлениям преобладающего ветра на стратосферных высотах. Одним из основных достижений этих работ является использование полученных результатов для построения моделей стратификации поля ветра на стратосферных высотах.
В 70-80-е годы активные исследования дальнего распространения инфразвука от импульсных источников предприняты в ИФА РАН. В работе [23] сообщается о регистрации инфразвука от взрывов с эквивалентом 20 кг. Пункт наблюдения располагался на расстоянии 124 км в направлении преобладающего стратосферного ветра. Было реализовано 3 серии из 4-х взрывов с интервалом в 1 сутки. Основной вывод, который делают авторы, заключается в том, что характер сигнала, отраженного от стратосферных высот, определяется тонкой структурой атмосферных слоев с вертикальным масштабом несколько десятков метров. Тонкая структура атмосферных слоев оказывается стабильной в течении 3-х суток.
С увеличением энергии взрывов становится возможным прохождение акустической энергии до высот термосферы. В работе [24] приводятся результаты регистрации инфразвука от взрывов с энергией 20-70 тонн ТНТ на расстоянии 310 км в меридиональном направлении от источников в различное время года. Четко видна сложная структура акустических сигналов. Наблюдаются отдельные пакеты инфразвуковых сигналов, соответствующих распространению в приземном слое, а также отражениям от стратосферы, мезосферы и термо сферы. Выделение отдельных пакетов осуществляется по времени. задержки прихода сигнала относительно момента взрыва.. Примечательно, что амплитуды стратосферных и мезосферных сигналов для января существенно превышают соответствующие амплитуды в другие месяцы. По утверждению авторов это означает, что в зимних условиях возможно частичное отражение инфразвуковых волн на неоднородностях эффективной скорости звука.. Оценки, полученные в [24] на основании теории [49], дают значения dc/dz равные 50 (м/с)/км. Такие значения dc/dz наблюдаются только в приземном слое атмосферы. Интересен; тот факт, что длительность отраженных стратосферных сигналов существенно превышает длительность мезосферных сигналов, В работе [24] делается важное предположение о том, что область со значительным градиентом эффективной скорости звука заполняет всю стратосферу, в то время как в мезосфере существует изолированный слой с подобными параметрами.
Как видно, наблюдения с использованием импульсных источников инфразвука искусственного происхождения имеют большое значение для развития исследований структуры и динамики верхней атмосферы. Не меньшее значение для понимания происходящих в верхней атмосфере процессов имеют и источники инфразвука естественного происхождения, как например микробаромы, речь о которых пойдет ниже.
Микробаромы, как тип инфразвукового излучения в атмосфере впервые были обнаружены в 1939 г. Гутенбергом и Бениофом [65,79] в ходе исследования причины возбуждения микросейсм с периодом 4-1 Ос. Они сделали вывод, что наблюдаемые колебания, представляющие звуковые волны квазисинусоидальной формы с периодом от 0,5 до 5 с и очень малой амплитудой, связаны с высокими океанскими волнами.
Более поздние наблюдения микробаром в Фрайбурге (Швейцария) показали, что амплитуды микро баром коррелируют с высотой волн на севере Атлантики и в азимутах прихода присутствуют два выделенных направления: северо-западное и юго-восточное. Было установлено, также, что микробаромы имеют суточную вариацию с максимальной амплитудой в ночное время и сезонную с максимумом зимой. Л.Заксер [90], анализируя эти данные, объяснил это явление температурной стратификацией ветровых потоков, существующих в нижнем 50-ти километровом слое атмосферы.
Измерения микробаром в Палисэйдсе (США, штат Нью-Йорк) показали идентичность спектров микробаром и микросейсм [72,74], причем, наблюдаемые микробаромы и микросеисмы имели характер биений. Измеренные азимуты прихода микробаром указывали на области-пониженного давления (циклоны) в Атлантическом и Тихом океанах. Выяснилось, что микробаромы и микросеисмы генерируются единой океанской системой вода — дно и вода - атмосфера одним и тем же механизмом в большой штормовой зоне. Донн с сотрудниками обнаружили также полусуточную вариацию амплитуды микробаром. Оказалось, что эта вариация вызвана изменяющимся направлением полусуточных приливных ветров на высотах. более 100 км [74]. Учитывая, что структура ветров на высоте 100-120 км хорошо объясняет полусуточные вариации микробаром в зимний период, если микробаромы приходят с востока, Донн с сотрудниками пришли к выводу о том, что знание связи между амплитудой микробаром и структурой ветра в области их отражения позволит осуществить непрерывный контроль за состоянием верхней атмосферы по наблюдениям микробаром. В летний период, поскольку в атмосфере существуют сильные ветры с востока, отражение происходит на высотах 45-60 км
Структурная схема сейсмоинфразвукового комплекса «Апатиты»
Использование сейсмических и инфразвуковых групп, т.е., наборов однотипных датчиков, расположенных на близких расстояниях друг от друга, позволяет рассчитывать направление на событие и кажущуюся скорость прихода волны на датчики в приближении плоской волны. В системе EL реализованы два известных подхода. Первый из них -"beamforming", т.е., суммирование записей по разным датчикам со сдвигами, соответствующими определенным значениям направления и скорости и максимизация амплитуды суммы. Система вычисляет азимут приходящей плоской волны и ее кажущуюся скорость для указанного пользователем фрагмента записи сейсмической или инфразвуковой группы.
Второй подход - расчет корреляций между каналами сейсмической группы в зависимости от предполагаемых углов подхода волн и кажущихся скоростей. Пусть і j - индексы датчиков, F;(tk), Fj(tjt) - отсчеты на этих датчиках в моменты времени t . Обозначим как At,j(a,V) разницу во времени между приходами на датчики і и j плоской волны с направления а со скоростью V. Взяв некоторый временной интервал [to,ti] можно построить функцию где корреляции считаются для отсчетов в интервале [to,ti]. Если на протяжении этого интервала датчиками регистрировалась плоская волна, то ее азимут и скорость соответствуют максимуму функции С. Поэтому метод в такой модификации используется при расчете азимута на коротком временном интервале непосредственно во время вступления определенной волны.
By здесь - нормировка. Исходя из факта, что чем ближе друг другу находятся датчики, тем сильнее корреляция помех на них, приходится выбирать By возрастающей с возрастанием расстояния между датчиками, или просто само это расстояние.
Для длинного участка записи, если предположить, что на нем зарегистрировано одно сейсмическое событие, но несколько волн с разными скоростями, используется другой вариант метода. Введем функцию:
Акустический детектор - программа ACD_AUTO, определяющая моменты прихода плоских волн на группу микробарографов. Работает на том же компьютере, который принимает данные. Детектор постоянно проверяет, не появился ли в компьютере новый CSS-файл, и если да - обрабатывает его и заносит Б список уже обработанных файлов. Если обнаружена волна, выделяет соответствующий ей фрагмент записи в отдельный CSS-файл для: ручного контроля и заносит сопутствующую информацию в базу данных (азимут, угол подхода, отношение сигнал-шум, уровень когерентности).
Ниже рассматривается принцип работы детектора.
Пусть Fs; - i-ый отсчет на записи, сделанной на s-том датчике инфразвуковой группы, s=l +NAaT4BK0B, i=l +NOT04eroB, шаг по времени между отсчетами h. Пусть последовательность отсчетов Fs получена из исходных замеров с помощью полосовой фильтрации.
Рассмотрим плоскую волну, приходящую на датчики с азимута а и с углом JJ к дневной поверхности (далее будем называть этот угол «углом тангажа»). Задержки времен приходов волны на датчики Maj = 2 Mj+(j-l) NycpeAH І Rj = Aa/Ma ,
Отношение Rj имеет смысл когерентности между записями на разных датчиках. Можно использовать Rj (его высокие значения, скажем, больше 0,8) для детектирования. Однако проверка на зарегистрированных инфразвуковых данных показала, что записи на разных датчиках слегка отличаются (до 1.5 раз) и что эти различия не постоянны, а зависят от направления подхода волны (мы предполагаем, из-за того, что датчики расположены вокруг вершины холма).
Эти факторы уменьшают отношение Rj. Если мы возьмем меньшее значение для порога детектирования, тем самым существенно увеличим количество ложных срабатываний.
Чтобы избежать этого, используется следующий подход: рассчитываются так называемые «нормализованные» записи, то єсть записи, нормированные на собственные средние в скользящем окне, а затем вычисляем отношение для таких записей F , как описано выше (обозначим его Rj) и используем его для детектирования.
Когда этот подход был проверен, обнаружилось, что, хотя трудности с разницей амплитуд были устранены, появился новый источник ложных срабатываний. Они часто случаются, когда участки записей с очень разной амплитудой (очевидный шум) оказываются сильно когерентными после такой нормализации.
В результате используются оба отношения - полученные по исходным записям Rj и по нормализованным записям Rj. Выбирается меньший порог срабатывания для исходного отношения (скажем, 0.5-0.6), чтобы быть уверенными, что амплитуды записей на разных датчиках достаточно близки друг к другу, и больший порог для: «нормализованного» отношения (0.75-0.8), чтобы быть уверенным в высокой когерентности участков записей.
Третьим параметром, используемым для детектирования, является отношение сигнал-шум. Оно рассчитывается для среднего «пучка» Aaj. Этот «пучок» представляет собой набор положительных чисел, большая часть которых является преобразованной записью шума, и только маленькая часть отсчетов принадлежит сигналу (Рис.10).
Инфразвуковые сигналы, вызываемые другими источниками возбуждения
В этом разделе рассмотрены вопросы, связанные с регистрацией инфразвуковых сигналов, вызываемых магнитосферными бурями и суббурями в верхних слоях атмосферы в полярных широтах. Известно, что во время сверхзвукового движения полярных сияний, вызванных магнитосферными суббурями в ионосфере, происходит интенсивное излучение инфразвука, который может проявляться на поверхности Земли в виде инфразвуковых волн. Обычно эти волны проявляются в виде импульсов длительностью до 10 секунд, повторяющихся в течение 30-40 минут с периодичностью 3-4 минуты. Скорость следа импульсов может достигать 500 м/с, а азимут прихода постоянно изменяется, что свидетельствует о смещении дуги сияния и может быть, использовано для определения направления движения и оценки скорости движения дуги. Кроме того, наблюдается высокочастотная составляющая, имеющая период около 0,5-1 секунды и длительность достигающую 1,5 суток. Амплитуда этой составляющей не превышает ОД Па, поэтому для регистрации этих сигналов необходимо практически полное отсутствие ветра. Совместные наблюдения фотометрическим и инфразвуковым методами, проведенные с Полярным геофизическим институтом РАН, показали, что при регистрации этого типа сигналов одновременно регистрировались и северные сияния, причем амплитуда высокочастотной части спектра напрямую зависела от интенсивности свечения сияния.
Микробаромы - устойчиво повторяющиеся в течение длительного промежутка времени, квазисинусоидальные волны, имеющие период от 3 до 6 секунд, с амплитудой от долей до единиц Паскаля (Рис.29,30). Спектральный анализ микробаром и микросейсм показал их прямую зависимость - характерная частота микробаром примерно в 2 раза выше частоты максимума спектра океанских, волн. Механизм образования микробаром сейчас хорошо изучен и связан с образованием стоячих волн на границе «поверхность океана - тыловая часть циклона». В рамках проводимых исследований, микробаромы являются помехой, затрудняющей идентификацию сигналов близких по частоте и направлению прихода (дальние взрывы большой мощности, болиды), но устойчивость их появления; в течение длительного времени и значительные расстояния до источника возбуждения являются объективным основанием использования микробаром в целях мониторинга динамического режима верхней стратосферы.
Основными источниками микробаром, регистрируемыми СИЗК «Апатиты» являются: циклоны, возникающие в Атлантике, Северной Атлантике, Ледовитом океане (Рис.31). Отмечены единичные случаи прихода микробаром с восточного направления, прошедших более 6.000 км от источника возбуждения в Тихом океане.
При распространении микробаром значительную роль играет температурная и ветровая стратификация. Т.к. температура (Т) является функцией высоты (Н), то скорость звука (Со) будет меняться с высотой по закону:
Отсюда видно, что в случае отрицательного градиента температуры (Т падает с высотой) звуковой луч отклоняется вверх, и наоборот, в случае положительного градиента - вниз. Если в атмосфере существует горизонтальный ветер в направлении оси X, т.е. сила ветра есть функция высоты V=V(H), тогда эффективная скорость звука на высоте Н будет: то при нарастании ветра с высотой луч отклоняется к земле, а луч, идущий против ветра - отклоняется вверх. Этот известный механизм формирования в атмосфере акустического волновода [18], объясняющий сверхдальнее распространение инфразвука, хорошо согласуется с данными наблюдений микробаром на СИЗК «Апатиты».
В главе 4, автор, производя анализ зарегистрированных данных, попробует оценить интенсивность затухания инфразвука в волноводном канале, именно на основании регистрации микробаром. Рис.3 J. Основные азимуты прихода микробаром.
На основании данных, приведенных в главе 3 следует, что, с помощью СИЗК «Апатиты» можно уверенно регистрировать инфразвуковые сигналы, как взрывного, так и невзрывного происхождения, а применяемые программным комплексом EL алгоритмы обработки сигналов позволяют производить их сопоставление с сейсмическими сигналами и проводить совместную интерпретацию с целью выделения источника возбуждения.
Непрерывные наблюдения за распространением инфразвуковых колебаний в течение 5 лет позволили создать огромный банк данных, как по регистрации сигналов от наземных взрывов, так и по другим ИЗ сигналам импульсного и долговременного характера, относимыми автором к помехам.
Инфразвуковые колебания атмосферного давления, регистрируемые СИЗК«Апатиты», складываются из инфразвукового шума и инфразвуковых волн, обусловленных источниками природного и техногенного происхождения. Источники инфразвуковых колебаний можно разделить на две категории —длительного действия (шумовые и монохроматические) и импульсные (с относительно широким спектром).
Инфразвуковой шум, воспринимаемый отдельными микробарографами, характеризуется внезапными неустойчивыми изменениями. Причем эти изменения (иногда значительной амплитуды) обычно слабо коррелированны. Соответствующее нестационарное пространственное шумовое поле, в основном, является следствием взаимодействия турбулентных потоков воздушных масс (ветра) с элементами рельефа: земной поверхности, конвективных потоков, гравитационных и инфразвуковых волн от длительно действующих источников.
Флуктуации давления, генерируемые ветром, являются основной составляющей1 инфразвукового шума на всем частотном диапазоне инфразвукового мониторинга (0,02... 4 Гц). На уровень инфразвукового шума могут оказывать существенное влияние, помимо экстремальных погодных явлений (ураганы или торнадо-смерчи), также такие факторы, как воздушные потоки над ближайшими холмами, сдвиговые нестабильности струйных течений в атмосферном пограничном слое.
Оценка затухания инфразвуковой волны по амплитуде микробаром
Критерием надежности регистрируемых сигналов, являлась их регистрация всеми тремя датчиками комплекса с коэффициентом когерентности не менее 0.8. По фазовым сдвигам определялись азимут прихода и «кажущаяся» (фазовая) скорость падения волны. Точное время взрыва и координаты источника рассчитывались по сейсмическим данным, зарегистрированным сейсмостанциями Апатиты и Карашьок. Далее вычислялось время распространения инфразвуковой волны и групповая скорость распространения (отношение расстояние от источника ко времени распространения). Азимуты прихода всех отражений лежат в диапазоне 278-288 градусов (истинный азимут 284 градуса). Средние скорости распространения изменялись от 326 до 336 м/с для тропосферной фазы, от 300 до 305 м/с для стратосферной фазы и от 244 до 254 м/с для термосферной фазы. Кажущиеся скорости прихода изменялись от 340 до 360 для тропосферной фазы, от 357 до 365 м/с для стратосферной фазы и от 370 до 400 м/с для термосферной фазы. Данные по указанным приходам сведены в таблицу 2.
На рисунке 34 приведены сводные регистрограммы для всех 9 дней наблюдения, приведенные к одному времени То, являющимся моментом взрыва, и маркером соединены моменты прихода всех трех типов отражений. Даже по этому рисунку можно проследить за характером изменения высоты отражающих слоев. Сразу можно выделить, что стратосферный волновод подвержен гораздо меньшим изменениям по высоте, чем тропосферный и термосферный, т.к. времена прихода инфразвуковых сигналов, распространяющихся в стратосфере практически одинаковы для всех дней регистрации. В тоже время, распространение по стратосферному волноводу не всегда возможно, но почти всегда уровень стратосферного сигнала сравним с тропосферным. Следует отметить, что в те дни, когда стратосферный сигнал не регистрировался, не было и прохождения микробаром из Северной Атлантики, что, вероятно, свидетельствует о нарушении «проводимости» этого волновода [5]. Отсутствие тропосферного сигнала на 9 день, связано с резким изменением погодных условий.
Для построения условной модели расположения проводящих волноводов, приведенной на рисунке 35, были применены простейшие траекторные расчеты, учитывающие только угол падения инфразвуковоЙ волны. Из траекторных расчетов следует, что для страто-термосферных сигналов высоты отражений расположены в диапазоне 36-39 и 111-132 км. Автор не учитывал коэффициенты преломления на границах волноводов и возможные (достаточно существенные) попутные ветры в стратосфере. Вероятно поэтому, значения высот для стратосферного волновода могут быть несколько занижены. Для получения более точной модели стратификации атмосферы, необходимо комбинировать данные, получаемые инфразвуковоЙ станцией с данными о температуре и скорости ветра в стратосфере и мезосфере в разные сезоны года.
Таким образом, если мы принимаем микробаромы в районе СИЗК «Апатиты» амплитудой 0.1 - 0.15 Па, пришедшие с востока (т.е. преодолевшие расстояние порядка 6000 км), то это означает ослабление всего в 200 раз, т.е. менее чем 7 10" Дб/км.. Такое низкое затухание можно объяснить только распространением инфразвука в волноводе с очень малыми потерями. Действительно, распределение температуры в атмосфере таково, что имеется два явных минимума, образующих естественные звуковые волноводы (рис.35). Нижний волновод расположен на высоте стратопаузы, примерно 40-45 км. Верхний волновод на высоте около 100 км. Как видно эти данные неплохо согласуются с эмпирически построенной моделью Ni
Усредненная модель скорости звука в атмосфере (для средних широт), рассчитанная, как функция от температуры. 1 - для осенних месяцев, 2 - для зимних месяцев, 3 — для летних месяцев. Применение инфразвукового и сейсмического методов наблюдения для обнаружения температурных инверсий в нижней атмосфере. Обнаружение зон температурной инверсии в атмосфере (области повышения температуры с высотой) достаточно актуальная задача для целей экологического мониторинга природной среды. В районах проведения горных работ (особенно при производстве карьерного способа добычи) наличие зон температурной инверсии препятствует нормальной циркуляции воздушных потоков в карьере и следовательно увеличивает время проветривания открытых выработок. Для безопасного ведения работ в таких случаях необходимо увеличивать время проветривания выработок и проводить дополнительные контрольные измерения качества воздушной смеси. Расположение СИЗК «Апатиты» вблизи крупнейшего горнодобывающего предприятия Мурманской области ОАО «Апатит», производящего 6-8 промышленных взрывов в неделю в открытых выработках, позволяет производить контрольна наличием зон температурной инверсии в районе проведения взрывов по данным регистрации инфразвуковых сигналов.
ИЗ сигнал от взрыва на «Восточном» не регистрируется, хотя уровни сейсмического сигнала сравнимы. При наличии температурной инверсии звуковые лучи от взрыва на «Центральном» в соответствии с уравнением cos p = cos TJT(H)/T0 , полученным в главе 3, будут отклоняться вверх и не смогут быть зарегистрированы инфразвуков ой частью СИЖ «Апатиты». В то же время, звуковые лучи от взрыва на руднике «Восточный» должны поворачивать вниз, как бы отражаясь от инверсного слоя и, таким образом, некоторая часть звуковой энергии сможет достичь инфразвуковых датчиков, как бы «обогнув» гору, препятствующую прямому распространению сигнала.
В таблице 3 приведены данные по регистрации ИЗ сигналов от взрывов на рудниках «Центральный» и «Восточный» в январе 2003 года. Для анализа использованы дни, когда взрывы на обоих рудниках производились в один день. Данные по температуре получены на основании измерений метеостанций соответствующих рудников. В графе амплитуда отражены данные по приведенной амплитуде, рассчитанной как отношение измеренного сигнала к мощности произведенного взрыва в тоннах (данные о мощности взрывов предоставлены руководством ОАО «Апатит»).
Анализ данных, приведенных в таблице, уверенно свидетельствует, что при наличииL температурной инверсии в районе проведения взрывов, отсутствует инфразвуковой сигнал от взрыва на руднике «Центральный», расположенного в зоне прямой видимости, но значительно выше точки регистрации. В тоже время появляется инфразвуковой сигнал от взрыва на руднике «Восточный», находящегося в зоне «акустической тени» и не регистрируемого при нормальном состоянии атмосферы. Задержка в приходе инфразвуковой и сейсмической волны, позволяет оценить высоты поворота звукового луча. В зависимости от температурного градиента в зоне инверсии эти высоты находятся в диапазоне 0,8 — 2,2 км.
Отдельно следует рассмотреть результат регистрации 24.01.03. Видно, что хотя инверсии не наблюдается, ИЗ сигнал ни с рудника «Центральный», ни с рудника «Восточный» не зарегистрированы. В тоже время в районе 11.55 нами был зарегистрирован аномально высокий ИЗ сигнал от взрыва, произведенного на руднике г.Мончегорск, расположенного севернее СИЗК «Апатиты». Такой результат можно объяснить наличием ветрового слоя северо-восточного на высоте примерно 350-500 м от поверхности, препятствующего прохождению ИЗ волн с запада и способствующий повороту звуковых лучей к земле с восточного и северного направлений.
Таким образом можно заключить, что инфразвуковой метод наблюдения можно с успехом использовать как надежный индикатор обнаружения задерживающих слоев в атмосфере (температурная инверсия, ветровая стратификация) в процессе проведения взрывных работ в открытых горных выработках, для оперативного предупреждения производителей работ о необходимости дополнительного проветривания карьеров, после взрыва.
