Интереснейшие природные образования представляют собой базальтовые столбы. Однако до сих пор мне не попадались публикации, убедительно раскрывающие механизмы возникновения этих геологических объектов.

Поэтому я и решил изложить свою версию происхождения этих чудес природы. Возможно, понимание этого явления позволит более правильно интерпретировать и другие подобные природные образования, а также эволюцию земной поверхности.

Согласно распространенному сегодня представлению, базальтовые столбы образовались после отвердения изверженной базальтовой лавы в результате образования сети трещин вследствие термической усадки лавы (начиная с поверхности) при остывании больших однородных объемов лавы от температуры отвердения до температуры окружающей среды. При этом в результате разрастания термотрещин от быстрее остывшей поверхности к центральным зонам более горячей (но уже затвердевшей) лавы образовались регулярные массивы плотно прилегающих друг к другу столбчатых отдельностей правильной призматической формы, разделенных трещинами термического происхождения, направленных, в основном, перпендикулярно поверхности массива (по градиенту температуры во время остывания массива).

Но при таком механизме образования трещин совершенно необъяснимо, почему эти призмы не столько перпендикулярны к поверхности массива, сколько параллельны друг другу. И базальтовые отдельности представляют собой именно призмы даже на выпуклых боковых почти вертикальных поверхностях границ массивов (и часто параллельны этим поверхностям). Хотя, казалось бы, термотрещины, распространяясь перпендикулярно поверхности, должны были бы образовать на выпуклых краях лавового массива клинообразные (пирамидальные), а не призматические отдельности. Более того, термотрещины должны были бы разрастаться от поверхности лавового массива к его центру не только от верхней и боковой, но и от нижней поверхности. Причем размеры (диаметры) отдельностей, образованных трещинами, растущими от верхней и от нижней поверхностей массива, могут существенно различаться – на этих поверхностях различны скорости отвода тепла и другие параметры. Так что трещины между отдельностями, распространяясь независимо сверху и снизу, при стыковке где-то внутри массива никак не могли совпасть друг с другом. Поэтому где-то ближе к нижней поверхности массива базальтовых столбов (скорость отвода тепла вниз меньше) верхние и нижние базальтовые столбы должны были бы состыковаться на ломаной поверхности, разделяющей верхние и нижние столбы. Ведь диаметры столбов выше и ниже этой поверхности, вообще говоря, должны быть различны.

На практике же мы наблюдаем не клиновидные отдельности, перпендикулярные поверхности базальтового массива, а цельные параллельные (чаще всего вертикальные) столбы протяженностью от нижней поверхности до верхней. Без ломаных горизонтальных разделительных поверхностей.

Призмы столбчатых отдельностей в большинстве своем представляют собой правильные шестигранники. Но встречаются и неправильные (их шестиугольные сечения не являются правильными). А также другие многогранники (с числом граней от 3 до 8). Диаметр многогранников колеблется от 10 см до трех метров.

При ознакомлении с доступным материалом видим, что практически всегда столбы расположены вертикально, но иногда они подобны дровяной поленнице (горизонтальны или почти горизонтальны). Столбы, по большей части, прямые. Иногда они изогнуты согласованно друг с другом. Высота столбов колеблется от десятков сантиметров до сотен метров. Но как образовались эти отдельности почти правильной формы? Хорошо обоснованного ответа пока не было. Маловероятно (невероятно!), чтобы трещины в однородном объеме, ограниченном разнонаправленной поверхностью охлаждения при термической усадке отвердевшего лавового массива были такими регулярными (поскольку различаются условия на поверхности и не видно механизма согласования и регуляризации трещин). Тем более, что в природе встречаются регулярные базальтовые отдельности одинакового состава, но разных размеров. То есть, в соответствии с приведенным выше термотрещинным механизмом вместо высокого базальтового столба диаметром 3 метра мы должны были бы наблюдать в его объеме множество тонких столбиков, таких же в сечении, как и мелкие короткие столбики ( которые наблюдаются в той части этого же массива лавы, что имеет малые размеры по вертикали). Так должно было бы быть, поскольку развитие термотрещин при таком механизме начинается на поверхности и движется от поверхностей массива к его центральным зонам. А трещины, образующиеся на поверхности, еще не знают, какую глубину имеет массив в данном месте. И поэтому размеры ячеек сетки трещин (толщина столбов) должны быть всюду примерно одинаковыми независимо от толщины лавового слоя.

Попробуем предложить механизм образования столбчатых базальтовых отдельностей.

Хорошо известно, что в поле сил тяжести в больших объемах жидкого и газообразного вещества при наличии инверсной разности плотностей и температур (более высокая температура в более низких слоях) практически всегда неустойчивое инверсное равновесие с необходимостью нарушается и возникает конвекция. Она возникает и при передаче тепла из внутренних областей Солнца через его поверхность, и в глобальных тектонических процессах или просто при передаче тепла от дна кастрюли к поверхности воды в ней. По нашему мнению, конвективный перенос тепла играет решающую роль и в образовании базальтовых столбов. Посредством конвективного переноса тепло внутренних зон больших объемов жидкой лавы эффективно переносится к более холодной верхней поверхности. Так что температура лавы во всем слое конвекции уменьшается практически одновременно (в этом слое мал температурный градиент). В то же время в быстро образовавшейся на поверхности лавового массива твердой бесструктурной корке градиент температуры во много раз больше, т.е., твердая лавовая корка является неплохим теплоизолятором и препятствует слишком быстрому охлаждению лавового массива.

Образование базальтовых столбов (отдельностей в вулканической лаве) происходит в процессе отвердевания больших объемов остывающей жидкой лавы, подвергающейся в это время дифференциации вещества в ней вследствие конвекции в ходе остывания лавы. Дифференциация вещества начинается в еще совершенно жидкой лаве в результате возникновения и дальнейшего взаимного согласования тепловых конвекционных потоков в почти неподвижной остывающей лаве, образовавшей после извержения вулкана целые лавовые озера. Так что спонтанно возникшие конвекционные потоки за некоторое время (до отвердения лавы) взаимно согласуются в виде граничащих друг с другом конвекционных ячеек – почти правильных вертикальных шестигранников. Особенно в центральных зонах лавовых озер. Тогда как на краях этих озер отклонений от регулярности из-за влияния различных краевых неоднородностей гораздо больше. Согласование конвекционных потоков вследствие действия сил трения (вязкости) состоит в том, что на поверхностях соприкосновения (на границах конвекционных ячеек) потоки движутся в одном направлении, скажем, вниз.

В ходе медленного остывания сразу всей толщи лавового озера (медленного – потому что конвекционный слой накрыт мгновенно образовавшейся твердой поверхностной теплоизолирующей коркой; всей – благодаря конвективному выравниванию температуры по всей глубине слоя конвекции) происходит постепенное отвердевание различных веществ, составляющих лаву. Эта постепенность заключается в том, что отвердение различных составляющих лавовой смеси происходит не при какой-то одной определенной температуре (как это происходит с чистыми веществами; например, вода застывает и превращается в лед при температуре 0°C), а по мере остывания в достаточно широком интервале температур. Скажем, в интервале от 800°C до 600°C. Конкретные цифры не имеют существенного значения. Важно то, что температурный диапазон отвердения достаточно широк.

По поводу температур плавления и отвердения базальтовых лав нет надежных данных. Так, здесь приводится температура плавления базальта в 1500°C. В то же время, температура жидкой базальтовой лавы оценивается в 900°C ? 1100°C (ссылка). Здесь же, приводятся данные о температуре плавления некоторых составляющих лавы в 600°C ? 800°C. Но представляется несомненным, что температурный диапазон отвердения различных составляющих лавы широк.

Так что при постепенном остывании лавы более тугоплавкие вещества отвердевают раньше других. И это отвердение происходит в определенных местах согласованных конвекционных потоков – там, где температура несколько ниже. То есть, там, где конвекционный поток, отдав тепло и уменьшив свою температуру, опускается. Скажем, на стенках шестигранных тепловых конвекционных ячеек. Таким образом, вертикальные стенки ячеек (боковые поверхности базальтовых призм) уже отвердевают, а внутри призм еще некоторое время продолжается тепловая конвекция вплоть до полного отвердевания всех составляющих лавы. Иллюстрацией к этим словам может служить фотография вершин базальтовых столбов с просевшими центрами колонн, отвердевшими при остывании в последнюю очередь (фото). Глубину опускания лавы в центрах вершин базальтовых колонн по сравнению с их стенками (фото) можно было бы сопоставить с высотой колонн, коэффициентом температурного расширения и температурами начала и конца затвердевания лавы (при наличии необходимых исходных данных).

Так происходила дифференциация остывающей лавы по составу (по температурам плавления – отвердевания). Это различие составов и структуры базальта на стенках и в центре призматических столбов видно даже невооруженным взглядом на поперечном разрезе (сколе) любого базальтового столба. Для окончательного же подтверждения правильности предлагаемой гипотезы образования базальтовых столбов (или ее отвержения?) желательно и достаточно экспериментально определить различие температур отвердевания составов стенок и центральных (приосевых) зон базальтового столба. У меня возможностей такой экспериментальной проверки, к сожалению, нет.

После отвердения вещества конвекционных потоков – сформированных, но пока еще не проявленных трещинами базальтовых лавовых столбов (с различной микроструктурой и составом в центре и на стенках будущих отдельных столбов) – при достаточно высокой температуре (допустим, 600°C) начиналась заключительная фаза. Уже сформировавшиеся по структуре и составу, но еще не отделившиеся друг от друга столбы продолжали остывать до обычной температуры окружающей среды (около 0°C). При этом линейные размеры сечений уже твердых базальтовых столбов уменьшились в соответствии с коэффициентом температурного расширения базальта (примем его равным 0.00001/1°C согласно). Так что между базальтовыми столбами слегка уменьшившегося диаметра (в результате остывания уже твердых столбов от 600°C до 0°C) с неподвижно закрепленными верхом и низом (в прочном контакте с почти неизменными по размерам верхней и нижней коркой, уже имеющими более низкую температуру) на месте поверхностей пониженной прочности (зависящей от состава) образуются щели шириной приблизительно в 1/100 (точнее, 0.006) часть от диаметра столбов (если мы использовали правильные значения параметров). Поверхности пониженной прочности (превращающиеся в щели) совпадают с поверхностями затвердевших стенок конвекционных ячеек. И мы наблюдаем эти щели между базальтовыми столбами. Тогда как в быстро образовавшейся (без конвекции) сравнительно однородной базальтовой корке этих регулярных щелей (проходящих по образовавшимся неоднородностям) нет.

Дальнейшая эволюция базальтовых столбов определялась условиями, в которых они находились после отвердения. Массивы столбчатых отдельностей могли быть наклонены; частично или даже полностью разрушены.

А теперь обратимся к возможным вопросам.

А) почему различаются поперечные размеры столбов?

Б) как образуются искривленные базальтовые столбы?

В) как образуются горизонтальные столбы типа поленницы?

Все эти вопросы легко разрешаются в рамках нашей гипотезы.

А) поперечные размеры базальтовых столбов – остывших взаимно согласованных конвективных ячеек определяются вязкостью остывающей лавы (ее составом и температурой) и геометрическими размерами – в основном, глубиной лавового озера. Так, в больших объемах глубоких долго остывавших лавовых озер успевали образоваться конвекционные ячейки большого сечения. Поэтому и имеются в природе наряду с мелкими короткими столбиками базальтовые столбы огромной высоты и диаметра.

Б) обычно базальтовые столбы представляют собой массив прямых, параллельных, плотно упакованных, вертикально расположенных призм. Это означает, что при остывании лавового озера оно оставалось практически неподвижным. Однако неподвижность лавового озера в период его остывания от температуры отвердения самых тугоплавких составляющих лавы до ее полного отвердения могла быть нарушена. Например, неподвижная до того лава начинала двигаться либо в результате прорыва твердого берега лавового озера (дамбы из быстро отвердевшей лавовой корки), либо в результате попадания в озеро новой порции лавы, либо еще по какой-то причине. Поэтому слои лавового озера с уже установившимися в них строго вертикальными конвекционными потоками могли так или иначе сместиться. Так что медленные вязкие тепловые конвекционные потоки с уже произошедшей дифференциацией вещества по составу и по структуре могли оказаться уже не строго вертикальными, а достаточно причудливо изогнутыми. И если они отвердевали в таком положении при остывании, то мы и наблюдаем через миллионы лет изогнутые базальтовые столбы – застывшие конвекционные потоки.

В) что касается горизонтальных базальтовых столбов в «поленницах», то они могли образоваться несколькими способами. Но образование горизонтальных столбов менее вероятно, чем образование вертикальных столбов. Поэтому и встречаются такие «поленницы» гораздо реже массивов плотно упакованных вертикальных столбов.

Понятно, что установившиеся тепловые конвекционные потоки могут быть только строго вертикальными. Но если в короткий отрезок времени затвердевания потоков объем лавового озера (озерца) будет существенно деформирован, например, за счет поступления в лавовое озерцо новой большой порции лавы или за счет вытекания лавы из озера при прорыве его берега-дамбы, то установившиеся вертикальные потоки из вертикальных превратятся в наклонные и даже горизонтальные. Они наклонятся (будут стлаться почти горизонтально) подобно высокой траве при сильном ветре, или подобно водорослям в речной протоке (см. рис 2-a). Аналогичная деформация конвективных лавовых потоков (будущих наклонных базальтовых столбов) будет иметь место, если во время их отвердевания изменится наклон местности – склонов извергающегося вулкана (см. рис 2-б). В обоих этих случаях почти правильные шестигранные конвективные ячейки при наклоне будут с необходимостью деформированы, так что в направлении наклона толщина правильных до того шестигранников уменьшится, и базальтовые столбики в сечении будут уже не правильными, а сплющенными шестиугольниками. Кроме того, столбики в этом случае будут расположены не перпендикулярно, а под углом к поверхности массива.

Возможен еще один путь образования горизонтальных или почти горизонтальных базальтовых столбов из вертикальных конвективных ячеек – когда уже после затвердения (через день или через миллион лет после извержения) вертикальных столбов – правильных шестигранников массив этих столбов наклоняется вместе с участком земной коры, на котором они располагаются (см. рис 2–в). В этом случае базальтовые многогранники сохраняют свою правильность.

Так что изогнутые, а также горизонтально или наклонно расположенные базальтовые столбы указывают не на другой механизм их образования (отличный от дифференциации вещества лавы при конвекции), а на радикальные перемещения данного участка земной поверхности после формирования в нем вертикальных еще жидких конвекционных потоков – будущих столбов в остывающем лавовом озере. Или даже после полного отвердения массивов базальтовых столбов.

Происхождение базальтовых столбов

Глобальное потепление может смениться глобальным похолоданием. Как это уже происходило много раз в истории Земли. Но неизвестно, когда это произойдёт.

В настоящее время очень много говорят о проблеме глобального потепления. Цена этого вопроса составляет многие миллиарды, а скорее, триллионы долларов. Слабым отголоском шума по этому поводу является нобелевская премия мира бывшему вице-президенту США Альберту Гору за фильм о глобальном потеплении.

Суть шумного информационного потока о глобальном потеплении такова: человечество в ходе своей деятельности выделяет слишком много углекислого газа, который порождает «парниковый эффект». В результате чего на поверхности Земли повышается средняя температура со всеми вытекающими последствиями — разрастаются пустыни, тают ледники, поднимается уровень мирового океана, затапливаются низко расположенные участки суши. Это затопление суши отнимет землю у многих миллионов людей, сократит площадь многих прибрежных стран. Все эти болезненные последствия глобального потепления могут привести к переселению народов и к войнам за территории, за пищу, за воду. Отсюда делается безапелляционный вывод, что человечеству ради своего спасения необходимо не просто ограничить, а срочно уменьшить выбросы углекислого газа в атмосферу.

Что глобальное потепление сегодня происходит, вытекает из многолетних наблюдений за температурой на тысячах метеостанций, разбросанных по всей Земле. Но вот обоснованность популяризируемого сегодня категорического ответа на вопрос: «ЧТО ЯВЛЯЕТСЯ ПРИЧИНОЙ этого потепления?» лично у меня вызывает большое сомнение. Скорее, даже уверенность в ошибочности «парникового» ответа.

Посмотрим, на чём базируется нынешнее объяснение глобального потепления. Геофизики на основе изучения состава пузырьков атмосферного воздуха, законсервированного во льдах различного возраста в разных географических точках, пришли к выводу, что концентрация углекислого газа в атмосфере Земли и её средняя температура в различные геологические времена, в том числе, во времена предыдущих оледенений и ПОТЕПЛЕНИЙ(!) находятся во взаимно однозначной зависимости: бОльшим средним температурам атмосферы соответствует бОльшая концентрация СО2 в атмосфере (http://ru.wikipedia.org/wiki/Глобальное_потепление). Вот, в основном, на базе этого надёжно установленного однозначного соответствия температуры и концентрации СО2 (вытекающего из результатов измерений) и был сделан категорический однонаправленный вывод, что ПОВЫШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ АТМОСФЕРЫ (глобальное потепление) ЯВЛЯЕТСЯ СЛЕДСТВИЕМ РОСТА КОНЦЕНТРАЦИИ СО2 в ней в результате бурной хозяйственной деятельности человека, что и приводит к печальным последствиям.

Но так ли безальтернативен вывод? Этому безапелляционному выводу противоречит уже тот геологический факт, что ледниковые периоды приходили на нашу Землю много раз. Понятно, что каждый глобальный ледниковый период сменялся очередным глобальным потеплением, за которым, в свою очередь, наступало глобальное оледенение, и так далее. Понятно, что в те далёкие времена предыдущих оледенений и потеплений человечество находилось ещё в зародышевом состоянии. Бурной хозяйственной деятельности с гигантскими выбросами СО2 человечество не вело, и вести не могло. Так что ПРЕДЫДУЩИЕ ГЛОБАЛЬНЫЕ ПОХОЛОДАНИЯ И ПОТЕПЛЕНИЯ заведомо НЕ БЫЛИ РЕЗУЛЬТАТОМ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА.

Можно, конечно, для поддержания господствующего ныне ответа заняться поисками источников СО2 для объяснения предыдущих глобальных потеплений (активизация вулканической деятельности, падение на Землю спец. комет и т.п.).

Но гораздо проще, оставаясь в рамках однозначной связи температуры атмосферы и концентрации СО2 в ней, сменить утверждение о причине и следствии на прямо противоположное и предположить, что, наоборот, ГЛОБАЛЬНОЕ ПОТЕПЛЕНИЕ БЫЛО ПРИЧИНОЙ УВЕЛИЧЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СО2 в атмосфере, а не наоборот, как это принято считать сегодня. А как потепление может приводить к повышению концентрации СО2, описано у многих авторов.

Само же ГЛОБАЛЬНОЕ ПОТЕПЛЕНИЕ ОБУСЛОВЛЕНО УВЕЛИЧЕНИЕМ ПОТОКА ТЕПЛА ОТ СОЛНЦА, приходящего на Землю.

Камнем преткновения для принятия декларируемого нами тезиса (что именно глобальное потепление вследствие увеличения потока солнечного излучения является причиной роста СО2 в атмосфере Земли, а не наоборот) сегодня является господствующая убеждённость в постоянстве светимости нашего Солнца, которое является, можно сказать, единственным исходным поставщиком тепла для всего сущего на Земле. Солнце поставляет 1.4 кВт/м² на площадку, перпендикулярную его лучу на орбите Земли. А в среднем — 0.35 кВт/м² (350Вт/м²), учитывая, что площадь всей сферической поверхности Земли (4?R²) в четыре раза больше площади её проекции на плоскость (?R²). Практически вся солнечная энергия, падающая на Землю, так или иначе переизлучается в окружающее пространство (после ряда превращений и задержек). В то же время поток тепла из земных глубин имеет величину порядка 0.1 Вт/м² , то есть в 3500 раз меньше. Так что влияние внутреннего тепла Земли на температуру на её поверхности практически отсутствует.

Убеждённость в постоянстве светимости Солнца (без достаточных на то оснований) частично базируется на наблюдаемом постоянстве нашего светила. Но в основном — на теориях генерации тепла в термоядерных реакциях в недрах звёзд.

С другой стороны, из наблюдений за Солнцем известно, что на нём появляются тёмные («холодные») пятна с периодом в 11 лет (приблизительно период обращения Юпитера вокруг Солнца). Появление «холодных» пятен на Солнце свидетельствует, что его светимость далеко не постоянна. Поэтому не совсем понятно, почему у сторонников «парникового» объяснения глобального потепления так популярна убеждённость в абсолютном постоянстве светимости Солнца.

Но, если мы декларируем непостоянство светимости Солнца, то какую причину этого непостоянства мы можем указать? Что может повлиять на излучательную способность нашего Солнца, на процессы термоядерного синтеза в его недрах, где царят гигантские давления и температуры? Процессы термоядерного синтеза в солнечных недрах идут под защитой тепло- и другой изоляции от внешнего мира толщиной в несколько сотен тысяч километров. Может ли что-либо при такой изолированности солнечных недр повлиять на ход процессов в них? Казалось бы, ответом является категорическое «НЕТ»!

Но давайте посмотрим на процесс движения тепла из глубин солнечных недр (где тепло генерируется) через эти самые недра, через верхние слои Солнца, через открытый космос к нашей Земле, температура атмосферы которой однозначно определяется потоком энергии, приходящей от Солнца...

Категорическое отрицание изменчивости потока солнечной энергии не выдерживает критики уже хотя бы потому, что мы наблюдаем солнечные пятна. Эти пятна имеют огромные размеры — гораздо больше Земли. А их температура ниже температуры окрестностей пятен на 1.5?2 тысячи градусов Кельвина. И на примере солнечных пятен мы видим, что поток тепла через поверхность Солнца может меняться даже при совершенно неизменной генерации тепла внутри Солнца.

Рассмотрим природу солнечных пятен несколько подробнее. Практически все мы знаем, как работает асинхронный электродвигатель: электропроводящий якорь электродвигателя стремится оставаться НЕПОДВИЖНЫМ относительно магнитного поля, которое вращается вокруг оси электродвигателя с частотой напряжения в электрической сети (у нас 50 герц, в некоторых странах 60 герц). Поэтому и якорь электродвигателя вращается вслед за магнитным полем, и вместе с ним (с небольшим отставанием). Другой пример остановки («замораживания») проводника в магнитном поле часто демонстрируется в следующем опыте на физическом практикуме: Над промежутком между полюсами сильного магнита отпускают металлическую (проводящую) монету. Монета стремительно ускоряется под действием силы тяжести. Но, достигнув промежутка между полюсами магнита, где магнитное поле особенно велико, монета как бы застывает, зависает, и далее продолжает падать очень медленно. Эти два примера иллюстрируют «застывание», «вмораживание» проводника в магнитное поле.

Поэтому и наблюдаются пятна с более низкой температурой на Солнце. Пятна возникают следующим образом: из недр Солнца к его поверхности тепло доставляется конвекционными потоками ионизированного высокой температурой солнечного вещества (в основном, водорода); с солнечной поверхности всё поступившее тепло излучается в космическое пространство. Под некоторыми участками солнечной поверхности текущая конфигурация магнитного поля Солнца так сильно замедляет движение конвекционных потоков ионизированного проводящего газа, что этот участок без достаточного притока тепла снизу в результате отдачи тепла в космос посредством излучения успевает остыть больше соседних участков. Потому и проявляются на поверхности Солнца тёмные пятна, в которые глубинное солнечное тепло доставляется медленнее, чем в их окрестности.

Таким образом, видим, что благодаря торможению в солнечном магнитном поле электропроводящий теплоноситель (ионизированный газ солнечной атмосферы) доставляет тепло из солнечных глубин к его поверхности менее эффективно. Поэтому при увеличении Магнитного Поля (МП), по крайней мере, верхние слои Солнца (200 тысяч километров — от 0.7R Солнца до R=696 000 км) начинают отводить тепло из солнечных глубин медленнее. Так что можно сказать, что при при увеличении МП Солнца увеличиваются теплоизоляционные свойства его верхних слоёв, переносящих тепло за счёт конвекции в проводящем газе.

Возражений против возможности изменения МП Солнца не видно. Локальные изменения МП Солнца мы наблюдаем постоянно (в области пятен, различных выбросов). А что касается изменений глобального МП Солнца, то они тоже вполне возможны. Точно так же, как возможны произошедшие в прошлом инверсии МП Земли, достоверно зафиксированные методами палеомагнитологии. Более того, возможно, что существенные изменения МП Земли и МП Солнца имели одни и те же причины. Связь между изменениями МП Земли и Солнца можно было бы подтвердить или опровергнуть путём кропотливого сопоставления изменений палеомагнитного поля Земли и геологических признаков похолоданий и потеплений.

Что тепло к поверхности Солнца доставляет конвекция, видно из следующего: На поверхности Солнца наблюдаются ячеистые структуры — гранулы. Эти видимые на поверхности Солнца структуры образуются реальными конвективными ячейками, в центрах которых более горячие и лёгкие газы плотностью 10^-8 до 10^-9 г/см³ (10^-5 до 10^-6 кг/м³) поднимаются из солнечных глубин со скоростью порядка 15000 м/сек (http://www.kosmofizika.ru/spravka/atm_s.htm ). Скорость солнечных газов измеряется по Допплеровскому смещению спектральных линий этих газов. А по краям ячеек остывшие примерно на 300?С (и потому более тяжёлые) газы опускаются вглубь Солнца за следующей порцией тепла. Теплоёмкость одноатомных газов солнечных газов 12.47 Дж/(моль*Кельвин). Так что в верхние, излучающие слои Солнца тепло с интенсивностью порядка 64000 кВт/м² совершенно точно доставляется конвекцией. Тогда как в центральных областях звёзд (в Солнце до 0.7 R) тепло, по современным представлениям, передаётся посредством переизлучения.

Поэтому увеличение магнитного поля на Солнце,

• с одной стороны, будет приводить к уменьшению температуры поверхности Солнца (при условии постоянства температуры на нижней поверхности некоторого слоя солнечной атмосферы). Но,
• с другой стороны, усиление теплоизолирующих свойств верхних слоёв Солнца (как и любой другой звезды) с необходимостью приведёт к увеличению температуры в недрах Солнца. И вследствие увеличения температуры — кинетической энергии сталкивающихся ядер лёгких химических элементов — к увеличению частоты случаев реакций термоядерного синтеза внутри звезды. То есть, к увеличению интенсивности выделения энергии в недрах Солнца.

Проиллюстрируем эти зависимости на схематической диаграмме:

Зависимость теплопроводности, температуры недр и светимости от величины магнитного поля Солнца (звезды).

Здесь:

МП — величина напряжённости магнитного поля,

G — теплопроводность верхних слоёв звезды

T — температура недр и интенсивность термоядерного синтеза

I — светимость звезды (интенсивность излучения атмосферы звезды)

На рисунке для большей наглядности изображены очень сильные перепады величины магнитного поля звезды. При резком увеличении МП сразу же падает светимость звезды. Но постепенно из-за более медленного отвода тепла из центральных областей звезды температура там повышается и увеличивается интенсивность термоядерных реакций. То есть, существенно увеличивается генерация тепла. Что, в конце концов, приводит к повышению светимости звезды при сильном МП до более высокого уровня, чем в отсутствие МП.

При резком уменьшении МП теплопроводность верхних слоёв звезды резко увеличивается. Накопленное ранее тепло быстро переносится конвективными потоками к поверхности. И светимость звезды резко увеличивается. Но постепенно тепло, накопленное в недрах звезды при сильном МП, излучается. Интенсивность термоядерного синтеза, а вместе с ней и светимость звезды падает ниже среднего.

В общем, проблему объяснения глобального потепления мы свели к зависимости светимости Солнца от напряжённости магнитного поля в его верхних слоях. Но у нас пока нет данных для прогноза поведения магнитного поля Солнца даже на ближайшее будущее. И вполне возможно, что в скором будущем ГЛОБАЛЬНОЕ ПОТЕПЛЕНИЕ сменится ГЛОБАЛЬНЫМ ПОХОЛОДАНИЕМ без какого бы то ни было участия человека, или даже вопреки ему. Рано или поздно это произойдёт, как это уже не раз происходило в истории Земли. Но как скоро?

Из рассмотрения рисунка хорошо видно, что колебания величины магнитного поля Солнца (звезды) с необходимостью приводят к колебаниям потока тепла с его поверхности и, следовательно, к колебаниям температуры на поверхности нашей Земли. То есть, к глобальным потеплениям в конце эпох сильного магнитного поля и к глобальным оледенениям в конце эпох слабого магнитного поля Солнца.

Правда, мы пока не имеем достаточно обоснованного (согласованного с нынешними знаниями) объяснения колебаний магнитного поля нашего Солнца.

Попутно отметим, что колебания светимости переменных звёзд некоторых типов вполне могут быть объяснены колебаниями интенсивности магнитных полей на этих звёздах. Скажем, вследствие изменения положения звёзд относительно их невидимых спутников с сильными магнитными полями или по другим причинам.

Миф глобального потепления

Экономические и организационные вопросы мониторинга цунами

В настоящее время наиболее могучие в экономическом отношении государства, имеющие цунами – опасные побережья (США, Япония, Россия), уже много лет эксплуатируют системы раннего оповещения о приближающихся цунами. Системы эти достаточно дороги, и, в тоже время, недостаточно эффективны и надежны – очень много ложных тревог. Случаются и пропуски. Количество пропусков мало, но зато много ложных срабатываний. А это – огромные экономические потери. Подсчитаем примерные убытки от ложного срабатывания. Примем, что на цунами–опасных побережьях проживает 100 млн. человек. Из них – половина работающих. Пусть результаты их труда оцениваются в 10 долларов в час. Тогда 4-х часовой простой 50 млн. работников при ложных тревогах (при нескольких тревогах в разное время в разных местах) принесет 2.0 млрд. долларов убытков (2 млрд. долларов = 40 долларов/человека * 50 млн. человек). Понятно, что эти ложные срабатывания не так часты. И все-таки …

Пропуски волн цунами случаются из-за того, что не все потенциальные места возникновения цунами покрыты датчиками. А ложные срабатывания системы обусловлены тем, что не все, даже сильные, землетрясения на морском дне сопровождаются возникновением волн цунами опасного размера.

В то же время развивающиеся страны не имеют достаточно средств для создания и эксплуатации таких систем. Результатом такого положения дел и явилась гибель около 300 000 человек в результате катастрофического цунами на берегах Индийского океана 26.12.2004.

Причем достаточно много погибших в прибрежной курортной зоне были гражданами именно развитых стран. Несмотря на то, что цунами имело место в развивающихся странах, где страхование не развито, страховым компаниям пришлось выплатить огромные страховые суммы. Их убытки оцениваются в 5 – 10 млрд. долларов. И это при том, что лишь очень малая часть утраченных жизней и имущества были застрахованы. Тогда как в США, где уровень страхования намного выше, убытки страховых компаний от урагана «Катрина» составили 20 млрд. долларов. Хотя фактические потери от цунами были намного больше, чем от урагана. Минимальная оценка материальных потерь, сделанная вскоре после цунами 2004 г. давала цифру в 13.6 млрд. долларов. А количество человеческих жертв цунами, вообще, ужасающе велико. Оно оценивается в 300 000 человек. Если бы все погибшие во время цунами 2004 года были застрахованы по такой же ставке, как американские солдаты в Ираке (по $250 000), то страховым компаниям пришлось бы выплатить за 300 000 человеческих жизней 75 млрд. долларов. Пусть даже 60 млрд. долларов за 240 000 тысяч жизней (по нижним оценкам числа погибших). А ведь практически все жизни могли быть сохранены при наличии системы обнаружения и предупреждения о цунами. За то короткое время, которое могло быть использовано для эвакуации из опасной зоны людей и наиболее ценного движимого имущества (от обнаружения волны в океане сразу после землетрясения до прихода волны к берегу) можно было спасти жизней и имущества не менее, чем на 60 млрд. долларов. Наш прагматический (циничный бухгалтерский) подсчет дает оценку нижнего уровня потерь, которых можно было бы избежать при наличии системы обнаружения и оповещения. Реальные потери (от отсутствия такой системы) много больше. Сегодня эти потери легли на плечи стран, пострадавших от цунами, т.е., на плечи населения этих стран. Убытки же страховых компаний, как уже было сказано, составили «всего» 5 – 10 млрд. долларов).

А ведь многих потерь, особенно людских, человеческое сообщество при той природной катастрофе могло бы избежать экономически целесообразным путем. Для этого необходимо было создать глобальную (обслуживающую сразу все прибрежные государства) систему обнаружения и оповещения о цунами.

Причем при нынешнем уровне космических и электронных технологий эта система не только может быть сравнительно легко создана, Она еще и выгодна экономически, если сравнить затраты на ее создание и уменьшение потерь в результате создания такой системы.

Мы говорим, что какого-то количества потерь можно было избежать (более 60 млрд. долларов). Но какую цену нужно было бы заплатить, чтобы избежать этих лишних потерь? И кто согласился бы заплатить эту цену? Задним числом пострадавшие страны согласились бы заплатить не менее половины (если бы они точно знали о потерях еще до цунами). То же самое касается и страховщиков. Но они этого не знали. Зато теперь все знают, что такое может случиться и в будущем. Правда, неизвестно когда. Но страховые компании могут достаточно точно подсчитать вероятность того, что цунами произойдет в следующем страховом году. И могут подсчитать математическое ожидание своих потерь от цунами. И в следующем году, и через год, и через два. Конечно, на практике их потери могут быть как больше, так и меньше. Но, в среднем, именно такие, как они подсчитают (они очень хорошо знают теорию вероятностей и статистику). Поэтому страховые компании для себя могут решить, какие суммы они могли бы потратить, чтобы гарантированно избежать своих будущих потерь. Но как их избежать? Для этого нужно создать надежную систему обнаружения и оповещения о цунами. Тех средств, которые страховщики посчитали бы целесообразным вложить в создание системы, конечно же, будет недостаточно. Но есть еще и другие заинтересованные стороны – страны на цунами опасных побережьях, которые также согласились бы выделить средства для создания системы. Тогда роль страховщиков включала бы в себя не столько денежные инвестиции, сколько организацию и координацию действий по созданию такой системы.

Оценим затраты на создание предлагаемой системы, т.е., на выполнение следующих работ:

Разработка архитектуры СОМЦ,

Разработка крупносерийного орбитального комплекса с решением следующих задач:

Остронаправленные приемо-передающие антенны

Приемо-передатчики

Системы электропитания

Навигационные системы

Системы коррекции орбиты

Системы координации действий с другими спутниками

Коммуникации с соседними спутниками и наземными подсистемами

Высокоскоростные обрабатывающие центры на спутниках (ап. часть + ПО)

В том числе создание математических методов коррекции неизбежных погрешностей измерительных систем.

Создание наземной инфраструктуры (общий центр мониторинга и управления + локальные центры мониторинга с дежурными операторами–наблюдателями)

Создание подсистемы оповещения в союзе со службами чрезвычайных ситуаций в странах – участницах. Такая подсистема оповещения предполагает вхождение, в случае необходимости объявления тревоги, в радио и телевизионные предающие системы, в телефонные сети. А также использование уличных акустических систем и других возможных средств массовой коммуникации для предупреждения населения в опасной зоне.

Производство и запуск нужного количества ИСЗ (серии из 40 спутников).

Затраты на эксплуатацию этой системы будут намного меньше.

Оценим весьма приблизительно затраты на создание системы в 5 млрд. долларов. Затраты на эксплуатацию – в 0.5 млрд. долларов в год.

Конечно, трудно точно оценить затраты на создание новых систем, но достаточно легко видеть, что эти затраты будут намного меньше потерь, которых удастся избежать. Величину этих затрат можно уточнить в космических агентствах и у специалистов по радиолокации и вычислительной технике. Мы же для приблизительной оценки затрат на создание СОМЦ воспользуемся сведениями, которые можно получить из Интернета.

Согласно запуск российской ракетой «Протон» на ГеоСтационарную Орбиту (ГСО) спутника весом в 4 тонны стоит 50 млн. долларов. Украинский «Зенит» (на Sea Launch) за 70-100 млн. долларов выводит 3.5 тонны. Всего на ГСО с самого начала космической эры было выведено 2000 спутников. В настоящее время на ГСО работает 300 спутников. Но для создания СОМЦ нужна более низкая орбита, так что затраты на запуск могут быть ниже, чем для запуска на ГСО. Сделаем самую общую, приблизительную оценку стоимости проекта создания предлагаемой системы, опираясь на данные по строительству и запуску телекоммуникационного спутника. Строительство одного телекоммуникационного спутника оценивается приблизительно в 50 миллионов долларов. Его страховка – еще примерно 30 миллионов долларов. Строительство наземной инфраструктуры – станции контроля и управления спутником, другого электронного оборудования – в 10 миллионов долларов. Услуги запуска спутника такого класса на мировом рынке стоят 70-120 миллионов долларов. Таким образом, минимальная стоимость проекта телекоммуникационного спутника на (ГСО) – 160 млн. долл. Это – для одного связного спутника.

Стоимость создания всей системы согласно приведенным цифрам порядка 5.6 млрд. долларов (=40•160 млн. долларов) + 0.5 млрд. для системы оповещения = 6.1 млрд. долларов на создание. Плюс 0.5 млрд. долларов на ежегодное содержание. Реальные затраты могут отличаться от приведенных оценок (скорее всего, в сторону уменьшения). Действительно, поскольку нужно построить 40 одинаковых ИСЗ, то существенно уменьшаются затраты на разработку – нужно разработать один спутник, а не сорок. Кроме того, уменьшению стоимости как производства, так и запуска спутников будет способствовать их серийность. К тому же для СОМЦ нужна более низкая орбита (и меньше цена запуска). Отсюда и получим оценку в 5 млрд. долларов на создание СОМЦ.

5 миллиардов долларов – это очень большая сумма. Хотя, как посмотреть – ведь это всего лишь 1% годового военного бюджета США. Возможно, этот 1% военного бюджета, будучи вложенным в построение глобальной системы, нужной всему миру, принес бы США гораздо более весомый результат в достижении целей, чем прямые военные действия.

И уж точно, цена создания такой системы намного ниже размеров возможных потерь, которых можно будет избежать при наличии системы обнаружения и предупреждения. Триста тысяч человек (300 000), погибших от цунами 26.12.2004 г. своим трудом могли бы создать такую систему. И уж точно могли бы полностью профинансировать создание такой системы, продав свой труд.

Заключение

Таким образом, мы видим, что надежное своевременное предупреждение о приближении цунами вполне возможно. Более того, создание системы предупреждения о цунами экономически выгодно – затраты на создание и эксплуатацию такой системы меньше потерь от ущерба, которых можно избежать в результате создания системы. Такая система позволит сэкономить миллиарды долларов и сохранить десятки тысяч жизней.

Кроме того, система при небольших дополнительных материальных затратах (на опорные точки – уголковые отражатели с шагом 5 – 10 км в сейсмоопасных зонах) может использоваться для оперативного оповещения населения на суше о приближении сейсмической волны. В опасной зоне, вблизи эпицентра – за несколько секунд до прихода удара. Казалось бы, что могут дать несколько секунд? Но за эти секунды можно заглушить атомный реактор, остановить скоростной поезд. А на некотором удалении от эпицентра предупреждение может прийти раньше землетрясения за минуты и десятки минут. Правда, актуальность такого предупреждения на больших расстояниях не так велика – по мере удаления от эпицентра не только растет запас времени, но и снижается опасность последствий землетрясения.

Эта же система без дополнительных материальных затрат (нужно добавить только методы и программное обеспечение) может быть в дальнейшем использована для краткосрочного прогноза землетрясений. Как это уже изложено (на сайте ГФ МГУ).

Предлагаемая система эффективна, но достаточно дорога. И, пожалуй, ни одно государство, за исключением разве что США (которые только на военные цели тратят около 500 млрд. долларов ежегодно) не сможет найти целесообразным в настоящее время самостоятельно построить такую систему (исходя из своих финансовых возможностей). Но эта система принципиально глобальна (осуществляет мониторинг на всей цунами опасной территории нашей планеты), так что есть смысл объединить усилия прибрежных стран и построить эффективную систему защиты от стихии.

Возможные организаторы

Организовать создание такой системы могли бы большие страховые компании. Это способствовало бы улучшению их имиджа и их процветанию. Действительно, когда страховая компания расходует средства своих клиентов – страхователей не на компенсацию состоявшегося ущерба, а на предотвращение ущерба, это звучит …

Инициировать создание такой системы и участвовать в этом проекте могла бы и Украина. Конечно, землетрясения и цунами для Украины не актуальны, у нее хватает других, действительно неотложных жизненно важных проблем. Но, с другой стороны, Украина могла бы поднять свой авторитет и заработать деньги на построении глобальной системы, нужной другим странам и оплачиваемой ими. А при создании такой системы тысячи украинских высококвалифицированных инженеров и научных работников космической отрасли смогли бы получать достойную зарплату, а не стремились бы уехать за границу в поисках лучшей доли.

Орбитальный мониторинг цунами. Часть 3, заключительная

Интересные статьи по теме:

1. Орбитальный мониторинг цунами. Часть 2
2. Орбитальный мониторинг цунами. Часть 1

Метод раннего обнаружения цунами

Перейдем к обсуждению предлагаемого метода обнаружения цунами. Идейно он очень прост: с помощью специального радиолокационного оборудования, расположенного на нескольких ИСЗ, образующих опорную сеть, сканируем высоту поверхности океана дискретными радиоимпульсами (точка за точкой подобно телевизионному растру). Эта сеть покрывает всю, без исключений, цунами–опасную зону мирового океана от северного полярного круга до южного. Координаты каждого спутника в каждый момент времени известны с большой точностью, достаточной для решения задачи (скажем, с точностью до 1 см). Высота поверхности океана сканируется в точках с шагом дискретности 5?10 км, так чтобы искомая волна не проскользнула между измерениями. При обнаружении в океане волн цунами опасного размера выдаем предупреждение в соответствующие службы. Продолжаем сканировать поверхность океана, обнаруживая и другие волны опасного размера, и продолжая наблюдать за уже обнаруженной волной.

Спутники должны иметь достаточно высокие орбиты (но не геостационарные), чтобы можно было обойтись приемлемым количеством спутников для охвата практически всей поверхности Земли (всех цунами опасных акваторий). Но и не слишком высокие, чтобы иметь достаточную разрешающую способность.

Для сканирования поверхности океана не удастся воспользоваться локационными системами, работающими в оптическом диапазоне, хотя они легко обеспечили бы необходимую точность измерений при небольших размерах системы. Ведь оптическое излучение не проходит через облака. Поэтому придется пользоваться радиоимпульсами, для которых облака прозрачны. Хотя это и приведет к почти неприемлемому увеличению размеров передающей антенны (для обеспечения необходимой точности позиционирования опрашивающего импульса и направления приема).

Профиль поверхности океана может индицироваться на экране монитора оператора с необходимым разрешением по горизонтальным направлениям и по высоте волны (меняемым по воле оператора). Оператор сможет также видеть на экране любые вычислимые характеристики: скорость волны, ее высоту, вычисляемый прогноз изменения скорости и высоты волны на основе учета глубины океана и формы фронта волны и т.д.

Может оказаться так, что даже от большого землетрясения к побережью через несколько десятков минут (или через несколько часов) докатится лишь очень маленькая волна. Поскольку мы наблюдаем обнаруженную волну на всем пути ее следования, непрерывно измеряя ее параметры, то при надежном прогнозировании уменьшения волны до безопасного размера (по ходу ее движения) можно отменить предварительно объявленную готовность к тревоге. Таким образом, ложные тревоги по поводу цунами будут практически исключены. И потери от предварительной тревоги будут сведены к минимуму.

С другой стороны, благодаря своей глобальности и надежности (над каждой точкой наблюдаемой акватории последовательно проходят целая череда ИСЗ, а не один спутник) вся акватория океана, а не только предварительно выделенные области с датчиками, будет находиться под непрерывным наблюдением. Надежность обеспечивается и некоторой избыточностью. Так что пропуски опасных цунами будут также исключены (даже при выходе из строя нескольких ИСЗ). Об оперативности системы: возникновение цунами будет обнаружено в первые же секунды ее существования, поскольку поверхность океана сканируется со скоростью порядка одного кадра в секунду.

Таким образом, мы предлагаем измерять не косвенные параметры, будь это даже параметры первопричинных явлений (землетрясений), генерирующих цунами, а непосредственно параметры самой волны цунами, начиная от самого ее возникновения и до прихода к берегу. Так будет намного точнее и надежнее на практике, и проще с идейной стороны, хотя технически – несколько сложнее.

Рассмотрим, как именно должна работать предлагаемая система обнаружения = Система Орбитального Мониторинга Цунами (СОМЦ), чтобы отвечать своему предназначению.

• Вполне понятно, как измерить высоту поверхности моря непосредственно под спутником. Нужно отправить в сторону океана радиоимпульс (без особых требований к точности направления) и через некоторое время принять отраженный от поверхности сигнал. Время засекается по переднему фронту отраженного сигнала (т.е., по самому первому отклику от ближайшей к спутнику точки поверхности). Высоту (удаление поверхности от спутника) получаем простым умножением половины временного промежутка (от излучения до приема) на скорость света. Текущая высота спутника на момент измерения известна. Примем пока ее равной 10 000 км
• Легко понять, как измерять высоту не под спутником. Для начала считаем, что опрашивающий луч бесконечно тонкий. Направляя луч под нужным углом к вертикали (к спутнику) на сканируемую точку поверхности океана и фиксируя время возврата отраженного сигнала после несложных вычислений с учетом угла отклонения от вертикали и сферичности поверхности океана, также получим высоту поверхности в опрашиваемой точке. Но дело в том, что на практике мы не можем бесконечно точно задать направление опрашивающего импульса – всегда будет присутствовать довольно большая ошибка задания направления. А ошибка в задании направления приведет к ошибке определения высоты.
• Но, имея на орбите несколько спутников (пусть четыре – S0, S1, S2, S4.) с хорошо известными координатами, можно, согласовав действия спутников (по координатам опрашиваемых точек, по моменту излучения и приема опрашивающего сигнала) и наладив обмен информацией между ними, определить точные координаты ничем не выделенной точки поверхности океана. За исключением того, что именно эта точка опрашивалась и отражала опрашивающий сигнал в заданный момент времени. Координаты этой точки могут быть вычислены. Действительно, зафиксировав времена прихода на остронаправленные приемные антенны спутников отраженного океаном сигнала, мы получим длины ломаных отрезков – лучей («от излучателя S0 до отражающей точки поверхности океана» + «от точки отражения до приемника Si»). Используя три пары спутников (S0–S1, S0–S2, S0–S3), можно построить три эллипсоида с фокусами на спутниках и с образующими, равными оптическому пути от S0 до поверхности и от поверхности до Si. Эти три эллипсоида пересекаются попарно по кривым второго порядка – по эллипсам. А точка отражения принадлежит сразу всем трем эллипсоидам. Значит, эта точка будет находиться на пересечении всех трех эллипсоидов. Всем трем эллипсоидам будет принадлежать и еще одна точка, сопряженная точке отражения (она, можно сказать, противоположна точке отражения). Решая геометрическую задачу, несколько более сложную, чем в пункте Б), мы определим все три координаты точки отражения (опираясь на известные координаты спутников – фокусов эллипсоидов). Избыточная информация (время возврата отраженного сигнала в точку S0 и измеренные (вернее, заданные для приема остронаправленной антенной) направления со спутников на сканируемую точку) может быть использована для контроля правильности вычисления и уточнения координат точки отражения.
• На самом же деле, опрашивающий луч не может быть бесконечно тонким. Технически и экономически приемлемым является опрашивающий луч, имеющий диаметр (в месте падения на сканируемую поверхность) в сотни метров. Как можно преодолеть этот практически неустранимый недостаток сканирующего луча? Рассмотрим сначала случай, когда сканируемая поверхность океана совершенно гладкая. Чтобы не усложнять картину, будем считать опрашивающий импульс очень коротким. При такой идеализации на плоскую сканируемую поверхность под углом к ней падает плоский круг опрашивающего импульса (диаметром в 500 м). От эллиптического пятна на поверхности в слегка различающиеся моменты времени отражается сигнал. Так что на принимающую антенну поступает уже не очень узкий пик, а импульс конечной длительности, распределенный во времени в соответствии с углом падения и с углом отражения, а также с зависимостью интенсивности от этих углов (все-таки отражение не от зеркала, поэтому отражение идет во все стороны, но с разной интенсивностью). В этом случае мы должны фиксировать момент прихода сигнала на принимающую антенну уже не по переднему фронту импульса, а по его центру. Так что принятый сигнал должен быть предварительно обработан. А дальше задача решается как в предыдущем пункте.
• На самом же деле сканируемая поверхность океана далеко не идеальна – по ней не только пробегает рябь высотой в 5 см, но постоянно идут ветровые волны, высота которых в рекордных случаях достигает 30 метров. И довольно часты волны с перепадом высот в 10 метров. Так что на площади, на которую падает опрашивающий сигнал, укладывается малое число ветровых волн. Как эти волны отразятся на точности измерений высоты поверхности океана? Конечно, в любом случае точность упадет. Если бы количество волн было велико, то вариации времени прихода и интенсивности сигналов, отраженных от разных участков волн, взаимно компенсировались бы. И мы имели бы почти точно такую же картину, что и в пункте Г). Поэтому для эффективного увеличения количества периодов волн на опрашиваемом участке можно усреднять (суммировать и делить) результаты нескольких измерений. Скажем, двадцати. Усреднение может быть кусочным или скользящим. Размеры волны цунами в направлении ее распространения (десятки километров) и ее скорость (200 м/сек) позволяют сделать это без риска пропустить прохождение волны цунами. Кроме того, следует учитывать и различие коэффициентов отражения для разных углов (от разных видимых участков волн). Для учета всего этого потребуются огромные вычислительные мощности. Причем часть вычислений по первичной обработке принятых сигналов лучше произвести аналоговыми методами.

Для выполнения всех этих работ в нужном темпе следует распараллелить вычисления (возможно, понадобится 1000 процессоров на каждом спутнике) и прием отраженных сигналов от разных сканируемых точек (понадобятся сотни смесителей принимаемого сигнала). Что при нынешнем уровне электроники находится в пределах возможного.

Предлагаемая система мониторинга имеет не только практическую ценность как средство предупреждения об опасности цунами, но и научно-познавательную. Прежде всего, мы сможем непосредственно измерить параметры геоида (уровня моря). То есть, измерить расстояние поверхности геоида от центра Земли. Именно измерить его, а не получить в результате многоступенчатых интерпретаций и расчетов. С помощью системы мониторинга мы сможем наблюдать приливные деформации и поверхности океана, и поверхности суши.

С помощью этой системы можно будет предупреждать корабли об уровне волнения в различных зонах океана.

Сможем наблюдать также понижение уровня моря в зоне высокого атмосферного давления, как это изображено на рис 1м) . Вполне возможное повышение атмосферного давления на 3% эквивалентно слою воды толщиной примерно 30 см. Зададимся вопросом: как будет вести себя поверхность океана при перемещениях зон высокого и низкого атмосферного давления? Если граница зон высокого и низкого давления будет неподвижна, или будет двигаться очень медленно, то ничего особенно интересного мы не увидим – только понижение уровня океана, соответствующее отклонению атмосферного давления от нормы. Но если эта граница будет двигаться быстро, то может случиться, что на границе быстро перемещающихся зон высокого и низкого давления будет сгенерирована волна, подобная волне цунами. Ситуация здесь представляется аналогичной ветровому нагону воды в восточной части Балтийского моря, когда уровень воды в Санкт-Петербурге поднимается на несколько метров! Возможно, загадочные гигантские одиночные волны в открытом океане, обнаруженные при помощи спутниковой альтиметрии (моряки их называют волнами-убийцами), и являются результатом быстрого (с некоей «нужной» скоростью) вытеснения воды из зоны высокого атмосферного давления?

Кроме того, предлагаемая система мониторинга поверхности океанов может использоваться для последующего создания на ее базе системы краткосрочного прогнозирования землетрясений. Важной составляющей краткосрочного прогнозирования землетрясений является отслеживание с большой точностью напряжений в земной коре. А напряжения земной коры прямо связаны с ее деформациями. Деформацию коры можно отслеживать, наблюдая за смещениями заданных точек на земной поверхности.

Так что можно, и даже нужно использовать эти же самые аппаратные измерительные средства на спутниках не только для отслеживания высоты поверхности океана, но и для слежения за координатами точек и на поверхности суши. Для этого в орбитальном оборудовании должно быть предусмотрено только дополнительное программное обеспечение (и его модификация в ходе эксплуатации) и соответствующее энергоснабжение (и больше ничего!). Координаты точек на суше нужно будет определять по несколько иной схеме, чем в океане, поскольку большие нерегулярные перепады высот на суше делают невозможным применение такой же схемы, что и для океанов. На суше же для идентификации точек (за которыми мы хотим наблюдать) необходимо установить соответствующее количество дешевых простейших уголковых отражателей на колышках. Для установки в нужном месте их можно привинчивать, вкапывать, забивать молотком или сбрасывать с вертолета. Уголковый отражатель возвращает сигнала точно в обратном направлении (как катафоты на автомобилях). Вместо уголковых отражателей можно использовать другие устройства с той же функцией (возврата луча).

Координаты точек (уголковых отражателей) можно будет определять с гораздо большей точностью (до 1 сантиметра по всем координатам вместо гарантированных 20?30 сантиметров по высоте и неопределенных метров по горизонтали в океане). Но это можно делать уже во вторую очередь. То есть, создавать сеть маркированных (уголковыми отражателями) точек в нужных местах суши и развивать методы прогнозирования землетрясений можно уже после начала рабочей эксплуатации системы мониторинга цунами (и наряду с продолжением эксплуатации). Во время движения спутников над сушей их можно использовать даже в коммерческих целях. С помощью их оборудования можно с очень большой точностью (до сантиметров) определять координаты точек земной поверхности по телефонным (SMS) заявкам (с указанием при подаче заявки приблизительных координат тестового уголкового отражателя). Можно без затрат отслеживать и положение материков, и высоту (координаты) отдельных горных вершин.

Отслеживание смещений точек на суше может быть использовано для обнаружения на всей земной поверхности (а не только вблизи особо ценных объектов, как это уже делается) сейсмических волн от только что произошедших землетрясений и сверхоперативного предупреждения населения об опасных сейсмических волнах даже вблизи эпицентра землетрясения за несколько секунд до их прихода. Скажем, за 10 сек (= 50 км / 5 (км/сек)). Этого времени достаточно для остановки особо опасных процессов. На больших расстояниях от эпицентра землетрясения запас времени до прихода сейсмической волны будет гораздо большим. Правда, с другой стороны, и актуальность предупреждения там меньше – меньше разрушительная сила землетрясения.

Кроме того, эти же спутники можно использовать и для визуального наблюдения за погодой и для сбора другой метеорологической информации на большей части Земли. Это совмещение ничему бы не мешало, поскольку и метеопрогноз, и прогноз стихийных бедствий представляют собой деятельность в одном направлении.

Технические характеристики системы орбитального мониторинга цунами

Какие требования должны быть предъявлены к Системе Орбитального Мониторинга Цунами (СОМЦ)?

Прежде всего, нужно определиться с количеством ИСЗ и высотой их орбит. Их количество и высота вытекают из параметров волн цунами и технических возможностей. Размеры волны цунами позволяют задаться следующими исходными цифрами:

Погрешность определения высоты поверхности океана – не более 20 см.

Дискретность по горизонтали (расстояние между сканируемыми точками на поверхности океана) вполне приемлема на уровне 8 ? 10 км.

При скорости цунами 200 ? 250 м/сек и длине волны 10 км время между опросами точек не должно превышать 20 секунд. При большей длине волны (или меньшей скорости волны) и время между опросами может быть больше.

Отсюда вытекают параметры предлагаемой системы.

Высота ИСЗ над земной (водной) поверхностью 10 000 км.

Зона, активно опрашиваемая радиоимпульсами со спутника (под ИСЗ) диаметром порядка 7 000 км.

Зона, из которой принимаются отраженные опрашивающие сигналы, свои и посланные с других ИСЗ, диаметром порядка 12 000 км.

Отсюда следует, что для надежного покрытия измерительными возможностями движущихся ИСЗ всей поверхности Земли (от северного полярного круга до южного), этих спутников понадобится примерно 36 ? 40 штук.

Таким образом, максимальная зона ответственности каждого ИСЗ (для которой он опрашивает точки поверхности и проводит все расчеты) для простоты может быть принята как квадрат со стороной в 6 000 км и расстоянием между опрашиваемыми точками в 6 км. Так что каждый ИСЗ обрабатывает точки квадратного растра размером 1000 * 1000 = 1 000 000 точек (хотя более эффективен шестиугольный растр). Кроме того, чтобы обеспечить расчетными данными соседние ИСЗ, спутник должен принимать сигналы, отраженные от точек поверхности океана, сканируемых импульсами с соседних спутников, и передавать этим спутникам точное время приема сигналов, отражаемых каждой опрашиваемой точкой в океане. Имеются в виду точки растров соседних ИСЗ. Понятно, что для приема отраженного сигнала, излученного соседним ИСЗ, антенна также должна быть очень остро направлена в нужное время на нужную точку в океане (с необходимой точностью и с соответствующей диаграммой направленности, чтобы принимать сигнал от нужной точки, а не от соседней с ней, также сканируемой).

Для обеспечения необходимой точности определения высот поверхности нужны очень остро направленные приемо-передающие антенны. Чтобы диаметр пятна опрашивающего сигнала был не более 500 м, нужно обеспечить расходимость луча не более 1/20 000 для принятой высоты орбиты ИСЗ (10 000 км). Для обеспечения такой параллельности (малой расходимости) опрашивающего пучка нужно, чтобы при разбросе фронтов излучаемых импульсов в 1см (дина волны ? = 1 см), диаметр антенны был 200 м. Антенны состоят из большого количества малых синхронизированных излучателей-приемников. За счет синхронизации элементарных излучателей и достигается острая направленность антенн, как при излучении опросного сигнала, так и при приеме отраженного сигнала. Опрашивающий импульс должен быть мощным (учитывая расстояние до поверхности) и коротким, порядка 3*10^-10 сек (для достижения требуемой точности).

Работа всех ИСЗ должна быть очень точно синхронизирована – ведь ошибка по времени в 10^-9 сек эквивалентна ошибке в определении координат в 30 см.

Синхронизированная работа всех ИСЗ может быть организована приблизительно так:

Время сигнала в пути (от излучающей антенны до поверхности + от поверхности до приемной антенны) будет колебаться от 2*(H/C) до (H/C) + (1.5*H/C) к соседнему ИСЗ. Грубо от 2/30 сек (0.066 сек) до 2.5/30 сек (0.084сек). Так что опрос растров (своих для каждого ИСЗ) на поверхности океана должен идти строго синхронно, одновременно для всех ИСЗ пачками опросных импульсов: излучение пачки в течение 0.06 сек; затем прием до прихода последнего ответного импульса предыдущей пачки (за время .0.006 сек + 0.084 сек). Плюс резервное время. Так что, можно сказать, что опрос должен идти циклами по 0.2 сек. Во время этого цикла можно опросить примерно 1/5 растра, т.е., 200 000 точек. Но излучение должно идти только в первые 0.06 сек из цикла продолжительностью 0.2 сек. То есть на опрос одной точки отводится 0.06сек/200000 точек = 3* 10^-7 сек/точку = 0.3 микросекунды/точку. После излучения очередного импульса продолжительностью 3*10^-10 сек антенна должна быть за 3* 10^-7 сек перестроена для излучения следующего импульса в соседнюю точку растра. То есть, должны быть перестроены задержки, с которыми элементарные излучатели, образующие антенну, будут излучать следующий импульс.

Все эти манипуляции при излучении легко укладываются во времени. Гораздо хуже будут обстоять дела при приеме сигналов, отраженных от разных точек поверхности океана. Ведь каждый спутник должен принять не только сигналы от точек, опрашиваемых им самим, но и сигналы от точек, опрашиваемых тремя (четырьмя) соседними ИСЗ. Кроме того, времена сигналов в пути, проходящих по разным траекториям (от излучателя до поверхности + от поверхности до принимающей антенны, в том числе и на другом ИСЗ) будут существенно различаться. То есть, на принимающую антенну может прийти раньше (или одновременно) сигнал от позже опрошенной точки. Как преодолеть эту проблему? Опять же, при нынешнем уровне электроники эту проблему можно разрешить достаточно просто. Цена вопроса упирается в количество и массу орбитального оборудования. А решение заключается в том, что нужно иметь не одну антенну, а много. Это достигается следующим образом: как при излучении, так и при приеме диаграмма направленности антенны изменяется не механическим путем (поворотом конструкции), а электронным – переключением задержек к элементарным излучателям, или от элементарных принимающих антенн к смесителю–сумматору сигнала. Поэтому из одного набора элементарных антенн можно получить несколько синтезированных принимающих антенн, предусмотрев нужное количество наборов принимающих линий задержки и смесителей – сумматоров сигналов.

Для изменения – переключения в нужном темпе диаграммы направленности антенны излучающие и принимающие наборы линий задержек управляются быстродействующими компьютерами с учетом изменения координат ИСЗ вследствие их движения. Кроме того, компьютеры должны еще принимать информацию о времени прихода на соседние спутники сигналов от точек, опрашиваемых данным спутником. И обрабатывать всю эту информацию. В том числе, суммировать, усреднять информацию (покусочно или скользяще) по нескольким полным циклам опроса всего растра (в течение 20 сек с целью уменьшения ошибок для неспокойного моря). А также сравнивать полученные значения высот водной поверхности со стандартными. Результаты сравнения передаются в наземные пункты контроля. Отсюда и возникают уже упоминавшиеся цифры – сотня наборов линий задержек и тысяча процессоров (для современной электроники это всего лишь несколько десятков килограммов).

Кроме большого объема чисто вычислительных работ процессорам придется заниматься и стабилизацией антенны огромных размеров.

Чтобы обеспечить создание антенны диаметром 200 м, нужно не так уж много. Она может быть выполнена объемной – в виде тетраэдра с 4 ребрами длиной по 200 м. Если принять массу ребер по 200 кг (1 кг/м), то получим вполне приемлемую массу несущей конструкции – 800 кг. В вершинах тетраэдра должно быть размещено основное оборудование. Элементарные антенны могут быть установлены на ребрах. А сам тетраэдр должен быть постоянно ориентирован на центр Земли, т.е., ИСЗ должен медленно вращаться вокруг оси, параллельной оси орбитального вращения, в темпе своего орбитального вращения вокруг Земли (подобно Луне). Если же вращение ИСЗ будет идти не в нужном темпе, или по какой-то причине возникнут механические колебания конструкции, то огромные вычислительные мощности ИСЗ позволят компенсировать все эти неприятности за счет пересчета и изменения задержек.

Конечно же, люди, знакомые с техникой, отметят, что невозможно добиться идентичности параметров многочисленных элементарных приемо-передающих антенн, и вследствие этого, невозможно достичь требуемых характеристик приемо-передающих орбитальных комплексов. Если направленность приемной антенны представляется вполне реальной – порядка 1/20 000 ? 10" (10 угловых секунд – это меньше разрешающей способности современных радиотелескопов), то диаграмма направленности антенны при излучении в 1/20 000 представляется технологически недостижимой (из-за разброса параметров отдельных элементов системы как по времени, так и по мощности). Однако эту проблему можно преодолеть обходным путем. Для этого совсем не обязательно добиваться идентичности характеристик элементов антенны, а можно подгонять параметры элементов антенн методом их пошагового изменения – подгонки задержек и мощности импульсов для каждой элементарной антенны в ходе эксплуатации орбитальных комплексов во время их пролета над юстировочным полем. Такие юстировочные поля должны состоять из многих автономных антенн, предназначенных для измерения характеристик импульсов, излучаемых ИСЗ (пространственного и временного распределения). И предназначены эти поля для корректировки параметров передающих антенн ИСЗ, входящих в состав СОМЦ. Поля могут иметь размеры 10 км * 10 км и могут быть размещены на непригодных для хозяйственных целей территориях. Например, в американском штате Невада или в Казахстане.

Орбитальный мониторинг цунами. Часть 2

Интересные статьи по теме:

1. Орбитальный мониторинг цунами. Часть 1
2. Орбитальный мониторинг цунами. Часть 3, заключительная

Введение

Цунами случаются не так часто, как землетрясения, но ущерб, наносимый ими, такого же порядка, что и ущерб от землетрясений. Это потому, что цунами сокрушают берега океанов (иногда и внутренних морей), где плотность населения и различных коммуникаций наибольшая. Особенно велики были потери от цунами на берегах Индийского океана в декабре 2004 г.

В связи с этим в очередной раз встал вопрос: как можно защититься от землетрясений, от цунами? Если не полностью избежать ущерба от этих грозных явлений, то хотя бы уменьшить его. Действительно, от зарождения цунами в окрестностях эпицентра подводного землетрясения до прихода волны цунами к берегу проходят десятки минут, и даже часы. За это время вполне можно вывести людей из опасной зоны. Если иметь надежную систему предупреждения …

В настоящее время во всем мире разрабатываются методы, создаются и даже работают системы предупреждения о цунами, землетрясениях, но их эффективность оставляет желать лучшего. Цель настоящей работы – показать, как можно существенно уменьшить ущерб от цунами и землетрясений, причем экономически эффективно. Показан один из вариантов, как именно можно это сделать.

Природа цунами

Для того, чтобы бороться с цунами, надо знать, как оно работает.

Известно, что цунами – это длинные (в направлении распространения) поверхностные гравитационные волны (волны на поверхности воды, движущиеся под действием сил тяжести), распространяющиеся по поверхности открытого океана со скоростью 700 – 900 км/час. Волна цунами в открытом море имеет высоту порядка всего лишь одного метра, или даже десятков сантиметров. Но когда эта очень длинная, казалось бы, безобидная волна накатывается на пологое мелководье, скорость ее продвижения падает, а высота возрастает в десятки раз – до десятков метров. Это и есть цунами. Существенное изменение параметров волны цунами в зависимости от глубины океана говорит о том, что цунами является не просто поверхностной водной. Ведь если бы она была чисто поверхностной, то на ее высоте и скорости распространения рельеф дна океана начинал бы сказываться лишь тогда, когда глубина океана уменьшилась бы до единиц метров. Из наблюдений же следует, что волна цунами «чувствует» изменение глубин океана в пределах километров. Откуда и следует вывод, что цунами имеет более сложную природу, чем просто поверхностная волна с чисто вертикальным смещением водных масс.

Длина волны в открытом море в направлении ее распространения составляет десятки километров, а ширина (вдоль фронта волны) – сотни и даже тысячи километров. Эти параметры волн цунами измерялись, оценивались различными методами. В частности, во время цунами 26.12.2004 (через 2 часа после землетрясения) над Индийским океаном пролетал спутник (введенный в эксплуатацию еще в 1992 г ), который производил съемку профиля поверхности океана непосредственно вертикально под спутником. Траектория спутника пересекла и волну цунами. Из приведенного в ссылке профиля поверхности океана с движущейся волной цунами видно, что ее высота в открытом океане порядка 1м, длина волны порядка 50 – 100 километров. О ширине фронта волны судим по последствиям. Так что, даже учитывая лишь отклонение водной поверхности от стандартной (и не учитывая некоторое движение всей океанической толщи), получаем, что по поверхности океана движутся огромные массы воды объемом в кубические километры:

V = 1м * 50 000 м * 100 000 м = 5 км³ на фронте в 100 км.

Профиль волны в открытом океане движется со скоростью 200 – 250 м/сек. Но вода, составляющая эту пологую волну, движется с невысокой скоростью, так что пассажиры корабля, поднявшегося на волне цунами в открытом море, даже не заметят ее.

Как возникает волна цунами, что является ее первопричиной? Имеется несколько возможных вариантов: Подводные взрывы, извержения подводных вулканов, оползни (и чисто подводные, и спускающиеся в воду с суши), подводные землетрясения, а также землетрясения на суше вблизи океанов и морей. Попытаемся рассмотреть эти варианты. Можно даже изготовить примитивную модель цунами. Скажем, прикрепить к днищу резиновой лодки планки, налить на днище воды, и двигать эти планки для имитации движений океанического дна во время цунами – генных землетрясений.

Изобразим на рисунке варианты возможных первопричин, генерирующих цунами, и оценим возможности этих причин в качестве генераторов цунами.

Сравнивая объемы воды, которые могут быть приведены в движение той или иной предполагаемой причиной, мы должны будем прийти к выводу, что обычные и даже ядерные подводные взрывы не могут вызвать сколько-нибудь значительного цунами. То же самое можно сказать и о чисто подводном оползне: какой-то объем пород, смещаясь наклонно вниз, вытесняет воду. Но вытесненная вода перемещается на место сместившейся породы. Так что далеко идущие волны вряд ли возникнут. При сползании больших объемов породы с суши в воду локальные цунами возможны и иногда бывают. Но не на весь океан.

При извержении подводного вулкана также вряд ли возможно образование мощного цунами. Пример извержения Кракатау (когда от цунами погибло около 36 000 человек) не является доказательством цунамигенности извержений вулканов, поскольку во время извержения Кракатау под воду опустилось несколько близлежащих островов. Опускание островов говорит о том, что при извержении Кракатау опустилась часть земной коры. И, скорее всего, именно это быстрое опускание одного участка коры и поднятие другого было причиной цунами при извержении Кракатау. Подсчитаем возможную скорость вытеснения воды продуктами извержения вулкана. Пусть сечение жерла вулкана 100 м * 100 м. И пусть скорость истечения вещества из жерла подводного вулкана порядка 400 м/сек. Даже при таких фантастических характеристиках за 10 секунд будет извержено всего лишь 0.04 км³ материала. Понятно, что такие темпы извержения не могут сгенерировать волну цунами с приведенными выше объемами. Но, на самом деле, скорость вытеснения воды из окрестностей вулкана будет гораздо меньше даже такой сравнительно (с объемом волны цунами) небольшой скорости поступления вещества из вулкана. Это потому, что выделенный вулканом объем лавы был выдавлен из объема под вулканом, поэтому кора в окрестностях вулкана должна будет просесть примерно на объем выдавленного из вулкана вещества. Это верно для случая извержения лавы, а не газа.

Если же извергается газ с плотностью, скажем, в пятьдесят раз меньшей плотности окружающего вещества, то окрестности просядут на (1/50) * 0.04 км³ , а газ выйдет из воды. Так что большого цунами тоже не получится. Если же будет иметь место не просто бурное выделение, а газовый взрыв вулкана, то, учитывая соотношение давлений газа до взрыва и после, мы придем к выводу, что при глубоководном извержении объем газа при выходе из вулкана никак не может увеличиться, более, чем в три раза (P*V = R*T). Это в атмосфере, где давление мало, газ может сильно расшириться. А на дне океана при огромных давлениях воды (мало отличающегося от давления в жерле подводного вулкана) большого увеличения объема газа, выделившегося из подводного вулкана, не будет.

Так что возникновение цунами в результате извержения подводного вулкана маловероятно. И претендентами на роль генераторов глобальных цунами остаются только землетрясения. Да и то далеко не все. Возможные варианты деформации коры океанического дна при землетрясениях изображены на рисунке 1 ( д ? л, н ).

Но, в данном случае нас интересует не столько проникновение в тонкости явления возникновения цунами, сколько практический вопрос раннего обнаружения цунами с целью уменьшения потерь. Ситуация здесь представляется аналогичной той, когда нас мало интересует природа пробоя электрического кабеля в то время, как по причине этого самого пробоя мы застряли в лифте. А ведь в вопросе своевременного надежного обнаружения цунами речь идет не о сохранении спокойствия, а о возможности спасения десятков тысяч человеческих жизней и огромных материальных ценностей ежегодно (если в одном году обходится без потерь, так в другом теряется 300 000 жизней). Поэтому наше предложение, прежде всего, заключается в надежном оперативном обнаружении цунами – в первые же секунды его распространения по океану. При этом останется достаточно времени на спасение всех людей на цунами опасном побережье, и даже части их движимого имущества.

Постановка задачи

Сегодня уже существуют системы предупреждения о распространении цунами. В них главную роль играют показания придонных датчиков давления в сейсмоопасных районах морского дна, а также оперативные данные сейсмологических станций о землетрясениях, только что произошедших под морским дном. Датчики давления заранее размещаются вблизи эпицентров предполагаемых землетрясений

Почему мы предлагаем какую-то неизвестную систему раннего обнаружения цунами, если системы обнаружения цунами уже имеются и достаточно успешно работают? Оказывается, существующие системы работают не так уж и хорошо.

С одной стороны, они достаточно дороги. Требуют предварительного размещения достаточно сложного и дорогого оборудования – измерительной и передающей аппаратуры – во всех сейсмически опасных точках мирового океана (и Средиземного моря).

С другой стороны, даже при большом количестве измерительных датчиков в сейсмоопасных зонах хотя и редко, но случаются пропуски (необнаружение) волн цунами на участках, еще не оборудованных датчиками. К тому же, существующие системы обнаружения цунами довольно часто поднимают ложные тревоги, приносящие изрядные экономические потери. Это происходит потому, что датчики расположены непосредственно в сейсмоопасных зонах, за тысячи километров от ложно предупреждаемых побережий. И хотя датчики в сейсмоопасных районах правильно показывают прохождение над ними волны (показывают соответствующее увеличение давление воды на дне), а сейсмографы фиксируют сейсмические события на дне океана, этих данных оказывается недостаточно для корректного решения задачи о распространении волн цунами. В результате и выдаются ложные предупреждения. Ложных срабатываний довольно много (2/3 от общего количества тревог, а по некоторым данным до 75% ). Так получается потому, что далеко не все землетрясения порождают цунами. Как, например, землетрясение с горизонтальным сдвигом плит океанического дна навстречу друг другу по касательной (рис 1ж)). Или при точечном землетрясении (с малой эпицентральной зоной), когда энергия круговой волны на поверхности океана, приходящаяся на единицу длины фронта волны, быстро уменьшается. Несколько быстрее, чем обратно пропорционально расстоянию, поскольку полная энергия по всему круговому фронту волны по мере ее продвижения не увеличивается, хотя ширина фронта волны увеличивается пропорционально удалению от места зарождения цунами.

Конечно, для уменьшения количества ложных срабатываний существующих систем предупреждения о цунами есть еще ресурсы – можно увеличить количество датчиков. Кроме того, есть некоторый запас времени для полного обсчета землетрясения по данным с нескольких сейсмических станций. Но такой расчет все равно даже при наличии хорошей теории не может дать точного прогноза движения волны цунами, поскольку нужно еще учесть рельеф дна океана. Да и ошибки измерений проявляются. Так что увеличение надежности работы уже существующих систем обнаружения цунами без кардинального изменения методов, лежащих в основе этих систем, представляется мало перспективным.

Почему это происходит? Почему трудно или даже невозможно предвидеть поведение волны цунами за тысячи километров от сейсмического очага? Для того, чтобы предвидеть, вычислять поведение цунами на всем ее пути, следует в совершенстве знать механизм возникновения и распространения волн цунами после землетрясения на морском дне и иметь безошибочный рецепт предвычисления поведения волны цунами по начальным данным – по показаниям датчиков давления, по характеру движения океанической коры во время землетрясения, породившего цунами. Необходимо знать начальный фронт волны и рельеф океанического дна на всем пути волны.

Что мешает дать правильный прогноз поведения цунами? Это:

Недостаток данных по всему пути следования волны.

Невозможность быстрого расчета поведения волны на всем пути ее следования.

Но даже при полной информации о рельефе дна и начальном фронте волны (который, кстати, нельзя получить от работающих сегодня систем – нужно иметь слишком много датчиков) задача слишком сложна. Она не может (исходя из начальных данных, полученных в зоне возникновения цунами) быть корректно решена не только за время, оставшееся до прихода волны к побережью, но и вообще.

Гораздо более точной и надежной представляется такая система, в которой распространение волны цунами (начиная от самого ее зарождения и до прихода к побережью) наблюдается непосредственно, путем непрерывного сканирования поверхности океана с искусственных спутников Земли (ИСЗ). Результаты измерения (сканирования) можно обрабатывать автоматически. Кроме того, картину распространения цунами (подобную) может наблюдать оператор на экране монитора, где визуализируются результаты сканирования рельефа океана. При этом картина на мониторе будет отражать реальное текущее состояние поверхности океана в темпе сканирования его поверхности, а не через несколько часов после события.

Поэтому мы и предлагаем метод предупреждения о цунами, основывающийся на прямом непосредственном измерении параметров распространяющейся волны цунами, а не на многоступенчатых вычислениях – на нескольких опосредующих звеньях цепочки интерпретаций информации от придонных датчиков давления воды и регистраторов сейсмических волн. Для этого мы предлагаем делать с необходимой частотой снимки рельефа высот поверхности океана. И сравнивать в реальном времени измеренные уровни океана со стандартным (=стационарный уровень (=геоид) + приливные вариации). При обнаружении опасных волн поднимать тревогу. И продолжать наблюдение за движением волны. Может быть, обнаруженная волна и не докатится до побережья. В этом случае предварительную тревогу (готовность к эвакуации) можно и отменить. А измерять рельеф уровня океана следует с высоты ИСЗ на орбите. Для мониторинга всей акватории мирового океана нужно иметь целую систему таких специальных ИСЗ.

Но возможно ли это? Для ответа на этот вопрос рассмотрим рисунок 2.

Слева изображен уголковый отражатель. О нем мы поговорим несколько позже.

Волна цунами имеет следующие характеристики:

Высота h = 30 ? 100 см.

Длина волны ? = 50 ? 100км (вдоль направления распространения, перпендикулярно фронту волны).

Ширина волны (вдоль фронта) – сотни и тысячи километров.

Скорость распространения волны V = 200 ? 250 м/сек.

Характеристики цунами приводятся во многих справочниках. Их можно взять также из результатов прямого измерения, проведенного неспециализированным ИСЗ именно в момент распространения по Индийскому океану волны цунами 2004 г.

На примере профиля поверхности океана, полученного этим неспециализированным спутником, видно, что мониторинг цунами с орбиты ИСЗ технически вполне возможен.

Но не так все просто. Действительно, достаточно легко измерять высоту поверхности океана непосредственно под ИСЗ, где поверхность океана перпендикулярна направлению распространения радиолокационного импульса (как это и было сделано). Для этого достаточно зафиксировать время прихода на принимающую антенну ИСЗ переднего фронта радиоимпульса, отраженного от поверхности воды. Но это для высоты поверхности непосредственно под спутником. А как быть со всей остальной гигантской площадью океанов и морей? Ограничиться только малой площадью непосредственно под несколькими ИСЗ? Или запустить огромное количество спутников? Так никаких ресурсов не хватит.

Выход видится в том, чтобы научиться точно и надежно сканировать высоту поверхности океана в стороне от вертикали к ИСЗ – тогда можно обойтись сравнительно небольшим количеством ИСЗ. Но при попытке сканирования высоты водной поверхности несколько в стороне от вертикали (где импульс падает на поверхность воды под углом к ней) сразу же натыкаемся на массу трудностей. Для их преодоления необходимо иметь:

• мощный короткий опросный импульс,
• очень остро направленную приемо-передающую антенну, позиционируемую по направлению с очень большой точностью, с возможностью очень быстрого ее перенаправления,
• вычислительные мощности для обработки принятого сигнала, потому что принятый сигнал, отраженный от наклонной поверхности уже не будет четким и коротким, как опрашивающий. Он будет протяженным во времени. Кроме того, сигнал будет иметь сложную форму, определяемую как распределением мощности в опросном сигнале, так и отражающей поверхностью. Так что придется производить очень много вычислений.
• систему устранения ошибок измерений, обусловленных отклонением сигнала от идеального, ошибками ориентации антенны, неровностями на поверхности океана (волны).

Орбитальный мониторинг цунами. Часть 1

Интересные статьи по теме:

1. Орбитальный мониторинг цунами. Часть 2
2. Орбитальный мониторинг цунами. Часть 3, заключительная