Система оповещения о волнах цунами в глубоком океане

Проблема предупреждения волн цунами пока остается нерешенной. Компания "Элерон" разработала систему, предназначенную для защиты объектов прибрежного базирования, расположенных в сейсмически-активных районах океана, от угрозы волн цунами

Игорь Кадыков
Заместитель начальника отдела
ФГУП "Элерон", д.ф.-м.н.

Во всем мире районов, в которых возможны цунами, довольно много. В Атлантике источником цунами является сейсмоактивный Срединно-Атлантический хребет, а в Тихом – вся его сейсмически-активная западная окраина, а также область, прилегающая к Южной Америке. Для России опасными районами являются Курилы и Камчатка, дальневосточное побережье которых подвержено воздействию сильных цунами.


Их очаги генерируются как в ближних береговых зонах, так и в районах Аляски, Алеутских островов, Южной Америки. Волны цунами часто оставляли свой след в этих районах. В 1923 г. цунами практически полностью смыло Усть-Камчатск, а по археологическим данным известны накаты таких волн высотой до 50 м, которые достигали гористой части Камчатки. В 1755 г. 30-метровые волны цунами полностью разрушили столицу Португалии Лиссабон. Нередки цунами в Индийском океане – на побережье и островах Индонезии и на юге Индии (см. рис. 1).

Какие системы оповещения о цунами есть сегодня?

До настоящего времени остается актуальным заблаговременное оповещение о возникновении волн в открытом океане, вызванных землетрясениями. Существующие на Дальнем Востоке и в Японии системы мониторинга данных о зарегистрированных сильных землетрясениях и об изменениях уровня океана в прибрежной области не обеспечивают достаточной надежности и необходимого заблаговременного оповещения о цунами. Известная специализированная система оповещения DART (США), основанная на регистрации колебаний давления на дне океана и предназначенная для установки в открытом глубоком океане, слишком трудоемка в изготовлении и эксплуатации. В связи с этим невозможно расположить необходимое число таких средств вдоль границ опасных районов.

В России современная проблема угрозы цунами представлена в Федеральной целевой программе "Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в РФ до 2015 г.". Ее актуальность для восточного побережья Камчатки в недавнее время резко возросла в связи с предполагаемым размещением в 2013 г. в этой зоне плавучей атомной теплоэлектростанции (ПАТЭС). В связи с особой важностью такого объекта необходимо повысить эффективность существующей системы предупреждения об угрозе цунами, основанной на регистрации интенсивности землетрясений, за счет дополнения ее непосредственной регистрацией волн цунами в глубоком открытом океане.

Предлагаемую систему целесообразно интегрировать в существующие альтернативные региональные системы оповещения о цунами с уже развитой конечной компонентой в виде сети пунктов оповещения населения об обнаруженной угрозе

Кроме того, из-за высокой скорости распространения волн цунами, сравнимой со скоростью реактивного самолета, минимальное время до подхода волны может не превышать 10–15 минут, в течение которых традиционная система с ее иерархической структурой зачастую не успевает среагировать. Специфика же ПАТЭС такова, что необходимо немедленно реагировать на возможные чрезвычайные ситуации. Поэтому вынесение аппаратуры, регистрирующей волну, непосредственно в место ее возникновения в океане, существенно сокращает время реагирования на угрозу.

Преимущества новой системы от компании

"Элерон" Цель предлагаемой системы оповещения о волнах цунами – существенное сокращение времени от момента регистрации волн до оповещения о них, не превышающее нескольких минут, и многоразовый принцип действия системы при простоте конструкции и эксплуатации.

Такой технический результат достигается тем, что в предлагаемой системе многоразового действия для заблаговременного оповещения о цунами блок, регистрирующий колебания давления в водной среде, находится на глубоком дне. А блок или контейнер с помещенными в него несколькими радиопередатчиками притоплен в приповерхностной области на своем якоре. При этом оба блока связаны по акустическому каналу в водной среде.

При возникновении колебаний давления в воде, характерных для волн цунами, команда с блока на дне, зарегистрировавшего эти колебания, передается по акустическому каналу на контейнер с радиопередатчиками и один из радиопередатчиков отсоединяется от контейнера, всплывает на водную поверхность для передачи радиосигнала на спутник и береговой пост. Каждый из оставшихся в контейнере радиопередатчиков используется в дальнейшем при очередном возникновении цунами.

Удаление притопленного контейнера с радиопередатчиками от водной поверхности позволяет освободить контейнер от воздействия поверхностного волнения. Для этого достаточно притопить его на 20–30 м от поверхности воды, и при этом сохраняется достаточная близость водной поверхности для обеспечения быстрого всплытия радиопередатчика после его отцепления от контейнера.

Принципы функционирования системы в глубоком океане

Особенность такого способа – автономная работа системы в ждущем режиме вдали от берегов на глубинах ложа океана 4–5 км и более, вплоть до максимальных океанических глубин, с регистрацией волн давления на частотах в области 0,001–0,002 Гц. Механизм образования волн цунами таков, что их высота, небольшая в открытом океане при длине волн более 100 км, при подходе к береговой зоне возрастает до нескольких метров. Эти волны приводят к давлению на дне в указанной полосе частот, существенно превышающему (до 1000 раз) естественный окружающий шум океана в указанной полосе частот, что облегчает их обнаружение на естественном шумовом фоне океана.

Исходя из рассмотренных условий, приемная часть системы, воспринимающая колебания давления в водной среде, должна быть малочувствительной и работать на дне океана в ждущем режиме в течение значительного времени – до 10 лет и более, характерных для интервалов возникновения волн. Станция должна состоять из двух автономных по электропитанию блоков, механически и пространственно разъединенных между собой: лежащий на дне блок, регистрирующий колебания давления в указанной полосе частот, характерных для цунами, и заякоренный на тросе контейнер с несколькими радиопередатчиками.

Цель предлагаемой системы оповещения о волнах цунами – существенное сокращение времени от момента регистрации волн до оповещения о них, не превышающее нескольких минут, и многоразовый принцип действия системы при простоте конструкции и эксплуатации

При практическом выполнении станции целесообразно дооборудовать блок, лежащий на дне, измерителем сейсмической компоненты сигналов землетрясений, идущей по земле и приходящей раньше волны цунами за счет высокой скорости распространения сейсмических волн в грунте. Эта компонента, как предвестник цунами, может служить источником дополнительных сведений о местоположении очага землетрясения и силе толчка, а в техническом плане может быть использована для запуска регистрирующей аппаратуры станции из ждущего в рабочий режим. Возможный вариант технического выполнения контейнера с радиопередатчиками, помещенного в водную среду, представлен на рис. 2.


Здесь 1 – контейнер в виде полого цилиндра, в который уложены друг на друга несколько радиопередатчиков (2), каждый из которых заключен в сферический корпус, прозрачный для радиоволн. Контейнер оборудован дозиметром (3), освобождающим для всплытия верхнюю сферу с радиопередатчиком по команде, поступающей по акустическому каналу на приемник акустических сигналов (4). Контейнер удерживается в вертикальном положении с помощью троса (5) на якоре за счет сил положительной плавучести со стороны помещенных в него сфер с радиопередатчиками.

При возникновении колебаний давления в водной среде, превышающих определенный уровень, характерный для разрушительных цунами, команда с блока на дне, зарегистрировавшего эти колебания, передается по акустическому каналу связи на контейнер с радиопередатчиками, и один из них автоматически отсоединяется от контейнера, всплывает на водную поверхность и передает радиосигнал оповещения о возникновении волн цунами и координаты станции на спутник и береговой пост. Каждый из оставшихся в контейнере радиопередатчиков используется в дальнейшем при очередном возникновении волн цунами.

Система прекращает свое существование после того как будет израсходован весь запас радиопередатчиков в контейнере или закончится ресурс по электропитанию, что экономически целесообразно, учитывая большой срок непрерывной работы системы. При израсходовании всего запаса радиопередатчиков, размещенных в контейнере, пустой контейнер и трос под своей тяжестью опускаются на дно.

Успешность реализации предлагаемого проекта

В 2007–2009 гг. ФГУП "СНПО "Элерон" совместно с Росгидрометом в рамках реализации ФЦП "Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в РФ до 2010 г." был сделан существенный задел, гарантирующий успешность реализации предлагаемого проекта. В частности, получен опыт создания комплексных систем защиты атомных объектов со стороны водной среды, проведены НИОКР в обеспечение создания на Камчатке сейсмологической системы предупреждения об угрозе цунами. Разработаны технические, технологические и программно-аппаратные решения по расчету характеристик волн цунами, таких как время подхода волны цунами к пунктам побережья, высота волн цунами в пунктах побережья, разработаны физические принципы создания сверхнизкочастотных датчиков давления.

Особенность такого способа – автономная работа системы в ждущем режиме вдали от берегов на глубинах ложа океана 4–5 км и более, вплоть до максимальных океанических глубин, с регистрацией волн давления на частотах в области 0,001–0,002 Гц

Предлагаемую систему целесообразно интегрировать в существующие альтернативные региональные системы оповещения о цунами с уже развитой конечной компонентой в виде сети пунктов оповещения населения об обнаруженной угрозе. Ожидаемый основной показатель эффективности такой системы в виде времени принятия решения об угрозе цунами с учетом интенсивности и оценок параметров землетрясения должен составить не более 180 с после начала регистрации волны цунами в глубоком открытом океане.