Разработка технических средств исследования взаимодействия геосфер на основе лазерно-интерференционных методов

Совпадение многих частотных максимумов в спектрах различных физических полей Мирового океана, Литосферы и Атмосферы указывают на: 1) возможный общий источник колебаний и волн для конкретных, совпадающих частот, всех геосфер- 2) существование отдельных источников в каждой геосфере, что связано, по-видимому, с внешним влиянием на геосферы в процессе их образования. В связи с этим можно сформулировать следующие задачи, требующие своего решения: 1) исследовать вопросы генерации и динамики колебаний и волн широкого диапазона частот в различных геосферах- 2) изучить законы трансформации колебаний и волн широкого диапазона частот на границе раздела сред и оценить степень их воздействия на физические процессы соседних сред- 3) исследовать физику взаимодействия волновых полей геосфер нелинейной и линейной природы, особенно на уровне фоновых колебаний. Эти задачи невозможно решить без применения в экспериментальных исследованиях широкополосной высокочувствительной аппаратуры. На сегодняшний день данным требованиям в лучшей мере соответствуют установки, созданные на основе современных лазерно-интерференционных методов.

Применение лазерно-интерференционных методов за счёт создания ряда приборов различного назначения, оптические схемы которых созданы на основе интерферометров Майкельсона, Фабри-Перо и их модификаций, при решении задач геодинамики, геофизики, океанологии, сейсмоакустики, позволило поднять па новый уровень научные исследования, получить ряд новых результатов. Это стало возможным благодаря более высокой их чувствительности по сравнению с приборами более традиционных типов, широкополосности и практически неограниченному динамическому диапазону. Для эффективного исследования вышеуказанных вопросов существует острая необходимость создания подобных установок, способных проводить измерения вариаций давления гидросферы и атмосферы в широком диапазоне частот на наноуровне — лазерных измерителей вариаций давления гидросферы и лазерных нанобарографов.

Определяющим фактором во взаимодействии волновых полей системы «атмосфера-гидросфера-литосфера» являются атмосферные процессы, которые оказывают существенное нагружающее действие на океанические и литосферные процессы при прямом и параметрическом (через гидросферу) воздействии. Поэтому создание лазерного нанобарографа является остро необходимым.

При выполнении настоящей работы ставились следующие цели: разработка и экспериментальная апробация технических решений, направленных на повышение эффективности лазерно-интерференционных методов исследования процессов в системе «атмосфера-гидросфера-литосфера» .

Поставленные задачи были решены в диссертационной работе, общая характеристика которой сводится, в основном, к следующему.

Актуальность темы

.

Успешное изучение процессов, происходящих в океане и литосфере, а тятсже процессов взаимодействия з систсмс «атмосфера-! идросфера-литосфера», во многом определяется разработкой новых методов исследований. В последние годы особый интерес вызывают методы, позволяющие изучать физику процесса взаимодействия в системе геосфер на новом, прецизионном уровне, что в первую очередь относится к лазерно-интерференционным методам исследования. Актуальность постановки данной работы определяется, с одной стороны, необходимостью расширения круга задач, решаемых с применением лазерных деформографов, а также исследованию возможностей комплекса лазерный деформограф — лазерный нанобарограф. С другой стороны, прогресс в решении ряда конкретных задач, связанных, например, с динамикой внутренних и поверхностных морских волн на шельфе, с воздействием сверхнизкочастотных колебаний атмосферного давления на уровень микродеформаций земной коры, связывается именно с разработкой лазерно-интерференционных методов исследования.

Для решения задач изучения законов энергообмена в широком диапазоне частот в системе «атмосфера-гидросфера-литосфера», в большой степени определяющего развитие микроклимата в конкретных регионах, необходимо создание комплексов лазерный деформографов — нанобарограф, способных обеспечивать оперативный контроль и оценку вариаций напряжённо-деформационного поля Земли и их зависимость от нагружающего воздействия атмосферно-гидросферных процессов.

Большое научное и прикладное значение имеют исследования, направленные на развитие новых методов отслеживания перемещения локальных неоднородностей в океане, без активного воздействия на окружающую среду, что играет большую роль в безопасности судоходства. Эти вопросы тесно связаны с оценкой экологических последствий от воздействия на биои геосферу малоизученных инфранизкочастотных колебаний и волн.

Цели и задачи исследований.

Цель настоящей работы состоит в создании установки для изучения вариаций атмосферного давления на основе современных лазерно-интерференционных методов, изучению её возможностей и отработке методики проведения исследований на лазерно-интерференционном комплексе «деформограф-нанобарограф» по изучению литосферных деформаций в широком частотном и динамическом диапазонах, вызванных нагружающим действием процессов искусственного и естественного характера, происходящих в атмосфере и гидросфере и на границе системы «атмосфера-гидросфера-литосфера» .

В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

1.Создать прецизионную установку «лазерный нанобарограф» и исследовать основные её технические характеристики.

2.Разработать методику проведения комплексных исследований по изучению взаимодействия волновых полей системы «атмосфера-литосфера-гидросфера» в широком диапазоне частот на экспериментальном комплексе «лазерный деформограф — лазерный нанобарограф» .

3.Изучить вклад крупномасштабных и мелкомасштабных атмосферных процессов при прямом их воздействии на литосферу и параметрическом воздействии через океан на границе системы «атмосфера-литосфера.

ГЧ1 ТТ1ЛГ"/^/4ч <" > ' '.

1 W WLJJ V’JJCl.

4. Исследовать характер частотной зависимости взаимодействия атмосферы и земной коры в береговой зоне.

Научная новизна.

1 .Разработан, предназначенный для измерения атмосферного давления лазерный нанобарограф, имеющий практически неограниченный динамический диапазон, широкую полосу пропускания (до 100 Гц), и высокую чувствительность (5Е-4 Па).

2.Разработана и апробирована в натурных условиях методика изучения атмосферно-литосферных процессов и их взаимодействия.

3. Получены оценки некоторых параметров взаимодействия атмосферы и земной коры. Обнаружен обратный барометрический эффект воздействия атмосферы на земную кору в береговой зоне за счёт влияния водных масс.

4. Определён характер частотной зависимости взаимодействия атмосферы и земной коры в береговой зоне.

Обоснованность полученных результатов.

Обоснованность экспериментальных результатов, приведённых в диссертации, подтверждена путём многократного и тщательного проведения экспериментов при исследовании колебаний и волн широкого диапазона частот лазерно-интерференционными методами и сравнения полученных результатов с литературными данными и модельно-теоретическими оценками.

Практическая значимость результатов.

Тема диссертационной работы соответствует одному из направлений работ в Тихоокеанском Океанологическом институте ДВО РАН по развитию методов и средств дистанционного исследования атмосферы, океана, литосферы и их взаимодействия, а научные результаты, изложенные в ней, получены при выполнении госпрограмм, проводимых ТОЙ ДВО РАН: «Мировой Океан», «Вестпак», «Волны в Океане», «Акустика», а также ряда хоздоговорных тем, грантов РФФИ № 96−05−66 158 «Генерация, динамика и трансформация низкочастотных и сверхнизкочастотных колебаний Земли», № 97−05−65 032 «Вариации напряжённо-деформационного поля Земли в области переходных зон». В процессе выполнения работы разработан стационарный лазерно-интерференционный комплекс для изучения вариаций микродеформаций земной коры и причин, их вызвавших. Данный комплекс установлен на сейсмогидрофизическом полигоне м. Шульца.

Основные положения, выносимые на защиту.

Защищаемые положения:

1.Разработанные технические и методические решения по созданию лазерного нанобарографа, позволяющего измерять атмосферное давление на прецизионном уровне, дают возможность оценить воздействие вариаций атмосферного давления на упругие процессы земной коры и изучать возникновение и развитие литосферных и гидросферных явлений широкого диапазона частот на наноуровне.

2. Применение технических средств, созданных на основе лазерно-иптерфсрскционных методов, позволило выявить новые закономерности по.

Выводы.

Подтвержден обнаруженный в работах других исследователей [18, 22, 32] нагружающий эффект атмосферы на подстилающую поверхность. Выявлена сильная частотная зависимость вышеназванного явления. Показано, что для периодов менее 40 секунд отсутствует корреляция между колебаниями атмосферного давления и деформациями земной коры, в частности значения функции когерентности находятся в пределах 0.25 — 0.3, а значения коэффициента корреляции находятся в пределах 0.4. В области частот, соответствующей приливам, показано наличие колебаний атмосферного давления с периодичностью 12 и 24 часа, вызванных, предположительно, как атмосферным приливом, так и колебаниями температуры приземного слоя воздуха, вызывающее дополнительный нагружающий эффект на земную кору наравне с гравитационным воздействием небесных тел. Определен диапазон.

88 числовых значений, описывающий баро-сейсмическое взаимодействие. Явной сезонной зависимости при этом не обнаружено, возможно, из-за ограниченного объёма данных. Сделана оценка жёсткости подстилающих пород, при этом получено значение модуля упругости 320 МПа, существенно меньшее, чем модуль упругости основания в районе установки комплекса (гранит), что объясняется, предположительно, обратным барометрическим эффектом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В качестве основных результатов, полученных при выполнении данной работы, можно указать следующие: 1. Разработка установки.

1.1 Применение сочетания блока анероидных коробок в качестве барочувствительного элемента и лазерно-интерферометрического измерителя перемещений на основе частотно-стабилизированного лазера позволило получить измеритель атмосферного давления, обладающий высокой чувствительностью (5Е-4 Па), широкой полосой пропускания (от 0 до 500 Гц) и практически неограниченным динамическим диапазоном (определяется емкостью программного счётчика сбросов).

1.2 Параллельное измерение температурных полей делает возможным не только проводить комплексные исследования изменчивости атмосферного давления и деформационных полей литосферы, но, и, при необходимости, расчётным методом компенсировать температурные погрешности НБ.

1.3 Осуществлён ряд мероприятий конструктивного характера с целью увеличения точности и повышения стабильности работы системы регистрации, а именно: применено клиппирование выходного сигнала резонансного усилителяреализован оптоволоконный способ подачи сигнала на чувствительный элемент резонансного усилителяв блоке интегратора системы регистрации применено дифференцирующее звено и дополнительный сумматор для увеличения быстродействия.

2. Физические закономерности, выявленные в результате исследований, проведённых на экспериментальной установке.

2.1 Установлено, что реакция деформационного поля Земли на границе «атмосфера-гидросфера-литосфера» на вариации атмосферного давления в основном противоположна реакции коры континентального типа, за счет нагружающего воздействия гидросферы на литосферу, вызванного обратным барометрическим воздействием. Уменьшение давления вызывает сжатие земной коры береговой черты, а увеличение давления — ее растяжение. Выявлены частотные зависимости вышеназванного эффекта. Показано, что для периодов менее 40 сек сейсмичность земной коры некогерентна с изменчивостью атмосферного давления.

2.2 Обнаружена взаимосвязь между изменчивостью атмосферного давления, деформациями литосферы, колебаниями температуры наружного воздуха и приливными явлениями в диапазоне периодов 12 и 24 часа.

2.3 Определен диапазон числовых значений, описывающий баро-сейсмическое взаимодействие, в частности, рассчитан баросейсмический коэффициент, для которого получено значение.

С 1 ГТ&bdquo- /. Г^———— ————— ««««,. «^"^ «u. 1 на/iviMvi.^дихапа иц^-шча ж^ыличи ihj/л,^, 1*1 л аил-цил. in>pj, u».

91 получено значение 320 МПа, подтверждающее наличие обратного барометрического эффекта.

3.Разработка методики проведения комплексных исследований.

Показано, что созданная установка позволяет изучать степень воздействия атмосферных процессов на литосферные и гидросферные процессы на новом прецизионном уровне. Установленный вклад колебаний атмосферного давления инфразвукового и звукового диапазонов частот в уровень микродеформаций земной коры на границе «атмосфера-литосфера-гидросфера» позволяет оценить его воздействие на упругие процессы литосферы и изучить их влияние на возникновение и развитие литосферных и гидросферных явлений широкого диапазона частот на наноуровне.