بخشی از مقاله
چكيده
اين مقاله با هدف معرفي ظرفيتهاي فضاپايه در جهت بررسي پيش نشانگرهاي زلزله و همچنين پيش بيني احتمالي آن تدوين شده است. به همين منظور، طراحي يك ماموريت نوعي با هدف بررسي برخي از پيشنشانگرها انجام گرفته و طراحي سيستمي محموله و ماهوارهي متناسب با آن ارائه شده است. براي امكانسنجي اين طراحي، تجهيزات و زيرسيستمهاي آن با نمونههاي موجود كه مشخصاتي مشابه دارند، مقايسه شده و تطابق نسبي به تاييد رسيده است.
نتيجهي اين پژوهش، يك طرح سيستمي براي يك سيستم فضاپايه است كه برخي قابليت هاي لازم براي پيشبيني زلزله را فراهم ميسازد. براي پيش-بيني زمينلرزه كوتاه مدت به صورت عملياتي، ماهوارهاي با سه محموله تركيبي شامل يك سوندر فوقاني، يك طيفسنج جرمي و يك مغناطيسسنج به منظور پايش پيشنشانگرهاي كوتاهمدت زمينلرزه، طراحي شده است. در طرح اين ماهواره به محموله و پلت فرمي اشاره شده كه امكان سنجي پياده سازي آنها با ارجاع به نمونه هاي مشابه و تجهيزات فضايي شركتهاي معتبر، ارزش گذاري شده است.
١- مقدمه
بدليل تلفات جاني و مالي فراوان، زلزله يكي از زيانبارترين سوانح طبيعي در جهان محسوب ميشود. آگاهي دقيق و سريع از پارامترهاي رخداد زلزله شامل زمان، شدت، عمق، محل و محدودة آن ميتواند اهميت بسياري در امر امدادرساني و تهيه تداركات براي سازمانهاي امدادي و مديريت بحران داشته باشد. از آن مهمتر قابليت پيشبيني زلزله در بازههاي زماني مختلف است كه در صورت امكان، ميتواند كمكهاي بسيار زيادي به سيستمهاي مديريت بحران در جهت كاهش تلفات و زيانهاي ناشي از زلزله داشته باشد.
كيفيت پيشبيني، براساس دقت و فرصت پيشآگاهي از زمان، مكان و شدت زلزله ميتواند در سطوح مختلف به كاهش آسيبهاي ناشي از آن منجر شود. در دنياي امروز از فناوريها و سيستمهاي متنوعي براي تشخيص و پيشبيني زلزله استفاده ميشود. اما يكي از مهمترين فنآوريها در اين زمينه استفاده از سيستمهاي ماهوارهاي است كه سابقه حدوداً بيست ساله دارد ]١٠.[ در خصوص پيش بيني زلزله و همچنين پيش نشانگرهاي اتمسفري و فضايي، مطالعاتي توسط پاروت - ٢٠٠٤- ٢٠١٠ - ، لارنيكا ١٩٨٥، نيمك ٢٠٠٧ و ژوئين ٢٠٠٩ انجام شده است.
همچنين مطالعات ديگري در خصوص تغييرات توزيع الكترون و يونها در لايه هاي يونسفر و ارتباط آنها با ٤ رخداد زلزله توسط ورموث ١٩٩٨، ساركار و همكاران ٢٠١٠، و آخوندزاده و همكاران ٢٠١٠ انجام شده است. از ميان ماهوارههايي كه با ماموريتهاي مرتبط با اندازهگيريهاي پيش نشانگر هاي زلزله به فضا پرتاب شدهاند ميتوان به كامپس - COM-PASS - متعلق به روسيه در دسامبر٢٠٠١، كوئيكست - Quakesat - متعلق به آمريكا در ژوئن ٢٠٠٣ و ديمتر - DEMETER - متعلق به فرانسه در ژوئن ٢٠٠٤ اشاره كرد.
همچنين ميتوان به برخي پروژههاي ديگر مانند كامپس٢ - COM-PASS-2 - روسيه كه در سال ٢٠٠٥ اجرايي شده، مجموعه ماهوارهاي ولكان - Vulkan - متعلق به روسيه كه اولين ماهواره از آن در سال ٢٠٠٦ در مدار قرار گرفته، پروژهي اسپيريا - ESPE-RIA - متعلق به كشور ايتاليا كه زمان آغاز به كار آن هنوز نامشخص است، پروژه سيچ ام-١ - Sich-1M - متعلق به اوكراين كه در كنار محموله سنجش از دور خود، سنجنده الكترومغناطيسيِ پروژهي بينالملل واريان اف - Varianf - را جهت ثبت انعكاسهاي زلزلهاي الكترومغناطيسي حمل ميكند و در دسامبر سال ٢٠٠٤ پرتاب شده؛ اشاره كرد. هدف از اين پژوهش طراحي سيستمي يك ماهواره با ماموريت اندازهگيري و پايش پيش نشانگرهاي فضايي است كه با استفاده از نتايج آن پيش بيني زلزله را امكانپذير سازد.
٢- مباني فيزيكي و طراحي ماموريت
واكنشهاي انجام شده در لايه ليتوسفر زمين در هنگام وقوع زلزله باعث انتشار امواج الكترومغناطيس به فضا، كه يونسفر و كمربندهاي تابشي را تحث تاثير قرار ميدهد و سپس باعث ايجاد تلاطم و اختلال در ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي زمين ميشود كه طي آن پديده آزاد شده ذرات باردار پر انرژي را به دنبال دارد ]٢.[ ارتباط بين پديده هاي فضايي - پيشنشانگرهاي فضايي و اتمسفري - شامل تغييرات مولفههاي عمودي و افقي ميدانهاي الكتريكي، اختلالات ايجاد شده در ميزان چگالي يونهاي الكتريكي، بروز تغييرات توزيع حرارتي و انرژي در ذرات باردار در پروژه هاي مختلفي در دنيا مطالعه و بررسي شده است.
مهمترين نكته در پايش و اندازه گيري فضايي ثبت پيشنشانگرهاي زمين لرزههاي قريبالوقع كه از شدت ٥ به عنوان مقدار آستانه آغاز ميشود. براين اساس و با توجه به خصوصيات پيش-نشانگرها، پارامترهاي پلاسماي فضايي مرتبط با زمينلرزهها و ساير پيش نشانگرها با استفاده از ماهواره براي پيشبيني كوتاه-مدت امكان پذير نخواهد بود. همچنين پايش دقيق و پوشش كامل جهاني براي تمامي زمينلرزهها به صورت برخط، با استفاده از پيش نشانگرهاي يونسفري، را نمي توان با يك ماهواره فراهم كرد و وجود منظومه ماهوارهاي لازم ميباشد.
در طراحي ماموريت فضايي، به منظور پايش پيش نشانگرهاي زلزله، مهمترين فاكتورها ثبت پيشنشانگرها، پيشبيني زمان زلزله، اعلام هشدار، و طراحي محموله ماهواره براي ثبت پيشنشانگرها مي باشد. از ملاحظات ديگر طراحي ماموريت، انتخاب مدار ماهواره، پردازش دادههاي جمعآوري شده و همچنين مسأله اصلي گوارد دادهها، تعيين الگوريتم و روش مدلسازي براي پيشبيني برمبناي داده ها ميباشد. با بررسي نتايج ماموريت ماهوارههايي كه تا كنون پرتاب شدهاند و نگاهي به گستره تلاشها براي تعريف ماهوارههاي جديد و پيشرفته، پيچيدگي و اهميت تعريف مأموريت فضايي دقيق و هدفدار براي اخطاردهي در مورد قريبالوقوع بودن زمينلرزه بيش از پيش نمايان خواهد شد.]٥،٤،٣ و٦.[
٢-١- پيشنشانگرهاي فضاپايه مرتبط با زلزله
مطابق با بررسيهاي انجام شده، پيشنشانگرهاي زلزله قابل ثبت توسط ماهواره و فناورهاي فضايي عبارتند از: پيشنشانگرهاي يونوسفري - تغييرات فراواني بحراني و توزيع عمودي غلظت الكترون - ، پيش نشانگرهاي اپتيكي، پيشنشانگرهاي VLF، رسوب ذرات، پيشنشانگرهاي ELF، بينظميهاي مقياس كوچك، تغييرات جرمي متوسط يوني، پيشنشانگرهاي دمايي و بينظمي-هاي مقياس كوچك. نظر به اينكه در پروژه هاي تحقيقاتي و عملياتي فضايي، پيش نشانگرهاي يونسفري از گزينه هاي پركاربرد محسوب ميشوند.
در تحليلهاي پيشنشانگري زمين لرزهيونسفر- معمولاً دادههاي بسامد بحراني لايه F2 يونسفر و همچنين انحراف بسامد لايه F2 نسبت به ميانه ماهانه آن براي چند روز تا چند ساعت قبل از شوك زمين لرزه محاسبه و مورد استفاده قرار ميگيرند .[9] در جدول ١ ليستي از محمولههاي پايش پيش نشانگرهاي فضايي و پارامترهايي كه اندازهگيري ميكنند، ارائه شده است. ممكن است يك يا تركيبي از چند محموله از ميان اين محمولهها براي پايش به كار گرفته شوند.
٢- ٢- طراحي ماموريت و انتخاب محموله
يكي از محدوديت اصلي در طراحي يك سامانه ماهوارهاي بودجه و قدرتهاي تفكيك ميباشد. در جدول ٢ مروري بر مشخصات برخي محمولهها از اين ديدگاه شده است. با توجه به جدول ٢ قدرتهاي تفكيك براي پيش نشانگرهاي يونسفري حداكثر يكروز براي قدرت تفكيك زماني قابل قبول مي باشد، هر چند براي مقادير متفاوت، بررسي دقيق ماموريت و نياز به دادهها لازم خواهد بود.
همچنين بر اساس ملاحظات مطرح شده در پيش نشانگرهاي يونسفري و تحليلهاي فيزيكي انجام شده، تركيب سه پيش نشانگر احتمالاً كيفيت پيش بيني زلزله را افزايش ميدهد و از اين رو يك محموله مناسب بايد حداقل سه حسگر اندازه-گيري فوقاني، اسپكترومتر جرمي سطحي و سنسور مغناطيسي را براي اندازهگيري پارامترهاي مذكور لحاظ نمايد .[9]
٣- طراحي سيستمي ماهواره با قابليت پيشبيني زلزله
با توجه به ماموريت ماهواره كه قابليت ثبت پيشنشانگرهاي يونسفري مبتني بر اندازهگيري تغييرات ناشي از حركت صفحات زميني در مشخصههاي قابل اندازهگيري يونسفر است، محموله بصورت تركيبي از يك سوندر فوقاني، يك طيفسنج جرمي و يك مغناطيسسنج در طراحي لحاظ خواهد شد. با اين تركيب، امكان پيشبيني زلزلههايي با شدت بالاتر از ٥ ريشتر در بازه زماني چند ساعت الي چند روز امكانپذير خواهد بود. در ادامه طرح سيستمي هر يك از زيرسيستمهاي ماهواره نيز ارائه خواهد شد.
١-٣- زير سيستم محموله
وظيفه اصلي محموله، اندازه گيري تغييرات توزيع چگالي الكترون نسبت به ارتفاع در يك بازه زماني محلي مشخص بر روي يك منطقه زلزلهخيز است. اين تحليل نيازمند مدلسازي فيزيكي دقيق يونسفر نيز مي باشد. موارد مرتبط با سازگاري الكترومغناطيسي ماهواره نيز بايد به دقت در نظر گرفته شود. با توجه به موارد تجاري موجود، مشخصات محموله پيشنهادي در جدول ٢ ارائه شده است. شايان ذكر است ساختار طراحي و انتخاب قطعات محموله بر اساس ماژولهاي شركت SSTL انجام شده است. آنتنهاي سوندر فوقاني بايد بر روي وجهي از ماهواره نصب شوند كه رو به زمين قرار مي گيرد.
همچنين حسگر مغناطيسي بايد بر روي يك بوم باز شونده بر روي وجه رو به فضاي ماهواره جانمايي و نصب شود. طيفسنج جرمي نيز بايستي بگونهاي نصب شود كه مدخل ورودي آن در راستاي بردار سرعت ماهواره باشد. بنابراين ميتوان آن را بر روي همان وجهي نصب نمود كه آنتنهاي سوندر فوقاني قرار ميگيرند كه مشكلي براي نصب بوم بازشونده بر روي وجه مقابل آن وجود نداشته باشد. جزئيات بيشتر در مورد محموله در جدول ٣ ارائه شده است.
