автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Воздействие гелиогеофизических факторов на аварийность в гражданской авиации

Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова

Росгидромет

На правах рукописи УДК 551.388

Ларичев Игорь Леонидович

Воздействие гелиогеофизических факторов на аварийность в гражданской авиации.

специальность 05.11.13 -Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и

изделий.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2004 г.

Работа выполнена в Институте прикладной геофизики имени академика

Е.К.Федорова

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор, академик РАЕН Авдюшин С.И

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Шустов Э.И.

- кандидат физико-математических наук, доцент Буров В.А.

Ведущая организация: Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн

Защита диссертации состоится « 29 » декабря 2004 г.вД час. 00 мин. На заседании диссертационного совета Д 327.008.01. в Институте прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова по адресу : 129128, Москва, ул. Ростокинская, д. 9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова

Автореферат разослан «_»_ 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 327.008.01.

РАН

кандидат физико-математических наук

Старкова А.Г.

33993

Введение.

л^^^ггк ппоблемы. Последние десятилетия в мире наблюдается все возрастающая роль гражданской авиации в деятельное™ человечества. Это проявляется в увеличивающемся „количестве воздушных рейсов, в интенсификации работа аэропортов, в увеличении количества аэропортов. Повышается количество гражданских воздушных судов одновременно находящихся в воздухе, это, в частности, достигается за счет сокращения интервалов вертикального эшелонирования. Вводятся в эксплуатацию воздушные лайнеры, вмещающие все большее количество пассажиров. Увеличивается число малых воздушных судов, в том числе находящихся в частном пользовании. Естественно, подобный рост сопровождается применением ряда мер технического и эксплуатационного характера, призванных обеспечить безопасность воздушного движения.

Вместе с тем происходят, по-ввдимому, неизбежные авиационные происшествия: катастрофы (с жертвами) и аварии. Статистика показывает, что, несмотря на технический прогресс, в последние десятилетия число авиационных происшествий в гражданской авиации не обладает ни возрастающей, ни уменьшающейся тенденцией. То же самое относится ик другому показателю - числу аварий на миллион самолето-вылетов. Данное явление было предметом исследования ряда организаций, как отечественных «к и зарубежных. Общим результатом таких исследований была дифференциация летных происшествий по причинным факторам. На первом месте (60-70%) по всеобщему мнению находится так называемый человеческий фактор - различные ошибки и неадекватные действия экипажей самолетов, наземного персонала, обслуживающего полеты и т.д. На втором месте находится технический фактор - неисправности иопсазы авиационной техники (до 20%). Далее следуют погодные и неопознанные факторы. Каждый из этих факторов является следствием целого ряда

РОСГНАЦИОИАЛЬНА* БИБЛИОТЕКА

УЯра»

причин. Их можно разделить на природные и антропогенные. К числу природных причин относятся главным образом геофизические явления, которые в соответствии с пространственными масштабами можно подразделить на планетарные (десятки тыс.км), региональные (тыс.км) и локальные (сотни км). Антропогенные явления можно подразделить на техногенные (поля радиостанций, аварии на ядерных объектах) и социальные (эксплуатация устаревшей или изношенной техники, плохие условия труда авиационных специалистов в ряде стран).

Из всех планетарных геофизических явлений следует выделить атмосферные эффекты, связанные с землетрясениями, солнечными вспышками и магнитными бурями. В целом ряде исследований указывается на воздействие этих явлений на состояние здоровья различных категорий населения. Существенно, что в РФ и в ряде других стран имеются устоявшиеся геофизические службы для наблюдения этих явлений, которые при их соответствующем развитии могли бы послужить основой для выработки прогностической информации предупреждающей экипажи, находящиеся в полете, и наземные службы о геофизической опасности для полетов воздушных судов. В геофизических исследованиях, в частности, вариаций магнитного поля Земли принята система дискретных характеристик, именуемых индексами. Подобная система может быть разработана и применительно к геофизической опасности для полетов воздушных судов. В силу специфики работы экипажей самолетов представляется целесообразным придавать индексу два значения: "опасно"/ "безопасно". В таком виде геофизическая информация может быть легко воспринята экипажами. Этим определяется актуальность проблемы исследований планетарных геофизических явлений в контексте разработки представлений о планетарном индексе геофизической опасности для полетов воздушных судов, как одной из компонент

суммарного геофизического индекса.

, * р

I

Целью работы является создание схемы обработки текущих данных о планетарных геофизических явлениях, позволяющей получить прогностическую информацию для выработки данных о значении планетарного индекса геофизической опасности для полетов воздушных судов гражданской авиации.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- Охарактеризовать взаимную географию планетарного распределения авиалиний (дальние и местные), с одной стороны, и положение источников сейсмического воздействия на атмосферу, а также временную группировку вспышечных и магнитных буревых явлений, с другой стороны.

Разработать представления о пространственно-временных сосредоточенных объектах применительно к авиационным происшествиям и к планетарным геофизическим явлениям, включая анализ различных схем установления связи между событиями.

- С помощью интервальных (годовых и квартальных) оценок получить неизвестные ранее подтверждения факта связи между появляемостью сосредоточенных планетарных геофизических явлений и появляемостью авиационных происшествий.

Проанализировать пространственно-временные группировки авиационных происшествий в периоды после катастрофических землетрясений, солнечных вспышек Х-класса, и магнитных бурь.

- Разработать представления о суммарном индексе геофизической опасности для полета воздушных судов гражданской авиации и о его компоненте - планетарном индексе геофизической опасности.

Методы исследования. В работе применяются традиционные классификации воздушных происшествий и планетарных геофизических явлений. Дня установления связи между явлениями с различной сосредоточенностью в пространстве-времени применяется метод

з

сопоставления группировок лоявляемости событий. Группировки сопоставляются на основе интервальных оценок, метода наложения эпох, а также на основе локализации происшествий на плоскостях дальность-время. Для проверки детерминированного характера группировок используется сопоставление с распределением Пуассона, являющегося моделью случайных редких группировок на плоскости соответствующих параметров.

Достоверность и обоснованность предложенного алгоритма определяется использованием прямой связи между появляемостью сосредоточений во времени планетарных геофизических явлений и появляемостью воздушных происшествий в гражданской авиации. Прозрачность применяемых методов расчета, соответствующих инженерно-техническим подходам также свидетельствует в пользу обоснованности предложенного алгоритма.

Научная новизна состоит в следующем;

- На основе интервальных оценок (год, квартал) с использованием полувекового массива данных о воздушных происшествиях получены новые данные, свидетельствующие о наличии связи между потоком данных о планетарных геофизических феноменах и потоком данных о воздушных происшествиях в гражданской авиации.

- Впервые получена двумерная картина точек, соответствующих происшествиям на плоскости - сдвиг дат относительно момента главного удара катастрофического землетрясения и расстояние от эпицентра до места воздушного происшествия.

- Впервые получена двумерная картина точек, соответствующих происшествиям на плоскости - сдвиг дат относительно солнечной вспышки рентгеновского класса (в полосе широт 25 < ^ <; 60) и расстояние от места авиационного происшествия до земного экватора.

- Впервые разрабатывается концепция индекса опасности для полетов воздушных судов в гражданской авиации.

На защиту выносятся:

- Установление связи между потоком данных о воздушных происшествиях в гражданской авиации и потоком данных о числе катастрофических землетрясений (М> 7) и значениями среднеквартальных Ар- индексов на основе интервальных оценок

(интервалы - год, квартал) с использованием массива данных за полувековой период. Коэффициенты связи находятся на уровне ~ 0,7.

- Результаты анализа распределения точек, соответствующих отдельным воздушным происшествиям на плоскости - сдвиг дат происшествия и катастрофического землетрясения, расстояние между местом происшествия и эпицентром, заключающиеся в установлении двух типов неравномерностей распре деления точек: наличие пустой зоны при малых сдвигах (0-2 дня)

и расстояниях (0-4 тыс.км) и наличие областей сгущений точек.

- Результаты анализа распределения точек, соответствующих отдельным воздушным происшествиям на плоскости — сдвиг дат происшествия относительно дат геоэффективных рентгеновских вспышек (25 < Ж < 60), расстояние от экватора до места происшествия, заключающиеся в установлении факта неравномерного распределения точек на плоскости.

- Схема формирования в бинарном коде планетарного индекса геофизической опасности для полетов воздушных судов в гражданской авиации.

Практическая и научная ценность диссертационной работы обусловлена ее прикладной ориентацией на создание информационного планетарного индекса геофизической опасности для полетов воздушных судов, использование которого должно привести к снижению числа

воздушных происшествий в гражданской авиации. Научная ценность работы заключается в установлении ряда конкретных проявлений воздействия на организмы пилотов и специалистов наземных служб гелиогеофизических явлений: катастрофических землетрясений, солнечных вспышек Х-класса, магнитных бурь.

Реализация и внедрение результатов работы. Полученные в диссертации результаты использовались в научно-исследовательских работах ИПГ по тематике НИОКР «Резонанс».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены на:

- юбилейной научной конференции, посвященной десятилетию РФФИ, г.Москва, 2002 г.

Ш Научно-практической конференции "Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций", г.Москва, 2003г.

- международной научной конференции "Авиация и космонавтика", г.Москва, 2003г.

- научной конференции молодых специалистов Института прикладной геофизики, г.Москва, 2003г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 6 - научные статьи и брошюра , 3 тезисов докладов на научных конференциях.

Личный вклад соискателя. Все исследования, изложенные в диссертации проведены лично соискателем в процессе научной работы. Из совместных публикаций в диссертацию включен лишь тот материал, который непосредственно принадлежит соискателю, заимствованный материал обозначен в работе ссылками.

Структур» и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Имеет общий

б

объем 146 стр., в том числе 91 стр. основного текста, 3 таблицы, 47 рисунков, 40 наименований списка литературы.

Содержание работы.

Во введении к диссертационной работе обоснована актуальность темы, сформулирована цель и основные задачи, решение которых необходимо дня достижения цели исследования, приведены положения, выносимые на защиту, приведены структуры и краткое содержание работы. В силу новизны проблемы диссертация не содержит специальной обзорной главы. Небольшое число имеющихся научных публикаций по тематике работы проанализированы, соответственно, в каждой из глав диссертации. Введение также содержит изложение основной методологической концепции работы. Ее суть заключается в том, что авиационные происшествия представляют собой сосредоточенные по времени и пространству редкие явления. Их возможные причины являются также сосредоточенными по времени и пространству планетарными гелиогеофизическими явлениями. (Непредсказуемые очень редкие события - удар молнии в самолет, столкновение с птичьей стаей, попадание в зону турбулентности ясного неба и т.д., - в работе не рассматриваются.)

Первая глава начинается с рассмотрения особенностей устройства самолетов, как объектов начинающих движение на земной поверхности, затем после взлета, продолжающих движение в воздухе, затем, после посадки, завершающих движение по земной поверхности. Приводится сравнение пространственных характеристик распределения трасс полетов воздушных судов гражданской авиации и планетарных геофизических явлений, воздействие которых на здоровье различных категорий больных было установлено ранее. Вторым рассматриваемым здесь вопросом является география дальних и местных авиалиний. Используются

ч

различные источники данных: интернет, публикации. Отмечается, что наибольшая густота дальних авиалиний охватывает Север Атлантики, окраинные области Тихого океана. Местные авиалинии охватывают территории развитых стран: США, страны Европы, Китай, Индия, Япония, Ближний Восток; в меньшей мере РФ, страны Африки, Южной Америки, Австралии. В Европе интенсивность воздушного движения столь велика, что несмотря на сравнительное обилие международных аэропортов взлеты и посадки самолетов происходят с интервалом порядка 30 секунд. В последнее время уменьшены с 1000 м до 500 м высотные интервалы между эшелонами для полетов самолетов в различных направлениях. Делается вывод о том, что несмотря на очевидную неравномерность распределения плотности воздушных трасс, в целом их совокупность можно рассматривать как планетарный антропогенный объект. Далее рассматриваются основные геофизические явления, носящие планетарный ч

характер. К их числу относятся прежде всего землетрясения, как события имеющие точную локализацию источника в пространстве-времени. 4 Возмущение атмосферы от литосферного источника высокой мощности носит планетарный характер и может охватывать воздушное пространство во всех регионах планеты. Момент главного удара и координаты эпицентра рассматриваются как точки отсчета для прогнозирования времени и места неблагоприятных воздействий для полета воздушных судов. Другое планетарное геофизическое явление - это солнечные вспышки. Очень сложный характер планетарного развития этого явления побуждает к выбору начальной точки отсчета момента развития солнечной рентгеновской вспышки (диапазон излучения 1-9 ангстрем) в секторе солнечных долгот 25 £ № ¿60. Предполагается, что по прошествию 2-3 суток после такого события на Земле разовьются сложные процессы, приводящие к авиационным происшествиям. К числу планетарных событий отнесены также такие явления, как магнитные и частично

ионосферные бури как суммарный индикатор, перечисленных выше явлений. Завершающий раздел главы посвящен рассмотрению собственно авиационного происшествия, как явления. Приводится официальное определение катастроф и аварий. Даны характеристики изменения во времени числа происшествий, характеризуемого в последние десятилетия примерно постоянным уровнем и небольшими вариациями относительно него.

Далее проводятся отечественные и зарубежные данные классификаций воздушных происшествий по факторам их вызывающим. Классификации совпадают по признаку так называемого человеческого фактора, доминирующим среди общего числа воздушных происшествий (60-70 % по различным оценкам). На втором месте стоит технический фактор (до 20 %), связанный с внезапными выходами из строя тех или иных компонент воздушной и наземной техники. Существенную роль играет также погодный фактор (до 10 %). Другая классификация связывает воздушные происшествия с двумя причинными классами: природными и антропогенными. Первые - это перечисленные выше геофизические события, дающие свой вклад во все перечисленные факторы. Антропогенные причины в свою очередь могут быть подразделены на техногенные (излучение радиостанций, аварии на ядерных объектах и т.д.) и социальные (использование устаревшей или изношенной техники, низкий уровень оплаты авиаперсонала в ряде стран и т.д.). Анализ факторов и причин приводит к выводу о том, что техногенные и социальные причины требуют для минимизации своего воздействия наибольших экономических затрат и наибольшего времени для реального улучшения ситуации. Вместе с тем природные геофизические причины реально не могут быть устранены. Однако, их сосредоточенный характер служит основанием для выработки предупредительной информации экипажам, находящихся в полете, и наземным службам. Здесь основной

"мишенью" подобных предупреждений является человеческий фактор , прежде всего та его компонента, которая связана с воздействиями геофизических явлений на организм человека. Существующие геофизические службы при их соответствующей модернизации могут способствовать процессу уменьшения числа авиационных происшествий, вызванных воздействием геофизических феноменов.

Во второй главе вначале рассматриваются исходные данные о воздействии гелиогеофизических факторов, главным образом, на людей, относящихся к категории пониженного здоровья. Эти данные прежде всего относятся к различным больным, и число вызовов вызовов скорой помощи по ряду заболеваний (инфаркт, инсульт, криз и т.д.) выступает как фактор, количественно характеризующий изменения состояния здоровья людей. Целый ряд результатов относится к специфическим состояниям людей (недоношенные младенцы; космонавты после длительного пребывания в состоянии невесомости). Главными факторами воздействия определяется солнечная активность и магнитные бури. Во втором разделе главы приводится схематизированная картинка динамики геофизических явлений, сосредоточенных во времени. Подчеркивается роль запаздывания и упреждения геофизической информации в практических приложениях. При этом интервальные оценки не могут быть использованы в прогностических схемах. Вместе с тем, прогностическая схема геофизической опасности, основанная на использовании чисто ионосферных данных проверена только для лиц пониженной категории здоровья.

Завершающий раздел второй главы посвящен рассмотрению данных об изменении медицинских показателей во время именно магнитных возмущений. Такие данные содержатся в ряде научных публикаций и свидетельствуют об установлении значимой связи между появляемостыо геофизических возмущений и изменений ряда

ю

медицинских показателей людей. Данные также относятся к категориям

лиц с пониженными характеристиками здоровья.

Тп«уп.я глава диссертации посвящена фундаментальному вопросу об установлении связей между вариациями параметров планетарных геофизических явлений и вариациями потока данных о происшествиях в гражданской авиации и при запусках ракет-носителей.

Первый раздел главы включает в себя используемый для анализа банк данных. На временном интервале примерно совпадающем со второй половиной двадцатого столетия приводятся поквартальные данные о числе происшествий в гражданской авиации, о числе катастрофических землетрясений (М£7), о среднем значении магнитного Ар- индекса. Приводятся данные о выборочных значениях четвертого статистического инварианта относительных вариаций критической частота /с области П ионосферы, определенных на годичных интервалах ежемесячных наблюдений на АИС Москва. Приводятся данные о датах запусков ЮС серии «Космос". Приводятся данные о числе запусков ИСЗ с почти круговыми орбитами, заключенными в интервале высот 1+2 ты.км, а также данные о годичном числе аварий ракетоносителей различных типов на интервале 1957-1984 г.г. Рассматривается установление корреляционным методом связи между вариациями параметров планетарных геофизических явлений и вариациями потока данных о происшествиях в гражданской авиации и при запусках ракет-носителей. Показывается, что при вычитании соответствующих трендов высокая корреляция (~ 0,9) достигается только между числом катастрофических землетрясений и выборочными значениями эксцесса относительных вариаций критической частоты /с области П ионосферы по годичным массивам ежемесячных измерений на АИС Москва за полувековой период. Кросскорреляции вариаций числа землетрясений и числа запускаемых спутников или числа аварий при запусках ракет-носителей не превышают

и

уровня 0,3-0,4. Делается вывод о неэффективности прямой схемы установления связей между вариациями числа геофизических явлений и вариациями числа авиационных происшествий. Далее используются нелинейные пороговые преобразования, при которых исходные массивы преобразуются к бинарному виду (0 или 1; -1 или +1) в зависимости от превышения (или не превышения) исходными числами заданного уровня. Такие бинарные процессы отображают тенденцию изменения исходной величины - возрастание или убывание. Коэффициенты кросскорреляции между бинарными процессами возрастают до уроЬня 0,5-ь0,б. Но это не относится к связям с вариациями числа авиационных происшествий, требующих применения более эффективных методов. В связи с этим был развит и применен специальный геометрический метод интервальных оценок для установления связи группировок двух видов точек, соответствующих превышению или непревышению числа авиационных происшествий медианного значения на выбранных интервалах времени (год, квартал). Точки наносились на плоскость параметров, характеризующих сейсмическую и геомагнитную обстановку. Так на оси абсцисс были отложены числа характеризующие количество катастрофических землетрясений за выбранный интервал времени. По оси ординат откладывались среднеквартальные значения Ар- индекса, либо

максимальное из четырех значений Ар- индекса за год, если опорный

интервал составлял год. При годичных интервалах использовались данные примерно за 50 лет, т.е. на плоскость (число землетрясений в году, максимальный из среднеквартальных Ар- индексов) было нанесено 50

точек. Точки двух сортов на плоскости распределились неравномерно. Оказалось возможным проведение наклонной прямой, разделяющей группы точек: 43 точки с одной стороны и 7 - с другой. Это соответствует коэффициенту связи примерно 0,7. При квартальном разделении данных использовались массивы за 15 лет, и соответственно 60 точек на плоскости

параметров. Здесь также имелась неравномерность распределения точек двух сортов. При более сложной разделяющей кривой коэффициенты связи получились на том же уровне. Обращает на себя внимание близость этого значения к проценту человеческого фактора в массиве авиационных происшествий. Глава завершается выводами, главным из которых является вывод об установлении новым методом факта связи между вариациями числа планетарных геофизических возмущений, сейсмогенных и геомагнитных, к вариациям числа авиационных происшествий в гражданской авиации.

Далее на основе метода наложения эпох был осуществлен выбор компонент планетарного индекса геофизической опасности для полетов воздушных судов. Вначале исследуются вопросы пространственно-временных группировок авиационных происшествий и катастрофических землетрясений. Здесь был использован наиболее полный массив экспериментальных данных об авиационных происшествиях примерно за 50 лет. Вначале был произведен анализ по известной методике построения гистограмм группировок авиационных происшествий по дням, примыкающим к землетрясениям. Были выбраны две градации магншуд землетрясений: А/ ¿8 и 7 ^ А/ < 8. За весь рассматриваемый период имело место 52 землетрясение с М £ 8. На совокупности недельных интервалов после землетрясений имели место 143 авиационных происшествия неравномерно распределенные по дням недели. Имеется только один максимум соответствующий разности дат происшествия и землетрясения, заключенной в пределах от четырех до пяти. Максимум превышает среднее значение гистограммы на величину 2а (двух среднеквадратичных отклонений). Для магшпуды 1й.М<% аналогичная гистограмма наибольший максимум имеет в интервале разносга дат не превышающих сутки. Величина превышения над средним уровнем примерно 1,2ст. Более подробно данный круг вопросов исследован с помощью нового

подхода: на плоскость, - разность дат происшествия и землетрясения (ось абсцисс), расстояние между эпицентром и авиационным происшествием (дальность - ось ординат) нанесены точки, соответствующие отдельным происшествиям, случившимся в данное число дней после землетрясения. Имеет место впервые установленная неравномерность распределения точек на плоскости. Во-первых , вблизи начала координат находятся пустые области. Во-торых, имеются сгущения на дальностях более 10 тыс. км С целью объективизации такого визуального восприятия была проведена статистическая проверка гипотезы о том, что распределение точек на плоскости (разность дат, дальность) является чисто случайным. Для этого плоскости разными способами разбивались на прямоугольники (20 и 32 ячейки для случая 20 и 40 ячеек для случая 7йМ<й).

Далее строили два вида распределений. Одно - распределение Пуассона, единственным параметром которого являлось среднее число точек -событий в различных ячейках (7 и 4,5 для случая М£8; 6,2 и 3,1 для случая 1йМ<%). Распределение Пуассона определяло вероятность

(относительное число клеток) с содержанием п = 0,1,2.....15 точек в

клетке-ячейке. С распределением Пуассона сопоставлялось эмпирическое распределение вероятностей . Во всех четырех случаях получился одинаковый результат: неравенство ^ « ^ имеет место при малых и =

0,1 (пустые области) и при больших п >10 (области сгущений). Сделан вывод о том, что статистическое моделирование подтверждает гипотезу о том, что "пустые" области в начале координат и "сгущения" вдали не являются случайными.

В следующих разделах главы рассмотрены вопросы возможного вклада в планетарный индекс геофизической опасности для полета воздушных судов явлений, обусловленных солнечными вспышками X-класса. Были построены гистограммы группировок воздушных

происшествий по отношению к дню вспышки. При разных параметрах гистограмм выделяется первый изолированный максимум, соответствующий третьему дню после вспышки, более чем втрое превышающей по числу происшествий среднее значение за первые дни, в течение которых корпускулярный поток движется от Солнца до Земли. Аналогичная ситуация отмечается на плоскости - дни после вспышки (ось абсцисс), дальность от экватора, где точками отмечены авиационные происшествия общим количеством 71 за период 1975-2002 г.г. см. рис.3. За этот период было выбрано 39 вспышек, Х-класса, после которых в течение 7 дней не было других вспышек этого класса. Делается вывод о том, что после вспышек АГ-класса наибольшее число аварий происходит на третий день после вспышки на дальностях не превышающих 4 тыс.км от экватора. В более поздние дни область широт расширяется: от южного полярного круга до Северного полярного круга.

Методом наложения эпох рассматриваются воздействия геомагнитных бурь на группировку авиационных происшествий. Были выбраны дни, для которых Ар> 40 и интервал между которыми не меньше

недели. Совмещение таких дней показывает, что на четвертый день после дня с Ар > 40 происходит значимая группировка авиационных

происшествий. Этот результат позволяет включить процесс возникновения магнитных бурь в возможные причины происшествий в гражданской авиации.

Заключение содержит основные результаты и выводы диссертационной работы.

Основные результаты и выводы работы.

Основные новые результаты полученные в работе:

1. Предложена концепция индекса геофизической опасности для полета воздушных судов гражданской авиации, как нелинейной суперпозиции планетарного, регионального и локального индексов (с соответствующими пространственными масштабами 104,103 и 102 км).

2. Установлена зависимость числа авиационных происшествий на годичных и квартальных интервалах от числа катастрофических землетрясений (М ^ 7) на этих интервалах и величина среднеквартальных значений Ар -индекса (для годичных интервалов выбиралось

максимальное из четырех среднеквартальных индексов за год). Для установления связи числа авиапроисшествий использовано бинарное преобразование: число происшествий в году больше или меньше медианного за 50 лет. Фактором связи выбраны группировки двух сортов точек-происшествий. Выделялись линии разделяющие преобладание точек одного или другого сорта по разные стороны с коэффициентом 0,85. Уровень связи 0,7.

3. Установлена группировка числа авиационных происшествий относительно моментов солнечных вспышек Х-класса. Максимум гистограммы наступает на интервале второй-третий день после вспышки и вдвое-втрое (при различных методах обработки) превышает среднее число происшествий в первые дни. Это соответствует геофизической картине движения потока заряженных частиц от области солнечной вспышки к Земле. Кроме того распределение точек, соответствующих отдельным авариям на плоскости - день после вспышки (ось абсцисс), модуль расстояния от места аварии до экватора, характеризуется неравномерностью, выражающейся в наличии сгущений точек.

4. Неравномерность пространственно-временного распределения точек, соответствующих авариям, по отношению к моментам катастрофических землетрясений, к моментам солнечных вспышек X-класса и к периодам, когда Ар - индекс больше заданного порога делает

возможным осуществление краткосрочного прогноза планетарного индекса геофизической опасности для полета воздушных судов гражданской авиации, для чего разработан соответствующий алгоритм.

По материалам диссертации сделан основной вывод: основная цель работы создание алгоритма обработки текущих данных о планетарных геофизических явлениях, позволяющих получить прогностическую информацию о планетарном индексе геофизической информации достигнута на основе анализа пространственно-временного распределения места и времени авиационных происшествий по отношению к времени катастрофических землетрясений и расстояниям до эпицентров, а также по отношению ко времени солнечных вспышек Х-класса при соответствующей нелинейной обработке исходных данных и ко времени превышения Лр - индексом заданного порогового уровня.

Результаты работы отражены в следующих публикациях: Печатные работы.

1. Калинин Ю.К., Сергеенко Н.П., Ларичев И.Л. Движущиеся уединенные макромасштабные неоднородности в области главного максимума электронной концепции ионосферы. // Тезисы доклада, РФФИ конф. Геология, геохимия и геофизика на рубеже XX и XXI веков. М., 2002 г., с.110.

2. Ларичев И.Л. О связи пространственно-временного распределения происшествий в гражданской авиации с местом эпицентров и временем катастрофических землетрясений // Ш научно-практическая конф.

МЧС, Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций, М., сборник материалов, 2003 г., с.57.

3. Ларичев И.Л. Воздействие катастрофических землетрясений на аварии и катастрофы в гражданской авиации // Тезисы доклада МАИ Международная конференция Авиация и Космонавтика, М., 2003 г.

4. Акимов В.Ф., Евстратов Ф.Ф., Калинин Ю.К., Ларичев И.Л. Принципы системного зондирования макромаснггабных ионосферных сгущений - краткосрочных предвестников катастрофических землетрясений // Ш научно-практическая конф. МЧС, Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций, М., сборник материалов, 2003 г., с. 6.

5. Авдюшин С.И., Гусев А.Н., Калинин Ю.К., Ларичев И.Л., Тулинов Г.Ф. Планетарная геофизика и безопасность в авиации // Тезисы доклада МАИ Международная конференция Авиация и Космонавтика, М., 2003 г.

6. Ларичев И.Л. О связи пространственно-временного распределения происшествий в гражданской авиации с местом эпицентров и временем катастрофических землетрясений. // Труды ИПГ. -2004г. -Вып.82. -с.44-50.

7. Ларичев И.Л. Установление связи между появляемостью геофизических пространственно-временных сосредоточенных явлений и группированием авиационных происшествий методом интервальных оценок. // Труды ИПГ. -2004. -Вып.82. -С.бб-70

8. N.P.Danilkin, Yu.K.Kalinin N.P.Kotonaeva, I.L.Larichev, N.P.Sergeenko Macroscale ionospheric irregularities registered by the Mir onboard ionosonde // International Journal of Geomagnetism and Aeronomy, Vol.4, №3,2004.

Ларичев И.Л. Воздействие гелиогеофизических явлений на авиационные происшествия в гражданской авиации, Государственный центр экологических программ, М. 2004 г., 42 с.

»2485 1

РНБ Русский фонд

2005-4 33993

Введение.

Глава 1. Авиация и авиационные происшествия.

1.1. Самолеты, особенности устройства и движения.

1.2. Гражданская авиация и среда обитания.

1.3. Авиационные происшествия.

1.3.1. Официальные определения и временные вариации.

1.3.2. Классификация признаковых факторов, обуславливающих авиационные происшествия.

1.4. Выводы.

Глава 2. Воздействие гелиогеофизических явлений на организм человека.

2.1. Исходные представления.

2.2. Схематизированная картина динамики геофизических планетарных явлений, сосредоточенных во времени.

2.3. Обзор результатов по воздействию гелиогеофизических явлений на здоровье людей.

2.4. Выводы.

Глава 3. Развитие методов формирования планетарного индекса повышенной геофизической опасности для полетов самолетов.

3.1. Рассмотрение связи между геофизическими явлениями и авиационными происшествиями на основе кросскорреляционных оценок.

3.2. Метод интервальных оценок в применении к установлению связи между геофизическими возмущениями и авиационными происшествиями.

3.3. Обнаружение воздействий гелиогеофизических явлений на временное распределение числа авиационных происшествий на основе метода наложения эпох.

3.4. Вариации критической частоты на цепочках АИС как основа краткосрочного прогноза катастрофических землетрясений.

3.5. Алгоритм построения планетарного индекса геофизической опасности для полетов самолетов.

3.6. Выводы.

Актуальность проблемы. Последние десятилетия в мире наблюдается все возрастающая роль гражданской авиации в деятельности человечества. Это проявляется в увеличивающемся количестве воздушных рейсов, в интенсификации работы аэропортов, в увеличении количества аэропортов. Повышается количество гражданских воздушных судов одновременно находящихся в воздухе, это достигается, в частности, за счет сокращения интервалов вертикального эшелонирования. Вводятся в эксплуатацию воздушные лайнеры, вмещающие все большее количество пассажиров. Увеличивается число малых воздушных судов, в том числе находящихся в частном пользовании. Естественно, подобный рост сопровождается применением ряда мер технического и эксплуатационного характера, призванных обеспечить безопасность воздушного движения.

Вместе с тем происходят, по-видимому, неизбежные авиационные происшествия: катастрофы (с жертвами) и аварии. Статистика показывает, что, несмотря на технический прогресс, в последние десятилетия число авиационных происшествий в гражданской авиации не обладает ни возрастающей, ни уменьшающейся тенденцией. То же самое относится и к другому показателю - числу аварий на миллион самолето-вылетов. Данное явление было предметом исследования ряда организаций, как отечественных так и зарубежных. Общим результатом таких исследований была дифференциация летных происшествий по причинным факторам. На первом месте (60-70%) по всеобщему мнению находится так называемый человеческий фактор - различные ошибки и неадекватные действия экипажей самолетов, наземного персонала, обслуживающего полеты и т.д. На втором месте находится технический фактор - неисправности и отказы авиационной техники (до 20%). Далее следуют погодные и неопознанные факторы. Каждый из этих факторов является следствием целого ряда причин. Их можно разделить на природные и антропогенные. К числу природных причин относятся главным образом геофизические явления, которые в соответствии с пространственными масштабами можно подразделить на планетарные (десятки тыс.км), региональные {тыс.км) и локальные {сотни км). Антропогенные явления можно подразделить на техногенные (поля радиостанций, аварии на ядерных объектах) и социальные (эксплуатация устаревшей или изношенной техники, плохие условия труда авиационных специалистов в ряде стран).

Из всех планетарных геофизических явлений следует выделить атмосферные эффекты, связанные с землетрясениями, солнечными вспышками и магнитными бурями. В целом ряде исследований указывается на воздействие этих явлений на состояние здоровья различных категорий населения. Существенно, что в РФ и в ряде других стран имеются устоявшиеся геофизические службы для наблюдения этих явлений, которые при их соответствующем развитии могли бы послужить основой для выработки прогностической информации предупреждающей экипажи, находящиеся в полете, и наземные службы о геофизической опасности для полетов воздушных судов. В геофизических исследованиях, в частности, вариаций магнитного поля Земли принята система дискретных характеристик, именуемых индексами. Подобная система может быть разработана и применительно к геофизической опасности для полетов воздушных судов. В силу специфики работы экипажей самолетов представляется целесообразным придавать индексу два значения: "опасно"/ "безопасно". В таком виде геофизическая информация может быть легко воспринята экипажами. Этим определяется актуальность проблемы исследований планетарных геофизических явлений в контексте разработки представлений о планетарном индексе геофизической опасности для полетов воздушных судов, как одной из компонент суммарного геофизического индекса.

Целью работы является создание схемы обработки текущих данных о планетарных геофизических явлениях, позволяющей получить прогностическую информацию для выработки данных о величине планетарного индекса геофизической опасности для полетов воздушных судов гражданской авиации.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

Охарактеризовать взаимную географию планетарного распределения авиалиний (дальние и местные), с одной стороны, и положение источников сейсмического воздействия на атмосферу, а также временную группировку вспышечных и магнитных буревых явлений, с другой стороны.

Разработать представления о пространственно-временных сосредоточенных объектах применительно к авиационным происшествиям и к планетарным геофизическим явлениям, включая анализ различных схем установления связи между событиями.

- С помощью интервальных (годовых и квартальных) оценок получить неизвестные ранее подтверждения факта связи между появляемостью сосредоточенных планетарных геофизических явлений и появляемостью авиационных происшествий.

Проанализировать пространственно-временные группировки авиационных происшествий в периоды после катастрофических землетрясений, солнечных вспышек Х-класса, и магнитных бурь.

- Разработать представления о суммарном индексе геофизической опасности для полета воздушных судов гражданской авиации и о его компоненте — планетарном индексе геофизической опасности.

Методы исследования. В работе применяются традиционные классификации воздушных происшествий и планетарных геофизических явлений. Для установления связи между явлениями с различной сосредоточенностью в пространстве-времени применяется метод сопоставления группировок появляемости событий. Группировки сопоставляются на основе интервальных оценок, метода наложения эпох, а также на основе локализации происшествий на плоскостях дальность-время. Для проверки детерминированного характера группировок используется сопоставление с распределением Пуассона, являющегося моделью случайных редких группировок на плоскости соответствующих параметров.

Достоверность и обоснованность предложенных подходов определяется использованием прямой связи между появляемостью сосредоточений во времени планетарных геофизических явлений и появляемостью воздушных происшествий в гражданской авиации. Прозрачность применяемых методов расчета, соответствующих инженерно-техническим подходам также свидетельствует в пользу обоснованности предложенного алгоритма.

Научная новизна состоит в следующем:

- На основе интервальных оценок (год, квартал) с использованием полувекового массива данных о воздушных происшествиях получены новые данные, свидетельствующие о наличии связи между потоком данных о планетарных геофизических феноменах и потоком данных о воздушных происшествиях в гражданской авиации.

- Впервые получена двумерная картина точек, соответствующих происшествиям на плоскости - сдвиг дат относительно момента главного удара катастрофического землетрясения и расстояние от эпицентра до места воздушного происшествия.

- Впервые получена двумерная картина точек, соответствующих происшествиям на плоскости - сдвиг дат относительно солнечной вспышки рентгеновского класса (в полосе широт 25 < РГ ^ 60) и расстояние от места авиационного происшествия до земного экватора.

- Впервые разрабатывается концепция индекса опасности для полетов воздушных судов в гражданской авиации.

На защиту выносятся:

- Установление связи между потоком данных о воздушных происшествиях в гражданской авиации и потоком данных о числе катастрофических землетрясений (М>7) и значениями среднеквартальных Ар- индексов на основе интервальных оценок интервалы - год, квартал) с использованием массива данных за полувековой период. Коэффициенты связи находятся на уровне ~ 0,7.

- Результаты анализа распределения точек, соответствующих отдельным воздушным происшествиям на плоскости — сдвиг дат происшествия и катастрофического землетрясения, расстояние между местом происшествия и эпицентром, заключающиеся в установлении двух типов неравномерностей распределения точек: наличие пустой зоны при малых сдвигах (0-2 дня) и расстояниях (0-4 тыс.км) и наличие областей сгущений точек.

- Результаты анализа распределения точек, соответствующих отдельным воздушным происшествиям на плоскости, — сдвиг дат происшествия относительно дат геоэффективных рентгеновских вспышек (25 < УУ <60), расстояние от экватора до места происшествия, -заключающиеся в установлении факта неравномерного распределения точек на плоскости.

- Схема формирования в бинарном коде планетарного индекса геофизической опасности для полетов воздушных судов в гражданской авиации.

Практическая и научная ценность диссертационной работы обусловлена ее прикладной ориентацией на создание информационного планетарного индекса геофизической опасности для полетов воздушных судов, использование которого должно привести к снижению числа воздушных происшествий в гражданской авиации. Научная ценность работы заключается в установлении ряда конкретных проявлений воздействия на организмы пилотов и специалистов наземных служб гелиогеофизических явлений: катастрофических землетрясений, солнечных вспышек Х-класса, магнитных бурь.

Реализация и внедрение результатов работы. Полученные в диссертации результаты использовались в научно-исследовательских работах ИПГ по тематике НИОКР «Резонанс».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены на:

- юбилейной научной конференции, посвященной десятилетию РФФИ, г.Москва, 2002 г.

III Научно-практической конференции "Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций", г.Москва, 2003г.

- международной научной конференции "Авиация и космонавтика", г.Москва, 2003г.

- научной конференции молодых специалистов Института прикладной геофизики, г.Москва, 2003г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 4 — научные статьи и брошюра, 6 тезисов докладов на научных конференциях.

Личный вклад соискателя. Все исследования, изложенные в диссертации проведены лично соискателем в процессе научной работы. Из совместных публикаций в диссертацию включен лишь тот материал, который непосредственно принадлежит соискателю, заимствованный материал обозначен в работе ссылками.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Имеет общий

Основные результаты, которые могут быть положены в основу формирования планетарного индекса геофизической опасности, получены методом наложения эпох.

Установлено, что катастрофические землетрясения, солнечные вспышки ^-класса и начало магнитных бурь могут быть использованы как предикторы периодов повышенной опасности для полета самолетов, предложена нелинейная (пороговая) схема формирования планетарного индекса гелиогеофизической опасности для полета самолетов.

Заключение.

В работе исследован круг вопросов, связанных с воздействием сосредоточенных по времени гелиогеофизических феноменов (катастрофические землетрясения, солнечные вспышки Х-класса, магнитные бури) на частоту авиационных происшествий в гражданской авиации. Проведенные исследования позволили получить следующие результаты.

Совокупность самолетов, находящихся в воздухе и перемещающиеся по стандартным маршрутам, а также наземные службы, являются планетарным явлением, равно как и гелиогеофизические феномены воздействия на среду обитания самолетов — катастрофические землетрясения, солнечные вспышки Х-класса, магнитные бури.

Различные классификации признаковых факторов, обуславливающих авиационные происшествия, сходятся в одном — так называемый человеческий фактор (действия пилотов и специалистов наземных служб) обуславливает до 70% всех авиационных происшествий.

Проведенные до сих пор исследования воздействия гелиогеофизических факторов, в основном, относятся к лицам, характеризуемых категорией пониженного здоровья (больные, младенцы, космонавты после длительного пребывания в космосе).

- Проведенные до настоящего времени исследования воздействий гелиогеофизических феноменов на организм человека не были ориентированы на развитие методов прогнозирования временных интервалов неблагоприятных для полетов гражданской авиации.

- Установлен методом интервальных оценок фундаментальный факт воздействия геофизических феноменов (сейсмической и геомагнитной обстановкой) на организмы контингента, относящегося к лицам повышенной категории здоровья, - пилотов и специалистов наземных служб.

- Установлены методом наложения эпох прогностические свойства моментов катастрофических землетрясений (Л/>7), солнечные вспышки ^-класса и начала магнитных бурь, как предикторов повышенной частоты авиационных происшествий с временем прогнозирования от одного до семи дней.

- Установлен методом картирования фундаментальный факт неравномерности пространственно-временного распределения авиационных происшествий в том числе следующий факт, что в день катастрофического землетрясения авиационные происшествия происходят на дальностях от эпицентра более 4-5 тыс.км.

Приложены схемы формирования индекса планетарной геофизической опасности для полетов самолетов на основании данных о сейсмической, солнечной и геомагнитной обстановке.

На основании изложенного представляется возможным сделать следующие выводы.

- Проведенное рассмотрение ориентировано на научно-техническую проблематику разработки и обоснования методов определения воздействий гелиогеофизических феноменов на организм пилотов и носит характер завершенного исследования.

- Научно-техническая проблема установления фактов и определения характеристик воздействия гелиогеофизичеких явлений на аварийность в гражданской авиации нашла свое решение на основе использования потока данных о моментах катастрофических землетрясений солнечных X-вспышек и начала магнитных бурь, как краткосрочных предикторов периодов повышенной вероятности авиационных происшествий. На основе этих предикторов прогнозирование интервалов времени, неблагоприятных для полетов гражданской авиации может быть осуществлено при сравнительно малых экономических затратах. Здесь потребуется сформировать оптимальную структуру индекса гелиогеофизической опасности для полетов самолетов на основе имеющейся в гелиогеофизических службах информации, а также организовать передачу значений индекса на борт самолетов, находящихся в полете.

1. Жуковский Н.Е., Избранные сочинения. M.-J1. ГИТТЛ, 1948. Т1, 392 с.

2. Ветчинкин В.П., Динамика самолета, M.-JI: Машиностроение, 1933 г., 400 с.

3. Котин М.Г., Динамика взлета и посадки самолетов, М: Машиностроение, 1984, 256 с.

4. Flight International, 1998, 12 Aug.

5. Flight International, 1998, 28 Jan.

6. Flight International, 2003, 21 Jan.

7. Croft J.W. NASA tackles loss of control // Aerospace America, 2003, March, p.42-45.

8. Ларичев И.JI. Воздействие катастрофических землетрясений на аварии и катастрофы в гражданской авиации // международная конференция Авиация и Космонавтика, М., 2003 г.,

9. Ларичев И.Л. О связи пространственно-временного распределения происшествий в гражданской авиации с местом эпицентров и временем катастрофических землетрясений. // Труды ИПГ. -2004. -Вып.82. — С.44-50.

10. Ларичев И. Л. Установление связи между появляемостью геофизических пространственно-временных сосредоточенных явлений и группироанием авиационных происшествий методом интервальных оценок. // Труды ИПГ. -2004. -Вып.82. -С.66-70

11. Сергеенко Н.П., Кулешова В.П. Об изменении медицинских показателей во время гелиогеофизических возмущений // Биофизика, 1995 г. Т.40, вып.4, С.825-828.

12. Ораевский В.Н., Ионова В.Г., Канониди Х.Д., Сазонова Е.А., Сергеенко Н.П. Влияние гелиогеофизических возмущений на систему гемостаза здоровых людей и лиц с хронической цереброваскулярной патологией, Препринт №9 (1137), М.: ИЗМИРАН, 2000 г., 25 с.

13. Авдюшин С.И., Данилов А.Д. Рассказ о космической погоде, С.П-б.: Гидрометеоиздат, 1993 г., 160 с.

14. Ляхов А.Н., Козлов С.И., Смирнов Л.В. // Физические проблемы экологии, М.: МГУ, 2001 г., №7.

15. Ананьин И.В., Мерзлый A.M., Сорокин Л.Р. в книге Атлас временных вариаций . М.: Научный мир, РАН, Т.2, 2002 г., 282 с.

16. Бреус Т.К. Влияние солнечной активности на биологические объекты // докторская диссертация, М.: Институт космических исследований, 2003 г., 31 с.

17. Калинин Ю.К., Сергеенко Н.П. Движущиеся уединенные макронеоднородности, возникающие ионосфере за несколько часов до катастрофических землетрясений// ДАН, 2002 г., Т.387, С. 105-107.

18. Ионосферно-магнитная служба. Сб. под редакцией Авдюшина С.И. и Данилова А.Д. JI.-д.: Гидрометеоиздат, 1987 г., 244 с.

19. Иванов-Холодный Г.С., Никольский Г.М. Солнце и ионосфера, М.: Наука, 1969 г., 455с.

20. Данилов А.Д., Кароль И.Л. Атмосферный озон, Л.-д.: Гидрометеоиздат, 1991 г., 120 с.

21. Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет, М.: Наука, 1983 г., 416 с.

22. Гзовский М.В. Основы тектонофизики, М.: Наука, 1975 г., 536 с.

23. Калинин Ю.К., Сергеенко Н.П., и др. Ионосферный контроль в экологии, М.: Госэкоцентр, 2002 г., 88 с.

24. Калинин Ю.К., Платонов Т.Д., Цветков С.И. Статистические свойства сигналов на ионосферных трассах, М.: Институт криптографии, №5815, 2002 г., 140 с.

25. Калинин Ю.К. Квантильная нормировка ионосферных сигналов // Геомагнитизм и аэрономия, Т.25, 1985 г., №6, С.941-944.

26. Гурфинкель Ю.И., Кулешов В.П., Ораевский В.Н. Оценки влияния геомагнитных бурь на частоту появления острой сердечно-сосудистой патологии // Биофизика, 1998 г. Т.43, вып.4, С. 654-658.

27. Комаров В.Ф., Бреус Т.К. и др. Медико-биологические эффекты солнечной активности // Вестник Российской академии Медицинский наук, 1994 г., №11, С.37-49.

28. Пудовкин O.A., Аганов В.М. и др. Статистика пусков РКН и КА с отечественных космодромов // Новости космонавтики, 1996 г., Т.6, №6.

29. Страхование космических рисков, М.: Рус.-фильм, 1997 г., 187 с.

30. Космонавтика под ред.Глушко В.П., М.: Советская энциклопедия, 1985 г., 527 с.

31. Абрамович М., Стеган И. Справочник по специальным функциям, М.: 1997 г., 890 с.

32. Королюк B.C., Портенко Н.И. и др. Справочник по теории вероятности и математической статистике, М.: Наука, 1985 г., 640 с.

33. N.P.Danilkin, Yu.K.Kalinin N.P.Kotonaeva, I.L.Larichev, N.P.Sergeenko Macroscale ionospheric irregularities registered by the Mir onboard ionosonde // International Journal of Geomagnetism and Aeronomy, Vol.4, №3, 2004.

34. Авдюшин С.И., Гусев A.H., Калинин Ю.К., Ларичев И.Л., Тулинов Г.Ф. Планетарная геофизика и безопасность в авиации // международная конференция Авиация и Космонавтика, М., 2003 г.

35. Солнечная и солнечно-земная физика. Под ред. Бруценка А. И Дюранд Ш. М.:Мир. 1980.254 с.

36. Ларичев И.Л. Воздействие гелиогеофизических явлений на авиационные происшествия в гражданской авиации, Государственный центр экологических программ, М. 2004 г., 42 с.