Un seismograf este un dispozitiv pentru înregistrarea cutremurelor. Istoria creării seismografului

Primul seismograf a fost inventat în 132 în China. A fost inventat de astronomul Zhang Heng pentru împăratul chinez. Cel mai simplu seismograf a fost folosit cu succes în predicția cutremurelor. Dispozitivul era un bol de doi metri cu o cupolă de cupru. În jurul castronului erau capete de dragoni, iar înăuntru era suspendat un pendul. O minge de bronz a fost plasată în gura deschisă a fiecărui dragon.

Broaște de bronz cu gura deschisă stăteau în jurul castronului. La cele mai mici vibrații seismice, pendulul a început să se balanseze și a aruncat mingea din gurile dragonilor și în gurile broaștelor. Avertismentul a fost un sunet puternic generat de impactul metalului. Locația impactului a ajutat la determinarea locului unde a fost localizat epicentrul cutremurului. Istoricii susțin că instrumentul antic ar putea detecta tremurături la o distanță de 600 km de locul instalării.

A face un seismograf cu propriile mâini este mai ușor decât pare. Luați o greutate de metal cu un capăt ascuțit și agățați-o deasupra unei suprafețe orizontale. Pudrați suprafața cu făină sau altă pudră și reduceți greutatea astfel încât vârful să atingă ușor suprafața.

În timpul vibrațiilor, sarcina va începe să se miște, iar liniile trasate cu un capăt ascuțit vor indica direcția și vă vor permite să determinați puterea undelor seismice.

Iată și alte opțiuni interesante:

Seismografele cu drepturi depline au apărut abia la sfârșitul secolului trecut. Astăzi acestea sunt dispozitive electronice care pot detecta cele mai mici vibrații și pot prezice elementele.

Dar echipamentele moderne folosite de profesioniști funcționează pe aceleași principii. Instrumentele constau dintr-un receptor seismic sau seismometru și un dispozitiv de înregistrare (înregistrare).

De la formarea globului, baza suprafeței a fost constant în mișcare. Atunci când scoarța terestră se mișcă, poate duce la consecințe grave sub forma unui fenomen precum un cutremur. Când o placă se strecoară pe alta, se acumulează tensiune internă crusta continentală, la trecerea unui punct critic, energia acumulată este eliberată, provocând distrugeri groaznice. Pentru a evita victimele în timpul unui cutremur și pentru a studia fenomenul în sine, a fost inventat un dispozitiv seismograf. Cu ajutorul acestuia, a devenit posibilă determinarea cantității de energie eliberată în timpul vibrațiilor scoarta terestra.

Ce este un seismograf

Cuvântul „seismograf” în sine provine din greacă și înseamnă direct „record”, „cutremur”. Cel mai vechi seismograf a fost fabricat în China antică. Era un castron mare de bronz care era susținut de opt dragoni în gura deschisă a fiecărui dragon; În interiorul vasului era suspendat un pendul, atașat de un suport, care era montat rigid pe baza unei plăci așezate pe suprafața pământului. Când a avut loc o oscilație, pendulul a lovit peretele castronului și o minge a căzut din gura dragonului, căzând în gura unei broaște de metal situată în partea de jos a acestei structuri. Un astfel de dispozitiv ar putea înregistra vibrații la 600 km de locația sa.

Principiul de funcționare

Principiul de funcționare al seismografului se bazează pe transmiterea vibrațiilor către obiectele instalate pe o secțiune a scoarței terestre. Când o placă a scoarței terestre atinge alta, se acumulează o cantitate uriașă de energie, iar atunci când este eliberată, are loc o scuturare.

Ce este un seismograf? Dispozitivele moderne constau dintr-un pendul suspendat pe un fir și atașat de un suport așezat ferm pe sol. La capătul pendulului se află o pană, care, la oscilare, va atrage amplitudinea valorii deformației. Un tambur cu hârtie pe care va fi afișat procesul de cutremur este de asemenea instalat rigid pe sol. Când are loc un cutremur, pendulul, din cauza inerției, rămâne pe loc, iar tamburul cu hârtie se mișcă mișcări oscilatorii, trasând valoarea energiei eliberate în timpul unui cutremur. Dispozitivele moderne sunt capabile să monitorizeze chiar și modificări minore care nu sunt distructive.

Ce este un seismograf la animale? Corpul lor este proiectat în așa fel încât cele mai mici schimbăriîn atmosferă și starea suprafeței pământului pe o rază de câțiva kilometri le provoacă îngrijorare. Intră legea autoconservării și părăsesc teritorii periculoase. Cele mai sensibile la fenomenul cutremurelor sunt cele aparținând speciilor de amfibieni și reptile, adică șerpi, broaște, șopârle.

Caracteristici

Seismografele moderne sunt capabile să detecteze și să măsoare amplitudinea vibrațiilor în trei planuri. La măsurarea vitezei de vibrație, seismografele au un interval de frecvență de măsurare de la 0,3 la 500 Hz, cu un interval de măsurare a vitezei de vibrație de la 0,0002 la 20 mm/s. Seismografele pot fi portabile sau staționare. Acestea din urmă sunt realizate în dimensiuni mari și sunt instalate special o dată și pe toată durata de viață. Cele portabile pot fi reinstalate într-un loc anume în funcție de zonă. Toate modele moderne sunt echipate cu interfețe software și își transferă direct toate măsurătorile într-o bază de date de pe un computer.

Caracteristicile aplicației

Ce este un seismograf și unde să-l instalezi? Este amplasat în zone potențial periculoase unde sunt posibile vibrațiile scoarței terestre. Seismografele portabile sunt instalate pe site-urile miniere sau subterane pentru a evita pierderile de vieți omenești prin prevenirea cutremurelor și evacuarea lucrătorilor. La instalare, trebuie avut în vedere faptul că dispozitivul poate provoca erori grave dacă este instalat în apropierea drumurilor pe care pot trece echipamente grele.

şef de laborator Institutul de Seismometrie de Fizica Pământului RAS

Secolul trecut a oferit lumii descoperirea lui B.B. Metoda galvanometrică Golitsyn de observare a fenomenelor seismice. Progresele ulterioare în seismometrie au fost legate de această descoperire. Urmașii lucrării lui Golitsyn au fost omul de știință rus D.P. Kirnos, americanii Wood-Andersen, Press-Ewing. Şcoala rusă de seismometrie sub D.P. Kirnose s-a remarcat prin dezvoltarea minuțioasă a echipamentelor și metodelor de suport metrologic pentru observațiile seismice. Înregistrările evenimentelor seismice au devenit proprietatea seismologiei pentru rezolvarea problemelor nu numai cinematice, ci și dinamice. O continuare firească a dezvoltării seismometriei a fost utilizarea mijloacelor electronice de colectare a informațiilor din masa de testare a seismometrelor, utilizarea acesteia în oscilografie și în metodele digitale de măsurare, acumulare și prelucrare a datelor seismice. Seismometria a beneficiat întotdeauna de progresul științific și tehnologic al secolului XX. În Rusia în anii 70-80. Au fost dezvoltate seismografe electronice care acoperă gama de frecvențe de la frecvențe ultra-joase (formal de la 0 Hz) la 1000 Hz.

Introducere

Cutremurele! Pentru cei care locuiesc în zone seismice active, aceasta nu este o frază goală. Oamenii trăiesc liniștiți, uitând de dezastrul precedent. Dar brusc, cel mai adesea noaptea, vine. La început au fost doar zguduiri, chiar să te arunce din pat, clincheitul vaselor, căderea mobilierului. Apoi vuietul tavanelor care se prăbușesc, al pereților nepermanenți, al prafului, al întunericului, al gemetelor. Acest lucru s-a întâmplat în 1948 în Ashgabat. Țara a aflat despre asta mult mai târziu. Fierbinte. Un angajat aproape gol al Institutului de Seismologie din Ashgabat în acea noapte se pregătea să vorbească la o conferință republicană despre seismicitate și redacta un raport. A început în jurul orei 2. A reușit să sară afară în curte. Pe stradă, în norii de praf și noaptea întunecată din sud, nu se vedea nimic. Soția sa, și ea seismolog, a reușit să stea în prag, care a fost imediat închis pe ambele părți de tavanele prăbușite. Sora ei, care dormea ​​pe podea din cauza căldurii, era acoperită cu un dulap, ale cărui uși se deschideau, oferind un „adăpost” corpului. Dar picioarele mele erau ciupite de partea de sus a dulapului.

În Așgabat, câteva zeci de mii de locuitori au murit din cauza nopții și a lipsei clădirilor antiseismice (am auzit estimări care ajung la 50.000 de oameni morți. În orice caz, așa a spus G.P. Gorshkov, șeful departamentului de geologie dinamică a statului Moscova). Universitatea, a spus Note Ed.) Bine a supraviețuit unei clădiri pentru care arhitectul care a proiectat-o ​​a fost condamnat pentru depășiri de costuri.

Acum, în memoria omenirii, există zeci de cutremure catastrofale istorice și moderne care au adus milioane de vieți omenești. Printre cele mai puternice cutremure le putem enumera: Lisabona 1755, Japonia 1891, Assam (India) 1897, San Francisco 1906, Messina (Sicilia-Calibria) 1908, China 1920 si 1976. (La mult timp după Ashgabat din 1976, cutremurul din China a făcut 250.000 de morți, iar cutremurul din India de anul trecut, de asemenea, cel puțin 20.000. Ed.), Japoneză 1923, Chile 1960, Agadir (Maroc) 1960, Alaska, 1964 ., Spitak (Armenia) ) 1988. După cutremurul din Alaska, Beneoff, un specialist american în domeniul seismometriei, a obținut o înregistrare a vibrațiilor naturale ale Pământului ca o minge care a fost lovită. Înainte și, mai ales, după un cutremur puternic, au loc o serie - sute și mii - de cutremure mai slabe (replică). Observarea lor cu seismografe sensibile face posibilă delimitarea zonei șocului principal și obținerea unei descriere spațială a sursei cutremurului.

Există două modalități de a evita pierderile mari din cauza cutremurelor: construcția antiseismică și avertizarea prealabilă a unui posibil cutremur. Dar ambele metode rămân ineficiente. Construcția antiseismică nu este întotdeauna adecvată vibrațiilor cauzate de cutremure. Există cazuri ciudate de defecțiuni inexplicabile ale betonului armat, cum ar fi în Kobe, Japonia. Structura betonului este atât de deteriorată încât betonul se sfărâmă în praf la antinodurile undelor staţionare. Au loc rotații ale clădirilor, așa cum sa observat în Spitak, Leninakan și România.

Cutremurele sunt însoțite de alte fenomene. Strălucirea atmosferei, întreruperea comunicațiilor radio și fenomenul nu mai puțin îngrozitor al unui tsunami, ale cărui valuri ale mării apar uneori dacă centrul (focalizarea) unui cutremur are loc într-un șanț de adâncime a oceanelor lumii (nu au loc toate cutremurele). pe versanții unui șanț de adâncime sunt tsunamigeni, dar acestea din urmă sunt detectate cu ajutorul seismografelor folosind trăsături caracteristice deplasări în focalizare). Acest lucru s-a întâmplat în Lisabona, Alaska și Indonezia. Sunt deosebit de periculoase deoarece valurile apar aproape brusc pe mal, pe insule. Exemplu - Insulele Hawaii. Valul de la cutremurul din Kamchatka din 1952 a sosit pe neașteptate după 22 de ore. Un val de tsunami este invizibil în larg, dar când ajunge la țărm, capătă un front abrupt, viteza valului scade și are loc un val de apă, ceea ce duce la creșterea valurilor uneori până la 30 m, în funcție de putere. a cutremurului și a topografiei litoralului. Un astfel de val a spălat complet orașul Severo-Kurilsk, care este situat pe malul strâmtorii dintre insulă, la sfârșitul toamnei anului 1952. Paramushir și pr. fac zgomot. Forța impactului valului și mișcarea sa inversă au fost atât de puternice încât tancurile situate în port au fost pur și simplu spălate și au dispărut „într-o direcție necunoscută”. Un martor ocular a spus că s-a trezit din vibrațiile unui cutremur puternic și nu a putut să adoarmă repede. Deodată a auzit un zumzet puternic de joasă frecvență venind din port. Privind pe fereastră și fără să se gândească o secundă la ce purta, a sărit afară în zăpadă și a alergat spre un deal, reușind să depășească valul care înainta.

Harta de mai jos arată cea mai activă centură tectonă a Pacificului din punct de vedere seismic. Punctele arată epicentrele cutremurelor puternice doar în timpul secolului al XX-lea. Harta oferă o idee despre viața activă a planetei noastre, iar datele sale spun multe despre posibilele cauze ale cutremurelor în general. Există multe ipoteze despre cauzele manifestărilor tectonice de pe fața Pământului, dar încă nu există o teorie sigură a tectonicii globale care să determine fără ambiguitate teoria fenomenului.

La ce sunt folosite seismografele?

În primul rând, pentru a studia fenomenul în sine, este apoi necesar să se determine instrumental puterea cutremurului, locul său de apariție și frecvența de apariție a acestor fenomene într-un loc dat și locurile predominante de producere a acestora. Vibrațiile elastice excitate de un cutremur, ca un fascicul de lumină de la un reflector, pot ilumina detaliile structurii Pământului.

Sunt excitate patru tipuri principale de unde: longitudinale, care au o viteză maximă de propagare și ajung mai întâi la observator, apoi oscilații transversale și cele mai lente - unde de suprafață cu oscilații eliptice în plan vertical (Rayleigh) și în plan orizontal (Love). ) în sensul de propagare. Diferența de timp a primelor sosiri de valuri este utilizată pentru a determina distanța până la epicentru, poziția hipocentrului și pentru a determina structura internă Pământul și locațiile surselor de cutremur. Prin înregistrarea undelor seismice care trec prin miezul Pământului, a fost posibilă determinarea structurii acestuia. Miezul exterior era în stare lichidă. Doar undele longitudinale se propagă într-un lichid. Miezul interior solid este detectat folosind unde transversale, care sunt excitate de undele longitudinale care lovesc interfața lichid-solid. Din modelul oscilațiilor înregistrate și tipurile de unde, din momentele de sosire a undelor seismice de către seismografe pe suprafața Pământului, a fost posibil să se determine dimensiunile părților constitutive ale nucleului și densitățile acestora.

Se rezolvă și alte probleme pentru determinarea energiei și a cutremurelor (magnitudinile pe scara Richter, magnitudinea zero corespunde energiei și 10 (+5) Jouli, magnitudinea maximă observată corespunde energiei și 10 (+20-+21) J) , compoziție spectrală pentru rezolvarea problemei construcției stabilității seismice, pentru detectarea și monitorizarea încercărilor subterane arme nucleare, controlul seismic și oprirea de urgență la instalații periculoase precum centralele nucleare, transport feroviarși chiar ascensoare în clădiri înalte, control al structurilor hidraulice. Rolul instrumentelor seismice în explorarea seismică a mineralelor și, în special, în căutarea „rezervoarelor” de petrol este de neprețuit. Ele au fost, de asemenea, utilizate în investigarea cauzelor morții din Kursk, cu ajutorul acestor instrumente, au fost stabilite timpul și puterea primei și celei de-a doua explozii.

Instrumente mecanice seismice

Principiul de funcționare al senzorilor seismomici - seismometre - formând un sistem seismograf, care include astfel de unități - un seismometru, un convertor al semnalului său mecanic în tensiune electrică iar înregistratorul - un dispozitiv de stocare a informațiilor, se bazează imediat pe prima și a treia lege a lui Newton - proprietatea maselor la inerție și gravitație. Elementul principal al oricărui seismometru este o masă care are un fel de suspensie la baza dispozitivului. În mod ideal, masa nu ar trebui să aibă nicio legătură mecanică sau electromagnetică cu corpul. Stai doar în spațiu! Cu toate acestea, acest lucru nu este încă posibil în condițiile gravitației Pământului. Există seismometre verticale și orizontale. În primul rând, masa se poate mișca doar într-un plan vertical și este de obicei suspendată de un arc pentru a contracara forța gravitațională a Pământului. La seismometrele orizontale, masa are un grad de libertate numai în plan orizontal. Poziția de echilibru a masei este menținută atât cu ajutorul unui arc de suspensie mult mai slab (de obicei plăci plate), cât și, acordați o atenție deosebită, forței de restabilire a gravitației Pământului, care este mult slăbită de reacția aproape vertical. axa suspensiei si actioneaza intr-un plan aproape orizontal de miscare a masei.

Cele mai vechi dispozitive de înregistrare a cutremurelor au fost descoperite și restaurate în China [Savarensky E.F., Kirnos D.P., 1955]. Aparatul nu avea mijloace de înregistrare, ci doar a ajutat la determinarea intensității cutremurului și a direcției către epicentrul acestuia. Astfel de instrumente se numesc seismoscoape. Vechiul seismoscop chinezesc datează din anul 123 d.Hr. și este o operă de artă și inginerie. În interiorul vasului proiectat artistic se afla un pendul astatic. Masa unui astfel de pendul este situată deasupra elementului elastic, care susține pendulul în poziție verticală. Gurile dragonilor, în care sunt plasate bile metalice, sunt situate în vas de-a lungul azimuților. În timpul unui cutremur puternic, pendulul a lovit bilele și acestea au căzut în mici vase în formă de broaște cu gura deschisă. Desigur, cursele maxime ale pendulului au avut loc de-a lungul azimutului sursei cutremurului. Din bilele găsite în broaște s-a putut stabili de unde au venit valurile de cutremur. Astfel de instrumente se numesc seismoscoape. Ele sunt încă utilizate pe scară largă astăzi, oferind informații valoroase despre cutremure mari la scară masivă. teritoriu mare. În California (SUA) există mii de seismoscoape care înregistrează cu pendule astatice pe sticlă sferică acoperită cu funingine. De obicei, este vizibilă o imagine complexă a mișcării vârfului pendulului pe sticlă, în care pot fi identificate vibrații ale undelor longitudinale, indicând direcția sursei. Iar amplitudinile maxime ale traiectoriilor de înregistrare dau o idee despre puterea cutremurului. Perioada de oscilație a pendulului și amortizarea acestuia sunt stabilite astfel încât să simuleze comportamentul clădirilor tipice și, astfel, să se estimeze gravitatea cutremurelor. Amploarea cutremurelor este determinată de caracteristicile externe ale impactului vibrațiilor asupra oamenilor, animalelor, copacilor, clădirilor tipice, mobilierului, vesela etc. Există diferite scale de notare. În mijloace mass-media Sunt folosite „puncte de scară Richter”. Această definiție este destinată maselor și nu corespunde terminologiei științifice. Termenul corect este magnitudinea cutremurului pe scara Richter. Se determină din măsurători instrumentale folosind seismografe și denotă în mod convențional logaritmul vitezei maxime de înregistrare raportat la sursa cutremurului. Această valoare arată în mod convențional energia eliberată de vibrații elastice la sursa cutremurului.

Un seismoscop similar a fost realizat în 1848 de către italianul Cacciatore, în care pendulul și bilele au fost înlocuite cu mercur. Când pământul a vibrat, mercurul a fost turnat în vase situate uniform de-a lungul azimuților. În Rusia se folosesc seismoscoape de S.V. Medvedev în Armenia, au fost dezvoltate seismoscoape AIS de A.G. Nazarov, care folosesc mai multe pendule cu frecvențe diferite. Ele fac posibilă obținerea aproximativă a spectrelor de vibrații, de ex. dependența amplitudinii de înregistrare de frecvențele de vibrație în timpul unui cutremur. Acestea sunt informații valoroase pentru proiectanții de clădiri antiseismice.

Primul seismograf de importanță științifică a fost construit în 1879 în Japonia de către Ewing. Greutatea pendulului a fost un inel de fontă cu o greutate de 25 kg suspendat pe un fir de oțel. Lungimea totală a pendulului a fost de aproape 7 metri. Datorita lungimii s-a obtinut un moment de inertie de 1156 kgּ m 2. Mișcările relative ale pendulului și ale solului au fost înregistrate pe sticlă afumată care se rotește în jurul unei axe verticale. Momentul mare de inerție a ajutat la reducerea influenței frecării dintre vârful pendulului și sticlă. În 1889, un seismolog japonez a publicat o descriere a unui seismograf orizontal, care a servit drept prototip pentru un număr mare de seismografe. Seismografe similare au fost fabricate în Germania în 1902-1915. La crearea seismografelor mecanice, problema creșterii sensibilității nu a putut fi rezolvată decât cu ajutorul pârghiilor de mărire ale lui Arhimede. Forța de frecare la înregistrarea oscilațiilor a fost depășită de masa enormă a pendulului. Astfel, seismograful lui Wichert avea un pendul cu masa de 1000 kg. În acest caz, s-a realizat o creștere de numai 200 pentru perioadele de oscilații înregistrate nu mai mari decât perioada naturală a pendulului de 12 secunde. Seismograful vertical Wichert avea cea mai mare masă, greutatea pendulului era de 1300 kg, suspendat pe arcuri elicoidale puternice din sârmă de oțel de 8 mm. Sensibilitatea a fost de 200 pentru perioadele de unde seismice care nu depășesc 5 secunde. Wichert a fost un mare inventator și proiectant de seismografe mecanice și a construit mai multe instrumente diferite și ingenioase. Mișcarea relativă a masei inerte a pendulelor și a solului a fost înregistrată pe hârtie afumată, rotită de o bandă continuă de un mecanism de ceas.

Seismografe cu înregistrare galvanometrică

O revoluție în tehnologia seismometriei a fost făcută de genialul om de știință din domeniul opticii și matematicii, prințul B.B. Golitsyn. El a inventat o metodă de înregistrare galvanometrică a cutremurelor. Rusia este pionierul în lumea seismografelor cu înregistrare galvanometrică. Pentru prima dată în lume, a dezvoltat teoria seismografului în 1902, a creat un seismograf și a organizat primele stații seismice la care au fost instalate instrumente noi. Germania avea experiență în producția de seismografe și acolo au fost fabricate primele seismometre ale lui Golitsyn. Cu toate acestea, aparatul de înregistrare a fost proiectat și fabricat în ateliere Academia RusăȘtiințe în Sankt Petersburg. Și până astăzi acest dispozitiv poartă toate trăsăturile caracteristice ale primului recorder. Tamburul, pe care s-a fixat hârtie fotografică de aproape 1 m lungime și 28 cm lățime, a fost pus în mișcare de rotație cu o deplasare la fiecare rotație cu o distanță selectată și modificată în funcție de sarcina de observare de-a lungul axei tamburului. Separarea seismometrului și a înregistratorului mișcări relative Dispozitivul de masă inertă a fost atât de progresiv și de succes încât seismografele similare au primit recunoaștere la nivel mondial pentru multe decenii care au urmat. B.B. Golitsyn a evidențiat următoarele avantaje ale noii metode de înregistrare.

1. Abilitatea de a obține mai mult pentru acele vremuri cu un truc simplu sensibilitate .

2. Efectuarea înscrierii pe distanţă din locul unde sunt instalate seismometrele. Locația îndepărtată, spațiile uscate și accesibilitatea la înregistrările seismice pentru procesarea ulterioară au adăugat o nouă calitate procesului de observații seismice și eliminarea influențelor nedorite asupra seismometrelor de la personalul stației seismice.

3. Independența calității înregistrării față de derivă seismometre zero.

Aceste avantaje principale au determinat dezvoltarea și utilizarea înregistrării galvanometrice în întreaga lume timp de multe decenii.

Greutatea pendulului nu a mai jucat un asemenea rol ca la seismografele mecanice. A fost un singur fenomen care trebuia luat în considerare - reacția magnetoelectrică a cadrului galvanometrului situat în spațiul de aer. magnet permanent, pe pendulul seismometrului. De regulă, această reacție a redus amortizarea pendulului, ceea ce a dus la excitarea oscilațiilor sale naturale în exces, care a distorsionat modelul undelor înregistrate de la cutremure. Prin urmare, B.B. Golitsyn a folosit o masă de pendule de ordinul a 20 kg pentru a neglija reacția inversă a galvanometrului la seismometru.

Cutremurul catastrofal din 1948 de la Ashgabat a stimulat finanțarea extinderii rețelei de observare seismică din URSS. Pentru a echipa stații seismice noi și vechi, profesorul D. P. Kirnos, împreună cu inginerul V. N. Solovyov, au dezvoltat seismografe galvanometrice tip general SGK și SVK împreună cu galvanometrul GK-VI. Lucrarea a început între zidurile Institutului seismologic al Academiei de Științe a URSS și a atelierelor sale instrumentale. Dispozitivele lui Kirnos s-au remarcat printr-o atentă elaborare științifică și tehnică. Tehnica de calibrare și operare a fost adusă la perfecțiune, ceea ce a asigurat o precizie ridicată (aproximativ 5%) a răspunsului în amplitudine și frecvență de fază (AFC) la înregistrarea evenimentelor. Acest lucru a permis seismologilor să pună și să rezolve nu numai probleme cinematice, ci și dinamice atunci când interpretează înregistrările. În acest fel, școala lui D.P Kirnos s-a diferit favorabil de școala americană de instrumente similare. D.P Kirnos a îmbunătățit teoria seismografelor cu înregistrare galvanometrică prin introducerea coeficientului de cuplare între seismometru și galvanometru, ceea ce a făcut posibilă construirea răspunsului în amplitudine a frecvenței seismografului pentru a înregistra deplasarea solului, mai întâi în banda 0,08 - 5 Hz, și apoi în banda 0,05 - 10 Hz folosind seismometre nou dezvoltate de tip SKD. În acest caz vorbim despre introducerea răspunsului în frecvență în bandă largă în seismometrie.

Seismografe mecanice rusești

După dezastrul de la Severo-Kurilsk, a fost emis un decret guvernamental privind crearea unui serviciu de avertizare de tsunami în Kamchatka, Sahalin și Insulele Kurile. Punerea în aplicare a Rezoluției a fost încredințată Academiei de Științe, Serviciului Hidrometeorologic al URSS și Ministerului Comunicațiilor. În 1959, în regiunea specificată a fost trimisă o comisie pentru a clarifica situația de pe teren. Petropavlovsk Kamchatsky, Severo-Kurilsk, Yuzhno-Kurilsk, Sahalin. Mijloace de transport - aeronave LI-2 (fostă Douglas), o navă cu aburi ridicată de pe fundul mării și restaurată, bărci. Primul zbor este programat pentru ora 6 dimineața. Comisia a ajuns la timp la aeroportul Halatyrka (Petropavlovsk-Kamchatsky). Dar avionul a decolat mai devreme - cerul de deasupra lui Shumshu sa deschis. Câteva ore mai târziu, a fost găsită o marfă LI-2 și a avut loc o aterizare sigură pe banda de bază cu aerodromuri subterane, construită de japonezi. Shumshu este insula cea mai nordică din creasta Kuril. Numai în nord-vest se ridică frumosul con al vulcanului Adelaide din apele Mării Okhotsk. Insula arată complet plată, ca o clătită groasă printre apele mării. Pe insulă sunt în principal polițiști de frontieră. Comisia a ajuns la debarcaderul de sud-vest. Acolo aștepta o barcă navală, care s-a repezit cu viteză în portul Severo-Kurilsk. Pe punte sunt mai mulți pasageri în afară de comision. La bord, un marinar și o fată vorbesc cu entuziasm. Barca zboară în apele portului cu viteză maximă. Timonierul, folosind un telegraf manual, dă un semnal sălii mașinilor: „Ding-ding”, și, de asemenea, „Ding-ding” - fără efect! Deodată, marinarul din lateral zboară cu capul peste cap. Puțin târziu - barca se prăbușește destul de tare în balustradele de lemn de pe lateralul goeletei de pescuit. Cipsele zboară, oamenii aproape cad. Marinarii în tăcere, fără nicio emoție, au ancorat barca. Acesta este specificul serviciului în Orientul Îndepărtat.

A fost de toate în călătorie: ploaie fină, din care picături zburau aproape paralel cu pământul, bambus mic și dur - habitatul urșilor și o „geantă de sfoară” uriașă în care erau încărcați pasagerii (o femeie și un copil în centru) și ridicat cu un troliu cu abur pe puntea navei restaurate din cauza unui val de furtună mare și a unui camion GAZ-51, în spatele căruia comisia a traversat insula Kunashir de la Oceanul Pacific până la coasta Okhotsk și care, la jumătatea drumului într-o băltoacă uriașă, s-a învârtit de multe ori - roțile din față într-un adeziv, roțile din spate în altul - până atunci , până când s-a corectat rutul cu o lopată obișnuită și linia de surf la intrarea în icre. pârâu, marcat de o fâșie continuă de ouă de somon roșu.

Comisia a constatat că deocamdată singurul instrument seismic capabil să îndeplinească sarcina serviciului de avertizare de tsunami nu putea fi decât un seismograf mecanic cu înregistrare pe hârtie de funingine. Seismografele au fost dezvoltate în laboratorul seismometric al Institutului de Fizica Pământului al Academiei de Științe. Un seismograf cu o mărire redusă de 7 și un seismograf cu o mărire de 42 au fost furnizate pentru echiparea stațiilor special construite pentru tsunami. Tobele cu hârtie afumată erau acționate de mecanisme de ceas cu arc. Masa seismografului cu o mărire de 42 a fost colectată de pe discuri de fier și s-a ridicat la 100 kg. Aceasta a marcat sfârșitul erei seismografelor mecanice.

A avut loc o ședință a Prezidiului Academiei de Științe dedicată implementării Hotărârii Guvernului. Președinte academician Nesmeyanov cu o față mare, impunătoare, bronzată, scurt academician-secretar Topchiev, membri ai Prezidiului. Renumitul seismolog E.F. Savarensky a raportat, arătând o fotografie în lungime completă a unui seismograf mecanic [Kirnos D.P., Rykov A.V., 1961]. Academicianul Artsimovici a participat la discuție: „Problema tsunami-ului poate fi rezolvată cu ușurință prin mutarea tuturor obiectelor de pe țărm la înălțimi de peste 30 de metri!” . Acest lucru este imposibil din punct de vedere economic și problema unităților Flotei Pacificului nu este rezolvată.

În a doua jumătate a secolului XX a început epoca seismografelor electronice. Traductoarele parametrice sunt plasate pe pendulele seismometrelor în seismografele electronice. Și-au luat numele de la termenul - parametru. Parametrul variabil poate fi capacitatea condensatorului de aer, reactanța inductivă a transformatorului de înaltă frecvență, rezistența fotorezistorului, conductivitatea fotodiodei sub fascicul LED, senzorul Hall și tot ce a venit la îndemână inventatorilor. a seismografului electronic. Printre criteriile de selecție, principalele au fost simplitatea dispozitivului, liniaritatea, nivelul scăzut de zgomot și eficiența energetică. Principalele avantaje ale seismografelor electronice față de seismografele cu înregistrare galvanometrică sunt că a) răspunsul în frecvență scade spre frecvențe joase în funcție de frecvența semnalului f, nu ca f^3, ci ca f^2 - i.e. mult mai lent, b) este posibilă utilizarea ieșirii electrice a seismografului în înregistratoarele moderne și, cel mai important, în utilizarea tehnologiei digitale pentru măsurarea, stocarea și procesarea informațiilor, c) capacitatea de a influența toți parametrii seismometrului folosind binecunoscutul control automat folosind feedback (OS) ) [Rykov A.V., 1963]. Totuși, punctul c) are propria sa aplicație specifică în seismometrie. Folosind OS, se formează răspunsul în frecvență, sensibilitatea, acuratețea și stabilitatea seismometrului. A fost descoperită o metodă pentru creșterea perioadei naturale de oscilație a unui pendul folosind feedback negativ, care este necunoscut în nicio literatură. reglare automată, nici în seismometria existentă în lume [Rykov A.V.,].

În Rusia, fenomenul de tranziție lină a sensibilității inerțiale a unui seismometru vertical și orizontal în sensibilitatea gravitațională pe măsură ce frecvența semnalului scade este clar formulat [Rykov A.V., 1979]. La o frecvență mare a semnalului predomină comportamentul inerțial al pendulului la o frecvență foarte joasă, efectul inerțial se reduce atât de mult încât semnalul gravitațional devine dominant; Ce înseamnă? De exemplu, în timpul vibrațiilor verticale ale solului, apar atât forțe inerțiale, forțând pendulul să-și mențină poziția în spațiu, cât și o modificare a forțelor gravitaționale ca urmare a unei modificări a distanței dispozitivului față de centrul Pământului. Pe măsură ce distanța dintre masă și centrul Pământului crește, forța gravitațională scade și masa primește o forță suplimentară, ridicând pendulul în sus. Și, invers, atunci când dispozitivul este coborât, masa primește o forță suplimentară, coborând-o.

Pentru frecvențele înalte ale vibrațiilor solului, efectul inerțial este de multe ori mai mare decât cel gravitațional. La frecvențe joase este adevărat opusul - accelerațiile sunt extrem de mici, iar efectul inerțial este practic foarte mic, iar efectul modificării forței gravitaționale pentru pendulul seismometrului va fi de multe ori mai mare. Pentru un seismometru orizontal, aceste fenomene se vor manifesta atunci când axa de balansare a pendulului se abate de la plumb, determinată de aceeași forță gravitațională. Pentru claritate, răspunsul în frecvență de amplitudine al unui seismometru vertical este prezentat în Fig. 1. Se arată clar cum, pe măsură ce frecvența semnalului scade, sensibilitatea seismometrului trece de la inerțial la gravitațional. Fără a ține cont de această tranziție, este imposibil de explicat faptul că gravimetrele și seismometrele sunt capabile să înregistreze mareele lunare-solare. care au perioade de până la 25 de ore și o amplitudine la Moscova de 0,3 m, nu ar putea fi descoperite. Un exemplu de înregistrare a mareei și a înclinării într-un val de maree este prezentat în Fig. 2. Aici Z este o înregistrare a deplasării suprafeței Pământului la Moscova timp de 45 de ore, H este o înregistrare a înclinării într-un val de maree. Se vede clar că panta maximă nu are loc pe cocoașa mareei, ci pe panta valului de maree.

Astfel, trăsături caracteristice Seismografele electronice moderne sunt caracteristici de frecvență de bandă largă de la 0 la 10 Hz ale oscilațiilor suprafeței Pământului și o metodă digitală de măsurare a acestor oscilații. Ce a observat Benieoff în 1964 vibratii naturale Pământul, după un cutremur puternic cu ajutorul detenmetrelor (detensometrelor) este acum accesibil unui seismograf electronic obișnuit (Cel mai mare cutremur înregistrat în Statele Unite a fost cu magnitudinea 9,2 care a lovit Prince William Sound, Alaska, în Vinerea Mare, 28 martie 1964). Consecințele acelui cutremur sunt încă vizibile, incluzând suprafețe uriașe de pădure dispărută, deoarece o parte din teren a fost coborâtă cu peste 500 km, în unele cazuri până la 16 m, iar în multe locuri a intrat în apele subterane. apa de mare, pădurea este moartă. Notă Ed.).

Figura 3 prezintă oscilația radială (verticală) a Pământului la tonul fundamental de 3580 sec. după cutremur.

Fig.3. Componentele verticale Z și orizontale H ale înregistrării vibrațiilor după cutremurul din Iran, 14/03/98, M = 6,9. Se poate observa că vibrațiile radiale predomină asupra celor de torsiune, care au o orientare orizontală.

Să arătăm în Fig. 4 cum arată o înregistrare cu trei componente a unui cutremur puternic după convertirea unui fișier digital într-unul vizual.

Fig.4. O mostră a unei înregistrări digitale a unui cutremur din India, M=7.9, 26/01/2001, obținută la stația permanentă de bandă largă KSESH-R.

Primele sosiri a două unde longitudinale sunt clar vizibile până la 25 de minute, apoi pe seismografele orizontale intră o undă transversală la aproximativ 28 de minute și o undă Love la 33 de minute. Pe componenta verticală mijlocie, unda Love este absentă (este orizontală), iar mai departe în timp începe valul Rayleigh (38 de minute), care este vizibil atât pe căi orizontale, cât și pe cele verticale.

În fotografia nr. 3.4 puteți vedea un seismometru vertical electronic modern, care prezintă exemple de înregistrări ale mareelor, vibrații naturale ale Pământului și înregistrări ale unui cutremur puternic. Principalele elemente structurale ale pendulului vertical sunt clar vizibile: două discuri de masă cu o greutate totală de 2 kg, două arcuri cilindrice pentru a compensa gravitația Pământului și a menține masa pendulului în poziție orizontală. Între masele de pe baza dispozitivului se află un magnet cilindric, în golul căruia intră o bobină de sârmă. Bobina este inclusă în designul pendulului. În mijloc, placa electronică a convertorului capacitiv „iese cu privirea”. Condensatorul de aer este situat în spatele magnetului și are dimensiuni mici. Suprafața condensatorului este de numai 2 cm (+2). Un magnet cu bobină servește la exercitarea forței asupra pendulului cu ajutorul feedback-ului în deplasare, viteză și integrala deplasării. Sistemul de operare oferă răspunsul în frecvență prezentat în Fig. 1, stabilitatea seismometrului în timp și precizia ridicată a măsurării vibrațiilor solului de ordinul a o sutime de procent.

Foto Nr. 34. Seismometrul vertical al instalației KSESH-R cu carcasa demontată.

Seismografele Wieland-Strekeisen au câștigat recunoaștere și utilizare pe scară largă în practica internațională. Aceste instrumente sunt adoptate ca bază pentru Rețeaua mondială de observare seismică digitală (IRIS). Răspunsul în frecvență al seismometrelor IRIS este similar cu răspunsul în frecvență prezentat în Fig. 1. Diferența este că, pentru frecvențe mai mici de 0,0001 Hz, seismometrele Wieland sunt mai „prinse” de sistemul de operare integral, ceea ce a condus la o stabilitate temporală mai mare, dar la o sensibilitate redusă la frecvențe ultra-joase în comparație cu seismografele KSESh de aproximativ 3 ori.

Seismometrele electronice au potențialul de a dezvălui minuni exotice care pot fi încă contestate. Profesorul E.M. Linkov de la Universitatea din Peterhof, folosind un seismograf vertical cu magnetron, a interpretat oscilațiile cu perioade de 5 - 20 de zile ca oscilații „plutitoare” ale Pământului pe orbită în jurul Soarelui. Distanța dintre Pământ și Soare rămâne tradițională, iar Pământul oscilează oarecum, ca în lesă, de-a lungul suprafeței elipsoidului cu o amplitudine dublă de până la 400 de microni. A existat o legătură clară între aceste fluctuații și activitatea solară [puteți vedea și 22].

Astfel, seismografele au fost îmbunătățite în mod activ în timpul secolului al XX-lea. Începutul revoluționar al acestui proces a fost pus de prințul Boris Borisovici Golițin, un om de știință rus. În continuare, pot fi așteptate noi tehnologii în metodele de măsurare inerțiale și gravitaționale. Este posibil ca seismografele electronice să poată, în sfârșit, să detecteze undele gravitaționale din Univers.

Literatură

1. Golitsin B. Izv. Comisia Permanentă Seismică AN 2, c. 2, 1906.

2. Golitsyn B.B. Izv. Comisia Permanentă Seismică AN 3, c. 1, 1907.

3. Golitsyn B.B. Izv. Comisia Permanentă Seismică AN 4, c. 2, 1911.

4. Golitsyn B., Prelegeri despre seismometrie, ed. AN, Sankt Petersburg, 1912.

5. E.F. Savarensky, D.P. Kirnos, Elemente de seismologie și seismometrie. Ed. În al doilea rând, revizuit, Stat. Ed. Tehn.-teor. Lit., M. 1955

6. Echipamente și metode de observații seismometrice în URSS. Editura „Știință”, M. 1974

7. D.P.Kirnos. Proceedings Geophys. Institutul Academiei de Științe a URSS, nr. 27 (154), 1955.

8. D.P.Kirnos și A.V.Rykov. Echipamente seismice speciale de mare viteză pentru avertizare de tsunami. Buletin Consiliul de seismologie, „Tsunami Problems”, nr. 9, 1961.

9. A.V.Rykov. Influenţa feedback asupra parametrilor pendulului. Izv. Academia de Științe a URSS, ser. Geophys., nr. 7, 1963.

10. A.V.Rykov. Despre problema observării oscilațiilor Pământului. Echipamente, metode și rezultate ale observațiilor seismometrice. M., „Știința”, Sat. „Dispozitive seismice”, voi. 12, 1979

11. A.V.Rykov. Seismometrul și vibrațiile Pământului. Izv. Academia Rusă de Științe, ser. Fizica Pământului, M., „Știința”, 1992

12. Wieland E.., Streckeisen G. Seismometrul cu arcuri lamelare - design și performanță // Bull.Seismol..Soc. Amer., 1982. Vol. 72. P.2349-2367.

13. Wieland E., Stein J.M. Un seismograf digital cu bandă foarte largă // Ann.Geophys. Ser. B. 1986. Vol. 4, N 3. P. 227 - 232.

14. A.V.Rykov, I.P.Bashilov. Kit seismometru digital cu bandă ultra-largă. sat. „Dispozitive seismice”, voi. 27, M., Editura OIPHZ RAS, 1997

15. K. Krylov Cutremur puternic în Seattle pe 28 februarie 2001 http://www.pereplet.ru/nauka/1977.html

16. K. Krylov Cutremur catastrofal în India http://www.pereplet.ru/cgi/nauka.cgi?id=1549#1549

17. http://earthquake.usgs.gov/ 21. http://neic.usgs.gov/neis/eqlists/10maps_world.html Acestea sunt cele mai puternice cutremure din lume.

22. http://www.pereplet.ru/cgi/nauka.cgi?id=1580#1580 Precursori ai cutremurelor în spațiul apropiat de Pământ - Un nou articol a apărut în revista Urania (în rusă și engleză). Munca angajaților MEPhI este dedicată predicției cutremurelor folosind observații prin satelit.

Seismograf(din greaca veche σεισμός - cutremur și greaca veche γράφω - a scrie) sau seismograf - metru, care este folosit în seismologie pentru a detecta și înregistra toate tipurile de unde seismice. Dispozitiv pentru determinarea puterii și direcției unui cutremur.

Prima încercare cunoscută de a realiza un dispozitiv care prezice cutremure îi aparține filozofului și astronomului chinez Zhang Heng.

ZhangHeng a inventat un dispozitiv, căruia i-a dat numele Houfeng " „și care ar putea înregistra vibrațiile suprafeței pământului și direcția de propagare a acestora.

Houfeng a devenit primul seismograf din lume. Dispozitivul consta dintr-un vas mare de bronz, cu un diametru de 2 m, pe pereții căruia erau amplasate opt capete de dragon. Fălcile dragonilor s-au deschis și fiecare avea câte o minge în gură.

În interiorul vasului se afla un pendul cu tije atașate de capete. Ca urmare a șocului subteran, pendulul a început să se miște, a acționat asupra capetelor, iar mingea a căzut din gura dragonului în gura deschisă a uneia dintre cele opt broaște râioase așezate la baza vasului. Aparatul a detectat tremurături la o distanță de 600 km de acesta.

1.2. Seismografe moderne

Primul seismograf designul modern a fost inventat de omul de știință rus, Prince B. Golitsyn care a folosit transformarea energie mecanică oscilații în curent electric.

Designul este destul de simplu: greutatea este suspendată pe un arc vertical sau orizontal, iar un stilou înregistrator este atașat la celălalt capăt al greutății.

O bandă de hârtie rotativă este utilizată pentru a înregistra vibrațiile încărcăturii. Cu cât împingerea este mai puternică, cu atât stiloul se îndoaie mai mult și arcul oscilează mai mult.

O greutate verticală vă permite să înregistrați șocurile direcționate orizontal și invers, un înregistrator orizontal înregistrează șocurile în plan vertical.

De regulă, înregistrarea orizontală se efectuează în două direcții: nord-sud și vest-est.

În seismologie, în funcție de problemele care se rezolvă, se folosesc diferite tipuri de seismografe: mecanice, optice sau electrice cu diferite tipuri de amplificare și metode de procesare a semnalului. Un seismograf mecanic include un element de detectare (de obicei un pendul și un amortizor) și un înregistrator.

Baza seismografului este legată rigid de obiectul studiat, iar atunci când acesta oscilează, sarcina se mișcă față de bază. Semnalul este înregistrat în formă analogică pe reportofoare cu înregistrare mecanică.

1.3. Crearea unui seismograf

Materiale: carton; sulă; panglică; plastilină; creion; stilou cu pâslă; sfoară sau ață puternică; o bucată de carton subțire.

Rama seismografului va fi o cutie de carton. Trebuie să fie realizat dintr-un material destul de rigid. Partea sa deschisă va fi partea frontală a dispozitivului.

Este necesar să faceți o gaură în capacul superior al viitorului seismograf cu o punte. Dacă rigiditatea pentru " rame„Nu este suficient, trebuie să acoperiți colțurile și marginile cutiei cu bandă adezivă, întărindu-l, așa cum se arată în fotografie.

Rotiți o minge de plastilină și faceți o gaură în ea cu un creion. Împingeți creionul în orificiu, astfel încât vârful său să iasă ușor din partea partea opusă minge de plastilină.

Acesta este un indicator seismograf conceput pentru a trasa linii de vibrații ale pământului.

Treceți capătul firului prin orificiul din partea de sus a cutiei. Așezați cutia pe partea de jos și strângeți firul astfel încât stiloul să atârne liber.

Legați capătul superior al firului de un creion și rotiți creionul în jurul axei sale până când eliminați slăbiciunea firului. Odată ce markerul atârnă la înălțimea dorită (adică doar atingând partea inferioară a cutiei), fixați creionul cu bandă adezivă.

Glisați o bucată de carton sub vârful pixului în partea de jos a cutiei. Reglați totul astfel încât vârful pixului să atingă cu ușurință cartonul și să poată lăsa linii.

Seismograful este gata de utilizare. Utilizează același principiu de funcționare ca și echipamentul real. O suspensie ponderată, sau pendul, va fi mai inerțială la agitare decât un cadru.

Nu este nevoie să așteptați un cutremur pentru a testa dispozitivul în acțiune. Trebuie doar să scuturați cadrul. Pandantivul va rămâne pe loc, dar va începe să deseneze linii pe carton, la fel ca unul adevărat.

Ce este ce - Dezastre naturale

Un seismograf constă dintr-un pendul, de exemplu o greutate de oțel, care este suspendată de un arc sau de un fir subțire dintr-un suport fixat ferm în pământ. Pendulul este conectat la un stilou care trasează o linie continuă pe o bandă de hârtie. Când solul vibrează rapid, hârtia se agită odată cu el, dar pendulul și stiloul rămân nemișcate prin inerție. Pe hârtie apare o linie ondulată, reflectând vibrațiile solului. O curbă pe o bandă de hârtie montată pe un tambur care se rotește lent sub un stilou de desenat se numește seismogramă.

Funcționarea unui seismograf se bazează pe principiul că pendulele suspendate liber rămân aproape nemișcate în timpul cutremurelor. Seismograful superior înregistrează orizontală, iar seismograful inferior înregistrează vibrațiile verticale ale pământului.

Trei tobe roșii, de aproximativ 20 cm înălțime, sunt receptori seismograf la o stație seismică modernă. Tamburul în picioare primește vibrații verticale ale solului pe unul dintre tamburi culcați se notează vibrații în direcția nord-sud, pe cealaltă - est-vest. Dispozitivul aflat în apropiere înregistrează cele mai lente deplasări subterane, care nu pot fi detectate de celelalte trei receptoare. Citirile de la toate cele patru instrumente sunt transmise la dispozitive electronice complexe pentru a înregistra seismograma.

În 1891, unul dintre cele mai puternice cutremure înregistrate vreodată în Japonia a devastat zone mari la vest de Tokyo. Un martor ocular a descris distrugerea în felul următor: „Găuri adânci formate la suprafață s-au prăbușit, aproape toate casele au fost distruse, 10.000 de oameni au murit, 20.000 de oameni au fost răniți”.

Seismograma cutremurului care s-a cutremurat pe 8 noiembrie 1983 la ora 1. 49m. Belgia, Țările de Jos și Renania de Nord-Westfalia, înregistrate de stația seismică din Hamburg. Curba superioară prezintă oscilații verticale, curba inferioară prezintă oscilații orizontale. Două persoane au murit în cutremur.

Geologii japonezi care au studiat consecințele acestei catastrofe au fost surprinși să constate că nu există un epicentru clar definit. Suprafața a fost tăiată de o crăpătură aproape dreaptă de aproximativ 110 km lungime, ca și cum ar fi tăiată în două părți de un cuțit uriaș, iar marginile tăieturii au fost deplasate una față de alta. „Pământul”, a raportat unul dintre geologi, „este sfâșiat în blocuri uriașe și arăta ca o urmă lăsată de o aluniță uriașă Anterior stăteau unul lângă altul în direcția est-vest. Acum se găseau la o distanță considerabilă, iar de-a lungul axei nord-sud, cutremurul l-a mutat pe unul dintre ei la nord, pe celălalt la sud.”