Seismograph

Hintergrund

Seismographen sind Instrumente zur Erkennung und Messung von Schwingungen in der Erde, und die von ihnen erzeugten Aufzeichnungen werden als Seismogramme bezeichnet. Wie die vielen anderen Begriffe, die mit diesem Präfix beginnen, stammen diese Wörter vom griechischen seismos, was "Schock" oder "Erdbeben" bedeutet. Obwohl bestimmte Arten von Seismographen für unterirdische Vermessungen verwendet werden, sind die Geräte am besten für die Untersuchung von Erdbeben bekannt.

Ein Seismograph besteht aus einem Pendel, das auf einer Unterlage montiert ist. Das Pendel wiederum ist mit einem Aufzeichnungsgerät, beispielsweise einem Tintenstift, verbunden. Wenn der Boden vibriert, bleibt das Pendel stehen, während sich der Rekorder bewegt, und erstellt so eine Aufzeichnung der Erdbewegung. Ein typischer Seismograph enthält 3 Pendel:eines zur Aufzeichnung der vertikalen Bewegung und zwei zur Aufzeichnung der horizontalen Bewegung.

Seismographen sind aus Seismoskopen hervorgegangen, die die Richtung von Erschütterungen oder Erdbeben erkennen können, jedoch nicht die Intensität oder das Muster der Vibration. Das früheste bekannte Gerät zur Erkennung von Erdbeben wurde von einem chinesischen Gelehrten, Chang Heng, um 132 n. Chr. geschaffen. Detaillierte Berichte zeigen, dass es sich um einen schönen und genialen Apparat handelte, der aus einem reich verzierten Kupferzylinder mit acht Drachenköpfen bestand, die um seinen oberen Umfang herum positioniert waren. nach außen gerichtet. Am unteren Umfang, direkt unter den Drachenköpfen, waren acht Kupferfrösche befestigt. In seinem Maul hielt jeder Drache eine kleine Kugel, die in das Maul des darunter liegenden Frosches fiel, als ein Stab im Inneren des Zylinders, der flexibel und an seinem oberen Ende beschwert war, durch ein Erdbeben ausgelöst wurde. Der spezielle Frosch, der einen gefallenen Ball gefangen hat, zeigte die allgemeine Richtung des Erdbebens an.

Über siebzehnhundert Jahre lang war die Erforschung von Erdbeben von ungenauen Instrumenten wie dem von Chang Heng abhängig. Im Laufe der Jahrhunderte wurden eine Vielzahl von Seismoskopen konstruiert, von denen viele auf der Erkennung von Wellen in einem Wasserbecken oder flüssigem Quecksilber beruhten. Ein solches Gerät, das dem Frosch-Drachen-Mechanismus ähnelte, enthielt eine flache Quecksilberschüssel, die bei einem Zittern in kleine Schüsseln um sie herum verschüttet wurde. Eine andere Art von Seismoskop, die im 18. Jahrhundert entwickelt wurde, bestand aus einem von der Decke hängenden Pendel, das an einem Zeiger befestigt war, der eine Schale mit feinem Sand einzog und sich bewegte, wenn das Pendel durch Vibrationen in Schwingung versetzt wurde. Im 19. Jahrhundert wurde das erste Seismometer gebaut; Es verwendete verschiedene Arten von Pendeln, um die Größe der unterirdischen Schwingungen zu messen.

Der erste echte Seismograph könnte ein komplexer Mechanismus gewesen sein, der 1855 vom italienischen Wissenschaftler Luigi Palmieri entworfen wurde. Diese Maschine verwendete mit Quecksilber gefüllte Röhren, die mit elektrischen Kontakten und Schwimmern ausgestattet waren. Wenn Erschütterungen das Quecksilber störten, stoppten die elektrischen Kontakte gleichzeitig eine Uhr und lösten ein Gerät aus, das die Bewegungen der Schwimmer aufzeichnete und sowohl die Zeit als auch die Intensität des Erdbebens grob anzeigte. Die ersten genauen Seismographen wurden 1880 in Japan von dem britischen Geologen John Milne entwickelt, der oft als Vater der Seismologie bekannt ist. Zusammen mit den ausländischen Wissenschaftlern James Alfred Ewing und Thomas Gray erfand Milne viele verschiedene seismologische Geräte, darunter den Horizontalpendel-Seismographen. Dieses ausgeklügelte Instrument bestand aus einem beschwerten Stab, der bei Erschütterungen eine geschlitzte Platte verschiebt. Die Bewegung der Platte ließ ein reflektiertes Licht durch den Schlitz sowie durch einen weiteren stationären Schlitz darunter scheinen. Das Licht fiel auf lichtempfindliches Papier und schrieb dann eine Aufzeichnung des Zitterns ein. Heute stützen sich die meisten Seismographen immer noch auf die von Milne und seinen Mitarbeitern eingeführten Grundkonstruktionen, und Wissenschaftler bewerten weiterhin Erschütterungen, indem sie die Bewegung der Erde relativ zur Bewegung eines Pendels untersuchen.

Der erste elektromagnetische Seismograph wurde 1906 von einem russischen Prinzen, Boris Golitsyn, erfunden, der das im 19. Jahrhundert vom englischen Physiker Michael Faraday entwickelte Prinzip der elektromagnetischen Induktion adaptierte. Das Faradaysche Induktionsgesetz postulierte, dass Änderungen der magnetischen Intensität verwendet werden könnten, um elektrische Ströme zu erzeugen. Nach diesem Grundsatz baute Golitsyn eine Maschine, bei der Erschütterungen eine Spule durch Magnetfelder bewegen und dabei einen elektrischen Strom erzeugen, der in ein Galvanometer eingespeist wird, ein Gerät, das den Strom misst und leitet. Der Strom fluktuiert dann einen Spiegel ähnlich dem, der das Licht in Milnes Apparat lenkte. Der Vorteil dieses elektronischen Systems besteht darin, dass der Rekorder an einem bequemen Ort wie einem Labor aufgestellt werden kann, während der Seismograph selbst an einem entfernten Ort installiert werden kann.

Im 20. Jahrhundert hat das Nuclear Test Detection Program die moderne Seismologie ermöglicht. Trotz der realen Erdbebengefahr konnte die Seismologie eine große Anzahl von Seismographen nicht beherrschen, bis die Bedrohung durch unterirdische nukleare Explosionen 1960 die Gründung des World-Wide Standardized Seismograph Network (WWSSN) veranlasste. Das Netzwerk richtete 120 Seismographen in 60 Ländern ein. und unter seiner Schirmherrschaft wurden Seismographen viel ausgefeilter. Der nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelte Press-Ewing-Seismograph ermöglichte es Forschern, sogenannte seismische Wellen mit langer Periode aufzuzeichnen, Schwingungen, die sich mit relativ geringer Geschwindigkeit über weite Strecken bewegen. Dieser Seismograph verwendet ein Pendel wie das des Milne-Modells, ersetzt jedoch den Drehpunkt, der den Stab trägt, durch einen elastischen Draht, um die Reibung zu reduzieren. Andere Innovationen der Nachkriegszeit umfassten Atomuhren, um das Timing genauer zu machen, und digitale Anzeigen, die in einen Computer eingespeist werden konnten. Das Wichtigste jedoch Dieses Flussdiagramm zeigt die Schritte zur Herstellung und Installation von Seismographen. Als Material wird hauptsächlich Aluminium verwendet, gefolgt von normalen Elektrogeräten aus Kupfer, Stahl, Glas und Kunststoff. Die Grundeinheit besteht aus einem Pendel in einem luftdichten Behälter, das mit einem Scharnier und einem Draht (bei horizontalen Einheiten) oder einer Feder (bei vertikalen Einheiten) an einem fest im Boden eingelassenen Tragrahmen befestigt ist. Die Entwicklung in der Neuzeit war die Implementierung von Seismographen-Arrays. Diese Arrays, von denen einige aus Hunderten von Seismographen bestehen, sind mit einem einzigen zentralen Rekorder verbunden. Durch den Vergleich der diskreten Seismogramme verschiedener Stationen können die Forscher das Epizentrum des Erdbebens bestimmen (der Punkt auf der Erdoberfläche direkt über dem Ursprung des Bebens).

Heute werden in der Erdbebenforschung drei Arten von Seismographen verwendet, die jeweils eine Periode haben, die der Skala der zu messenden Schwingungen entspricht (die Periode ist die Zeitdauer, die ein Pendel benötigt, um eine volle Schwingung durchzuführen). Seismographen mit kurzer Periode werden verwendet, um primäre und sekundäre Schwingungen zu untersuchen, die sich am schnellsten bewegenden seismischen Wellen. Da sich diese Wellen so schnell bewegen, benötigt der Kurzperioden-Seismograph weniger als eine Sekunde, um eine volle Schwingung zu vollenden; es vergrößert auch die resultierenden Seismogramme, damit Wissenschaftler das Muster der schnellen Bewegungen der Erde wahrnehmen können. Die Pendel in Seismographen mit langer (Zwischen-)Periode brauchen im Allgemeinen bis zu zwanzig Sekunden, um zu schwingen, und sie werden verwendet, um langsamere Wellen wie Love- und Rayleigh-Wellen zu messen, die Primär- und Sekundärwellen folgen. Der WWSSN verwendet derzeit diese Art von Instrumenten. Die Seismographen, deren Pendel die längsten Perioden haben, werden als ultralang bezeichnet oder Breitband Instrumente. Breitbandseismographen werden immer häufiger verwendet, um ein umfassenderes Verständnis globaler Schwingungen zu entwickeln.

Rohstoffe

Die Komponenten eines Seismographen sind Standard. Das wichtigste Material ist Aluminium, gefolgt von normalen Elektrogeräten aus Kupfer, Stahl, Glas und Kunststoff. Ein moderner Seismograph besteht aus einem oder mehreren Seismometern, die die Schwingungen der Erde messen. Ein Seismometer besteht aus einem Pendel (einer trägen Masse) in einem luftdichten Behälter, der mit einem Scharnier und einem Draht (bei horizontalen Einheiten) oder einer Feder (bei vertikalen Einheiten) an einem fest im Boden verankerten Tragrahmen befestigt ist. Eine oder mehrere elektrische Spulen werden am Pendel befestigt und im Feld eines Magneten platziert. Selbst winzige Bewegungen der Spule erzeugen elektrische Signale, die dann in einen Verstärker und einen Filter eingespeist und für den späteren Druck im Computerspeicher gespeichert werden. Ein weniger ausgeklügelter Seismograph hat entweder einen Spiegel der Licht auf lichtempfindliches Papier wirft (wie in Milnes Seismograph), ein Stift, der mit schnell trocknender Tinte auf eine Papierrolle schreibt, oder ein Heizstift, der Thermopapier markiert.

Design

Die Nachfrage nach Erdbebenseismographen ist nicht so hoch; es kann von einigen wenigen Herstellern erfüllt werden, die maßgeschneiderte Seismographen entwickeln, um die Bedürfnisse bestimmter Forscher zu erfüllen. Obwohl die Grundkomponenten des Seismographen Standard sind, können bestimmte Funktionen für bestimmte Zwecke angepasst werden. Zum Beispiel könnte jemand ein empfindlicheres Instrument benötigen, um seismische Ereignisse Tausende von Kilometern entfernt zu untersuchen. Ein anderer Seismologe könnte ein Instrument auswählen, dessen Pendel nur wenige Sekunden dauert, um die frühesten Erschütterungen eines Erdbebens zu beobachten. Für Unterwasserstudien müsste der Seismograph tauchfähig sein.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Auswählen einer Website

• 1 Ein Standort kann einen Seismologen aus mehreren Gründen interessieren. Der offensichtlichste ist, dass die Region erdbebengefährdet ist, vielleicht weil sie an eine Verwerfung oder einen Bruch in der Erdkruste angrenzt. Solche Brüche lösen einen der angrenzenden Erdblöcke, wodurch sich der Block höher, niedriger oder horizontal parallel zur Verwerfung verschiebt und das Gebiet anfällig für weitere Instabilität macht. Ein Seismograph könnte auch in einer Region installiert werden, in der es derzeit keinen gibt, damit Seismologen Daten für ein vollständigeres Bild des Gebiets sammeln können.
• 2 Obwohl einige Seismographen zu Bildungszwecken in Universitäts- oder Museumskellern aufgestellt werden, wäre der ideale Ort für die Erdbebenforschung etwas abgelegener. Um die seismischen Bewegungen der Erde genauer zu erfassen, sollte ein Seismograph dort platziert werden, wo Verkehr und andere Vibrationen minimal sind. In einigen Fällen kann ein ungenutzter Tunnel verwendet werden. Zu anderen Zeiten steht eine natürliche unterirdische Höhle zur Verfügung. Seismologische Forscher können sogar einen Brunnen graben und das Instrument darin platzieren, wenn kein anderes unterirdisches Loch vorhanden ist, in dem ein Seismograph für wünschenswert erachtet wird. Ein oberirdischer Seismograph ist ebenfalls möglich, muss jedoch über einem soliden Felsfundament ruhen.

Seismometereinheit zusammenbauen

• 3 In einer spezialisierten Fabrik werden die Einzelteile des Seismographen montiert und für den Versand vorbereitet. Zuerst wird das Pendel entweder an einer weichen Feder (bei einer vertikalen Einheit) oder einem Draht (bei einer horizontalen Einheit) befestigt und in einem Zylinder aufgehängt Während horizontale Seismometer ein an einem Draht befestigtes Pendel enthalten, verwenden vertikale Einheiten stattdessen eine Feder. Wenn der Boden während eines Erdbebens vibriert, bleibt das Pendel stehen, während sich der Rekorder bewegt, und erstellt so eine Aufzeichnung der Erdbewegung.
  Einige Rekorder bestehen aus einer Spule, die ein elektrisches Signal erzeugt, das wiederum für den späteren Ausdruck im Computerspeicher gespeichert wird. Ein weniger ausgeklügelter Seismograph hat entweder einen Spiegel, der Licht auf lichtempfindliches Papier wirft, einen Stift, der mit schnell trocknender Tinte auf eine Papierrolle schreibt, oder einen Heizstift, der Thermopapier markiert. zwischen Elektrospulen. Als nächstes werden die Spulen mit Leiterplatten verdrahtet und im Inneren des Seismographenkörpers platziert. Das ganze Gerät kann wiederum an ein digitales Tonbandgerät angeschlossen werden, das den von den Spulen erzeugten Strom aufnimmt und auf die Platinen überträgt. Wenn das Datenaufzeichnungsgerät aus traditionelleren Geräten wie Papierrolle und Stift besteht, werden diese jetzt am Gerät befestigt. Je nach endgültigem Bestimmungsort wird der Seismograph per LKW oder Flugzeug in einer gepolsterten Kiste von Transportern transportiert, die Erfahrung mit dem Transport empfindlicher elektronischer Geräte haben.

Installation der Seismometereinheit

• 4 Ein für Bildungszwecke gedachter Seismograph könnte in den Beton geschraubt werden Etage eines Kellers, aber Forschungsseismographen sind am besten weit weg von den unvermeidlichen Erschütterungen eines Gebäudes aufgestellt. Sie werden entweder direkt auf dem Felsuntergrund installiert, wenn es auf hohe Präzision ankommt, oder in einem Betonbett. In beiden Fällen wird Erde entfernt und der Boden eingeebnet. Im zweiten Fall wird ein Betonbett gegossen und abbinden gelassen.
• 5 Nachdem der Untergrund vorbereitet wurde, wird die Seismometereinheit verschraubt. In einigen Fällen, in denen eine hohe Empfindlichkeit erforderlich ist, wird es in einem Gewölbe untergebracht, in dem die Temperatur und Luftfeuchtigkeit kontrolliert werden. Die Seismometereinheit wird normalerweise im gewählten Feld, in der Kaverne oder im Gewölbe installiert, während die Verstärker, Filter und Aufzeichnungsgeräte separat untergebracht sind.
• 6 In der modernen Seismologie ist es typisch, dass mehrere Seismometereinheiten im Abstand zueinander angeordnet sind. Jede Seismometereinheit sendet Signale an eine zentrale Stelle, wo die Daten ausgedruckt und untersucht werden können. Die Signale können von einer in das Gerät eingebauten Antenne ausgestrahlt oder, in anspruchsvolleren Geräten, auf einen Satelliten übertragen werden.

Qualitätskontrolle

Seismographen sind so konzipiert, dass sie den Elementen standhalten. Sie sind wasser- und staubdicht und viele sind darauf ausgelegt, trotz extremer Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit zu funktionieren, je nachdem, wo sie installiert werden. Trotz ihrer Empfindlichkeit und ihres Schutzbedarfs sind viele Seismographen dafür bekannt, dass sie 30 Jahre halten. Mitarbeiter der Qualitätskontrolle in der Fabrik überprüfen das Design und das Endprodukt, um zu sehen, ob sie den Anforderungen des Kunden entsprechen. Alle Teile werden auf Toleranz und Passung geprüft und der Seismograph auf Funktion geprüft. Darüber hinaus verfügen die meisten Seismographen über eingebaute Prüfgeräte, damit sie nachträglich geprüft werden können Ein typischer Seismograph enthält 3 Pendel:eines zur Aufzeichnung der vertikalen Bewegung und zwei zur Aufzeichnung der horizontalen Bewegung. Die Seismometereinheit wird normalerweise in einem Feld, einer Kaverne oder einem Gewölbe installiert, während die Verstärker und Aufzeichnungsgeräte separat untergebracht sind. installiert werden und bevor sie in Betrieb genommen werden. Qualifizierte Computerprogrammierer testen die Software auch vor dem Versand auf Fehler. Sensitivität und Genauigkeit sind zwar wichtig, aber auch das Timing ist entscheidend, insbesondere bei der Erdbebenvorhersage. Die meisten modernen Seismographen sind mit einer Atomuhr verbunden, die auf die Weltzeit (früher Greenwich-Zeit) kalibriert ist und so hochpräzise Informationen liefert, die alle Forscher verstehen können.

Ein weiterer kritischer Aspekt der Qualitätskontrolle mit modernen Seismographen ist die Minimierung menschlicher Fehler. Während frühere Seismographen einfach waren und praktisch jeder lernen konnte, wie man sie benutzt, sind moderne Seismographen präzise, ​​empfindliche Geräte, die komplex und schwierig zu bedienen sind. Forscher und Arbeiter von Seismographen müssen heute von Ingenieuren und Wissenschaftlern der Produktionsstätte ausgebildet werden, wenn sie nicht selbst bereits qualifizierte Ingenieure und Wissenschaftler sind. Sie müssen lernen, den Seismographen sowie alle Hilfsgeräte wie einen Computer zu bedienen und zu warten.

Die Zukunft

Die Seismologie ist vor allem für die Erforschung von Erdbeben bekannt. Der Schwerpunkt lag nicht auf der theoretischen Untersuchung der Erdstruktur, sondern eher auf der Vorhersage und Verringerung der Auswirkungen von Erdbeben in gefährdeten Regionen. Die Erforschung des Erdinneren war darauf ausgerichtet, nach Ölvorkommen zu suchen, vor dem Bau auf Bodeninstabilitäten zu testen und unterirdische Atomexplosionen aufzuspüren. Die Erdbebenvorhersage steht jedoch an erster Stelle. Wenn Forscher im Vorfeld feststellen können, dass es zu einem Beben kommt, können Vorkehrungen wie die Aufstockung von Krankenhaus- und Sicherheitspersonal eingeplant werden. Die erste offizielle Erdbebenvorhersage der US-Regierung fand erst 1985 statt. Daher steckt die Erdbebenvorhersage noch in den Kinderschuhen. Jüngste schwere Erdbeben, wie das in San Francisco 1989 aufgetretene, haben die Untersuchung der San-Andreas-Verwerfung intensiviert. Derzeit untersucht ein Team von Seismologen das Parkfield-Segment dieser Verwerfung, um festzustellen, ob sie ein kleineres Erdbeben vorhersagen können. Die Daten aus diesem Versuch könnten sich als nützlich erweisen, um schwere Erdbeben in dichter besiedelten Gebieten vorherzusagen. Andere Entwicklungen umfassen empfindlichere und langlebigere Seismographen, die sowohl lang- als auch kurzperiodische Wellen aufzeichnen können. Ein Geowissenschaftler glaubt, dass ein Erdbebenwarnsystem aufgebaut werden könnte. Ein solches System würde einen Seismographen erfordern, um die Schwingungen aufzufangen, einen Computer, um sie als bevorstehendes Erdbeben zu interpretieren, und ein Kommunikationssystem, um Rettungskräfte rechtzeitig zu warnen. Einige Experten stellen sich große Ansammlungen von Seismographen in erdbebengefährdeten Gebieten vor, in denen einzelne Seismographenbesitzer Daten sammeln und an Seismologen übermitteln könnten.