Зачем нужны сейсмографы?
Записи сейсмографов необходимы для изучения закономерностей появления подземных толчков. Этим занимается наука, называемая сейсмологией. Наибольший интерес для сейсмологов представляют районы, расположенные в так называемых сейсмически активных местах – в зонах разломов земной коры. Там нередки извержения вулканов и передвижения огромных пластов подземных пород – т.е. то, что обычно вызывает землетрясения.
Как правило, крупные землетрясения не возникают неожиданно. Им предшествуют серии мелких, почти незаметных толчков особого характера. Научившись предсказывать землетрясения, люди смогут избегать гибели из-за этих катаклизмов и минимизировать наносимый ими материальный ущерб.
Задачи
При помощи сейсмологии изучается внутреннее строение Земли
Поэтому очень важно знать, как отклонения от однородности влияют на распространение сейсмических волн.По существу все прямые данные о внутреннем строении Земли, имеющиеся в нашем распоряжении, получены из наблюдений за распространением упругих волн, возбуждаемых при землетрясениях.. Землетрясения можно рассматривать как специфические колебательные движения земной коры, характеризующиеся небольшой длительностью периодов (от десятков минут для собственных колебаний Земли до долей секунд)
Под сейсмичностью подразумевается географическое распределение землетрясений, их связь со строением земной поверхности и распределение по магнитудам (или энергиям).
Землетрясения можно рассматривать как специфические колебательные движения земной коры, характеризующиеся небольшой длительностью периодов (от десятков минут для собственных колебаний Земли до долей секунд). Под сейсмичностью подразумевается географическое распределение землетрясений, их связь со строением земной поверхности и распределение по магнитудам (или энергиям).
Существует также шахтная сейсмология, которая занимается мониториногом сейсмичности в районе разрабатываемого рудного тела, и прогнозированием и предупреждением горных ударов для обеспечения безопасности горных работ.
История
Сейсмоскоп Чжан Хэна
Сейсмометр на вулкане
Сейсмоскоп — указывает направление на эпицентр землетрясения. Был изобретён Чжан Хэном в 132 году в Китае.
В большинстве случаев сейсмограф имеет установленный на пружинной подвеске груз, который при землетрясении остаётся неподвижным, тогда как остальная часть прибора (корпус, опора) приходит в движение и смещается относительно груза. Одни сейсмографы чувствительны к горизонтальным движениям, другие — к вертикальным. Волны регистрируются пером на движущейся бумажной ленте. Существуют и электронные сейсмографы (без бумажной ленты) с записью в запоминающие устройства.
Сейсмограф Голицына в токийском музее
Первые сейсмографы были механическими. В них колебания корпуса относительно груза с помощью рычагов усиливались и передавались на перо, оставлявшее следы на барабане с закопченной бумагой. В 1906 году российский князь Борис Голицын изобрёл первый электромагнитный сейсмограф, основанный на явлении электромагнитной индукции. В таком сейсмографе к грузу прикреплена катушка индуктивности, которая при колебаниях корпуса перемещается относительно закреплённых на нём магнитов. При этом возникает электрический ток, колебания которого при помощи гальванометра с зеркальцем вместо стрелки записываются на фотобумагу.
До недавнего времени в качестве чувствительных элементов сейсмографов в основном использовались механические или электромеханические устройства. Вполне естественно, что стоимость таких инструментов, содержащих элементы точной механики, является настолько высокой, что они практически недоступны для рядового исследователя, а сложность механической системы и, соответственно, требования к качеству её исполнения фактически означают невозможность изготовления подобных приборов в промышленных масштабах.
Бурное развитие микроэлектроники и квантовой оптики в настоящее время привело к появлению серьёзных конкурентов традиционным механическим сейсмографам в средне- и высокочастотной области спектра. Однако, такие устройства на основе микромашинной технологии, волоконной оптики или лазерной физики, обладают весьма неудовлетворительными характеристиками в области инфранизких частот (до нескольких десятков Гц), что является проблемой для сейсмологии (в частности, организации телесейсмических сетей).
Существует и принципиально иной подход к построению механической системы сейсмографа — замена твёрдой инерционной массы жидким электролитом. В таких устройствах внешний сейсмический сигнал вызывает поток рабочей жидкости, который, в свою очередь, преобразуется в электрический ток с помощью системы электродов. Чувствительные элементы подобного типа получили название молекулярно-электронных. Преимуществами сейсмографов с жидкой инерционной массой является низкая стоимость, продолжительный, порядка 15 лет, срок службы и отсутствие элементов точной механики, что резко упрощает их изготовление и эксплуатацию.
Литература
- Вычислительная сейсмология (Computational Seismology and Geodynamics): Сборники статей и монографии. Выпуски. 1-45. М.: Наука; Геос; URSS, 1966—2016.
- Гир Дж., Шах Х. Зыбкая твердь: Что такое землетрясение и как к нему подготовиться = Terra Non Firma. Understanding and Preparing for Earthquakes / Пер. с англ. д-ра физ.-мат. наук Н. В. Шебалина. — М.: Мир, 1988. — 220 с. — 63 000 экз.
- Каррыев Б. С. Вот пришло землетрясение. SIBIS. 2009
- Каррыев Б. С. Катастрофы в природе: Землетрясения. RIDERO. 2016
- Малышев А. И. Закономерности нелинейного развития сейсмического процесса. Екатеринбург: Изд-во ИГГ УрО РАН. 2005. 111 с.
- Эйби Дж. А. Землетрясения = Earthquakes. — М.: Недра, 1982. — 50 000 экз.
Практическое значение
Благодаря сейсмологии раскрыто строение Земли и установлены главные границы раздела в её недрах — кора, мантия и ядро. Выяснено, что помимо данных об источнике — очагах землетрясений, сейсмические волны несут информацию о среде, через которую они распространяются.
Сейсмология позволила понять природу землетрясений, разработать новые технологии строительства стойких к подземным ударам сооружений и многое другое. Потребовалось более ста лет, чтобы связать природу землетрясений с возбуждаемыми ими сейсмическими волнами и около пятидесяти лет для получения общего представления о внутреннем устройстве Земли и характере распространения в её недрах сейсмических волн.
Характеристики
Современные сейсмографы способны определять и измерять амплитуду колебаний в трех плоскостях. Измеряя виброскорость, сейсмографы имеют диапазон частот измерения от 0,3 до 500 Гц, при диапазоне измерения скорости колебания — от 0,0002 до 20 мм/с. Сейсмографы бывают как переносные, так и стационарные. Последние выполняют больших размеров и устанавливают конкретно один раз и на весь срок службы. Переносные возможно переустанавливать в определенное место в зависимости от местности. Все современные модели снабжены программными интерфейсами и передают напрямую все свои измерения в базу данных на компьютер.
Зачем нужны сейсмографы?
Все записи сейсмографов помогают ученым разобраться в закономерности наступления всех колебаний. На этой почве зародилась наука, названная сейсмологией. Наиболее часто под изучение подходят зоны, где землетрясения — постоянная ситуация, например, в горной местности или местах разломов. Там также происходят извержения вулканов наряду с осыпями, оползнями.
Как уже многие исследователи в этой сфере успели понять за счет практики, сильное землетрясение произвольным образом не возникает. То есть перед его наступлением необходимы более слабые толчки, вследствие которых и предсказывают наступление серьезной катастрофы. Такие выводы помогают людям приготовиться к возможным потерям, покинуть дом, взяв необходимые вещи.
Принцип работы
Принцип работы сейсмографа основан на передаче колебаний предметам, установленным на участке земной коры. При нахождении одной плиты земной коры на другую накапливается огромное количество энергии, при ее высвобождении происходит сотрясение.
Что такое сейсмограф? Современные приборы состоят из маятника, подвешенного на нити и закрепленного к стойке, прочно стоящей на грунте. На конце маятника имеется перо, которое при колебании будет вычерчивать амплитуду значения деформации. Барабан с бумагой, на которой будет отображаться процесс землетрясения, устанавливается также на грунте жестко. Когда происходит землетрясение, маятник за счет инерции остается на месте, а барабан с бумагой совершает колебательные движения, вычерчивая значение энергии, высвобождаемой при явлении землетрясения. Современные приборы способны контролировать даже незначительные изменения, не несущие разрушения.
Что такое сейсмограф у животных? Их организм устроен так, что малейшие изменения в атмосфере и состоянии земной поверхности в радиусе нескольких километров вызывают у них тревогу. Срабатывает закон самосохранения, и они покидают опасные территории. Самыми чувствительными к явлению землетрясения считаются относящиеся к видам амфибий и рептилий, то есть змеи, лягушки, ящерицы.
Сейсмограф своими руками
Зная, что такое сейсмограф и для чего он нужен, каждый при желании может сделать его самостоятельно. Правда, он будет не таким чувствительным, как профессиональные устройства, но тоже сможет ощущать недалекие толчки. Для этого необходимо найти небольшую гирю, которая к концу будет слегка заостренной. Затем ее вешают на держатель, а под низом располагают плоскую посуду. При колебаниях гиря будет ударяться об нее. Можно под низом расположить муку или порошок мела, тогда гиря точно будет вырисовывать на них направления колебаний, а также показывать силу самого землетрясения.
Если человек живет в большом городе, где постоянные шумы и колебания — это норма, то вряд ли подобное устройство поможет ему что-либо зафиксировать. Максимум, что возможно — это почувствовать колебания самому и попробовать предположить их силу.
Что такое сейсмограф?
- Подробности
- Просмотров: 235
Каждый год на Земле случается от восьми до десяти тысяч землетрясений, т.е. примерно одно землетрясение каждый час. Основных причин землетрясений три: провалы пустот, создаваемые подземными водами. вулканические извержения и смещения толщ земной коры.
Для регистрации этого природного явления, определения его силы, места возникновения и других характеристик издавна применяются специальные приборы — сейсмографы.
Главным элементом любого сейсмографа является обыкновенный груз, подвешенный на опоре, прикрепленной к основанию. И самый простой прибор можно сделать самому.
Первый прибор, способный улавливать колебания земной поверхности, был изобретен в 132 г. китайским астрономом Чжан Хэном. Прибор состоял из большого бронзового сосуда диаметром 2 м, на стенках которого располагались восемь голов дракона. Челюсти у драконов раскрывались, и у каждого в пасти был шар. Внутри сосуда находился маятник. В результате подземного толчка маятник приходил в движение, действовал на головы, и шар выпадал из пасти дракона в открытый рот одной из восьми жаб, восседавших у основания сосуда. Прибор улавливал подземные толчки на расстоянии 600 км.
Подобные приборы называются сейсмоскопами. Они широко используются и сейчас, давая ценную информацию. В Калифорнии (США) размещены тысячи сейсмоскопов с записью маятниками на сферическом стекле, покрытом сажей. Обычно, видна сложная картина движения острия маятника по стеклу, в которо отклонения дают представление о силе землетрясений. Сейсмоскоп, подобный китайскому, сделал в 1848 году итальянец Каччиаторе, в котором маятник и шарики были заменены ртутью. При колебаниях грунта ртуть выливалась в сосуды, расположенные равномерно по азимутам. В качестве груза для маятника было чугунное кольцо весом 25 кг, подвешенное на стальной проволоке. Общая длина маятника составила почти 7 метров.
Первый сейсмограф, имевший научное значение, был построен 1879 г. в Японии Юингом. В Европе первый сейсмограф был установлен на Везувии в середине 19 века.. Такие сейсмографы изготавливались в Германии в 1902-1915 гг. Массы маятниколв достигали тонны и более! Запись движения маятника осуществлялась на закопченной бумаге, вращаемой непрерывной лентой часовым механизмом.
Переворот в технике сейсмометрии произвел блестящий российский ученый князь Б.Б.Голицын. Он изобрел способ гальванометрической записи землетрясений и организовал первые сейсмические станции, на которых были установлены новые приборы. Состоит такой прибор из сейсмометра, преобразователя его механического сигнала в электрическое напряжение и регистратора — накопи поверхности Земли и цифровым способом измерения этих колебаний.
НЕБЕСНЫЙ СЕЙСМОГРАФ
Следующая страница «Что такое термометр?»
Назад в раздел «Есть еще вопросы по физике? — Отвечаем!»
Сейсмографы, используемые учеными
Первый сейсмограф современной конструкции изобрел русский ученый, князь Б. Голицын, который использовал преобразование механической энергии колебаний в электрический ток.
Конструкция довольно проста: грузик подвешивается на вертикально или горизонтально расположенной пружине, а к другому концу груза крепится перо самописца.
Вращающаяся бумажная лента служит для записи колебаний груза. Чем сильнее толчок, тем дальше отклоняется перо и дольше колеблется пружина. Вертикальный груз позволяет регистрировать горизонтально направленные толчки, и наоборот, горизонтальный самописец записывает толчки в вертикальной плоскости. Как правило, горизонтальная запись ведется в двух направлениях: север–юг и запад-восток.
