как работает и для чего нужен сейсмограф
Что такое сейсмограф, описание и принцип действия
Со времени образования земного шара основание поверхности постоянно находится в движении. Земная кора при движении может привести к страшным последствиям в виде такого явления, как землетрясение. При наползании одной плиты на другую накапливается внутреннее напряжение материковой коры, при прохождении критической точки освобождается накопленная энергия, вызывая страшные разрушения. Чтобы избежать жертв при землетрясении и для исследований самого явления, был изобретен прибор сейсмограф. С его помощью стало возможно определять количество энергии, высвобожденное при колебаниях земной коры.
Что такое сейсмограф
Вам будет интересно: Ярославский государственный технический университет (ЯГТУ)
Само слово «сейсмограф» происходит от греческого и прямо обозначает «записывать», «землетрясение». Самый древний сейсмограф был изготовлен в древнем Китае. Он представлял собой большую бронзовую чашу, которая держалась на восьми драконах, в раскрытой пасти каждого дракона находился шар. Внутри чаши был подвешен маятник, прикрепленный к стойке, которая была установлена жестко на основании плиты, лежащей на поверхности земли. При возникновении колебания маятник ударял по стенке чаши, и из пасти дракона выпадал шар, попадая в пасть металлической жабе, находящейся внизу этой конструкции. Такое устройство могло фиксировать колебания за 600 км от ее нахождения.
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.
Характеристики
Особенности применения
Что такое сейсмограф и куда его установить? Его размещают на потенциально опасных участках, где возможны проявления колебаний земной коры. Переносные сейсмографы устанавливают на участках горных или подземных разработок, чтобы избежать человеческих жертв, предупредив землетрясения и эвакуировав рабочий персонал. При установке следует учитывать, что прибор может давать серьезные погрешности, если устанавливать его вблизи дорог, где возможен проезд тяжелой техники.
Сейсмограф
Сейсмограф — специальный измерительный прибор, который используется для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн. В большинстве случаев сейсмограф имеет груз с пружинным прикреплением, 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 вибрирующим пером на движущейся бумажной ленте. Существуют и электронные сейсмографы (без бумажной ленты).
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 ее 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).
Компьютеризированные сейсмоизмерительные системы
С появлением компьютеров и аналого-цифровых преобразователей функциональность сейсмоизмерительного оборудования резко повысилась. Появилась возможность одновременно фиксировать и анализировать в реальном времени сигналы с нескольких сейсмодатчиков, учитывать спектры сигналов. Это обеспечило принципиальный скачок в информативности сейсмоизмерений.
Что такое сейсмограф, описание и принцип действия
Что такое сейсмограф?
Слово «сейсмограф» имеет греческое происхождение и образовано от двух слов: «seismos» – сотрясение, колебание, и «grapho» – писать, записывать. То есть, сейсмограф – это прибор, предназначенный записывать колебания земной коры.
Первый сейсмограф, упоминание о котором осталось в истории, был создан в Китае почти две тысячи лет назад. Ученый астроном Чжан Хен изготовил для китайского императора огромную двухметровую чашу из бронзы, стенки которой поддерживали восемь драконов. В пасти каждого из драконов лежал тяжелый шар. 
Внутри чаши был подвешен маятник, который при подземном толчке ударял о стенку, заставляя пасть одного из драконов раскрыться и выронить шар, падавший прямо в рот одной из больших бронзовых жаб, сидящих вокруг чаши. По описанию, прибор мог регистрировать землетрясения, происходящие на расстоянии до 600 км от места, где был установлен.
Строго говоря, каждый из нас может сам изготовить простейший сейсмограф. Для этого нужно подвесить гирю с заостренным концом точно над ровной поверхностью. Любое колебание грунта заставит гирю колебаться. Если припудрить площадку под грузом порошком мела или мукой, то прочерченные острым концом гирьки полоски укажут силу и направление колебаний.
Правда, такой сейсмограф для жителя большого города, дом которого находится рядом с оживленной улицей, не годится. Проезжающие тяжелые грузовики то и дело будут колебать почву, вызывая микроколебания маятника.
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.
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.
Сейсмо́граф
Прибор для записи упругих колебаний земной коры, вызванных землетрясениями или искусственными взрывами
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.
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.
Что такое сейсмограф и куда его установить? Его размещают на потенциально опасных участках, где возможны проявления колебаний земной коры. Переносные сейсмографы устанавливают на участках горных или подземных разработок, чтобы избежать человеческих жертв, предупредив землетрясения и эвакуировав рабочий персонал. При установке следует учитывать, что прибор может давать серьезные погрешности, если устанавливать его вблизи дорог, где возможен проезд тяжелой техники.
Чжан Хэн и первый в мире сейсмограф
«Бэнг!» — покой императорского дворца нарушает звук металлического шара, который выпадает из головы дракона и со звоном падает в рот одной из восьми жаб, равномерно распределённых по кругу по всем сторонам света. Через несколько дней ко дворцу в провинции Хэнань прискачет обессиленный гонец, чтобы доложить императору о землетрясении, которое недавно произошло в одном из регионов его необъятной страны. Но владыка уже несколько дней как в курсе случившегося — о землетрясении он узнал сразу же после падения металлического шара. Что это — один из эпизодов фэнтези-фильма? Нет — это Древний Китай, империя Хань, 132 год нашей эры.
С глубокой древности Китай был сейсмоопасным регионом. В исторических хрониках содержится немало сведений о землетрясениях, разрушавших целые города ещё до нашей эры. Для большой территории Империи Хань каждое подобное землетрясение несло огромную опасность — внешние враги не брезговали воспользоваться чужой бедой, устраивая налеты на поврежденные города и грабя дезориентированных жителей.
Чтобы пресекать подобные случаи и вовремя помогать собственному населению, необходимо было сразу же узнавать о произошедшей трагедии и немедленно выдвигаться к месту событий. Где же ещё, как не в Китае, должен был появиться первый сейсмограф? Его создателем стал выдающийся древнекитайский учёный Чжан Хэн.
Китайский изобретатель Джан Хэн
Чжан Хэн родился в семье обедневшего китайского чиновника в 78 году н.э. С детства проявляя трудолюбие и тягу к знаниям, Чжан Хэн всегда выделялся среди своих сверстников. Молодой человек быстро продвигался по карьерной лестнице, поэтому неудивительно, что уже в 37 лет он занял одну из самых уважаемых должностей в империи Хань — пост придворного историографа-астролога. За свою жизнь Чжан Хэн придумал множество интересных изобретений, усовершенствовал географические карты Китая, внес большой вклад в развитие математики. Кроме того, он стал первым, кто утверждал, что свет Луны — это отраженный солнечный свет. Но самым известным его творением является сейсмограф, который он представил императору в 132 году н.э после того, как очередное землетрясение нанесло большой ущерб столице. Если верить древнекитайским авторам, удивительный сейсмограф позволял регистрировать землетрясения, происходящие за сотни километров от места нахождения прибора.
Сейсмограф Чжан Хэна мало чем напоминает современные приборы для измерения подземной активности. Он представляет собой огромный медный сосуд, внутри которого располагался прикреплённый к вершине маятник. К маятнику были подведены 8 рычагов, распределённых равномерно по окружности. Под воздействием малейших подземных толчков от бушующего вдалеке землетрясения маятник отклонялся в сторону, активируя один из рычагов, который, в свою очередь, крепился другим концом к выходящей наружу голове дракона с находящимся внутри металлическим шаром. Система пружин сбрасывала шар вниз в фигуры жаб с широко открытым ртом. Упавший шар создавал гулкий звон, который был слышен по всему дворцу.
Современный экземпляр первого в мире сейсмографа
Сейсмограф пришёлся по нраву императору и с тех пор всегда находился в рабочем состоянии, готовый предупредить о случившейся беде. Данный сейсмограф стал первым в истории, увековечив имя своего создателя. Судьба же самого Чжан Хэна круто изменилась через 4 года после изобретения прибора: в результате дворцовых интриг учёный был изгнан из столицы и назначен управляющим отдаленной провинцией империи, где он работал до конца своей жизни.
Современный экземпляр первого в мире сейсмографа
Но остаётся самый главный вопрос — действительно ли сейсмограф Чжан Хэна регистрировал землетрясение, или описания его работы чересчур приукрашены? Интересно, что во всех сохранившихся описаниях большое внимание уделяется именно внешнему виду сейсмографа, а не принципу его работы. Прибор безусловно красив, а его дизайн поистине оригинален, но современным исследователям хотелось бы больше узнать о его внутренней начинке. Нет сомнений, что главной деталью внутреннего механизма являлся подвешенный маятник с невероятной точностью умевший реагировать на подземные толчки, происходившие на больших расстояниях. Как именно был он закреплён в сосуде и что позволяло ему замечать подземные толчки, которые не мог ощутить человек? К сожалению, это так и остаётся главной загадкой.
| Рекомендуем |
| Водяной и огненный античные будильники |
Конечно, энтузиасты много раз предпринимали попытки создать похожий прибор. Все сейсмографы Чжан Хэна, которые мы сегодня наблюдаем в музеях — это работы современных мастеров. При изготовлении внутренностей данных сейсмографов примерялись передовые материалы, а сам маятник изготавливался с ювелирной точностью, которая, при всём уважении к древнекитайским умельцам, не могла быть достигнута две тысячи лет назад. Расположенные во многих частях света, эти приборы ни разу не смогли зарегистрировать ни одного землетрясения. Хотя некоторые из природных бедствий были довольно сильными и даже привели к многочисленным жертвам.
Но, быть может, мы просто недооцениваем гений изобретателя, который почти два тысячелетия назад смог с помощью простейших технологий создать удивительно точный работающий сейсмограф?
Принцип работы первого китайского сейсмографа
Схема, по которой работал аппарат была следующей:
Принцип работы китайского сейсмографа.Во время падения шарика раздавался характерный лязгающий звук. Удивительно, но первый сейсмограф указывал даже направление, в котором находился эпицентр землетрясения (для этого на приборе были прикреплены дополнительные драконы). К примеру, если шар выпал из дракона с восточной части прибора, значит, беды нужно ждать на западе.
Первый сейсмограф — не только научный, но и художественный артефакт. Почему в его конструкцию входят именно драконы и жабы? Они являются философским символом времени. Соответственно, драконы – это Инь, а жабы – Ян. Взаимодействие между ними символизируют баланс между «верхом» и «низом». Даже с учетом всех научных открытий, Чжан Хэн не забывал вплести в свое изобретение традиционные верования.
В древние времена считалось, что землетрясения – очень недобрый знак и гнев небес. В древней китайской философии даже было придумано специальное ученье, которое разбирало по косточкам баланс между двумя силами Инь и Ян. Естественно, эта наука не могла обойтись без объяснения такого феномена, как землетрясение. По мнению китайцев того времени, земля сотрясается не просто так, а из-за глобального нарушения баланса.
Почему иногда случаются подземные толчки, сила которых может привести к катастрофе? Все списывалось на неправильные решения китайских правителей. Увеличились налоги? Небеса накажут Китай землетрясением! Развязана война? Жди беды! Большой процент землетрясений, которые происходили тогда, были скрупулезно описаны. Историки считали важным писать обо всем, что творилось в такой неблагоприятный день.
Для чего нужны сейсмографы? А.В.Рыков
Землетрясения! Для тех, кто живет в активных сейсмических зонах, это не пустой звук. Люди спокойно живут, забыв о предыдущей катастрофе. Но вот неожиданно, чаще всего ночью, приходит ОНО. Сначала только толчки, даже выбрасывающие из постели, звон посуды, падение мебели. Затем грохот рушихся перекрытий, некапитальных стен, пыль, темнота, стоны. Так было в 1948 году в г. Ашхабаде. Страна об этом узнала много позже. Жарко. Почти раздетый Сотрудник института Сейсмологии в Ашхабаде в ту ночь готовился к выступлению на республиканской конференции по сейсмичности и писал доклад. Около 2 часов началось. Он успел выскочить во двор. На улице в клубах пыли и темной южной ночи ничего не было видно. Его супруга, тоже специалист-сейсмолог, успела встать в дверной проем, который тут же с двух сторон был закрыт рухнувшими перекрытиями потолка. Ее сестра, спавшая по причине жары на полу, была накрыта платяным шкафом, дверцы которого раскрылись, предоставив » убежище » для тела. Но ноги были зажаты верхом шкафа.
Есть два средства избежания больших потерь от землетрясений: антисейсмическое строительство и заблаговременное оповещение о возможном землетрясении. Но оба способа остаются неэффективными. Не всегда антисейсмическое строительство адекватн о тем колебаниям, которые вызываются землетрясениями. Есть странные случаи необъяснимого разрушения железобетона, как это было в Кобе, Япония. Структура бетона нарушается настолько, что бетон рассыпается в местах пучностей стоячих волн в пыль. Происходят вращения зданий, как это наблюдалось в Спитаке, Ленинакане, в Румынии.
На приведенной карте показан наиболее активный в сейсмическом отношении Тихоокеанский тектонический пояс. Точками нанесены эпицентры сильных землетрясений только за ХХ век. Карта дает представление об активной жизни нашей планеты, а ее данные много говорят о возможных причинах землетрясений вообще. Существует много гипотез о причинах тектонических проявлений на лике Земли, но до сих пор нет надежной теор ии глобальной тектоники, однозначно определяющей теор ию явления.
Для чего нужны сейсмографы?
Прежде всего для изучения самого явления, далее надо определить инструментальным способом силу землетрясения, его место возникновения и частоту происхождения этих явления в данном месте и преимущественные места их возникновения. Возбуждаемые землетрясением упругие колебания подобно лучу света от прожектора способны осветить детали строения Земли.
Механические сейсмические приборы
Подобный сейсмоскоп сделал в 1848 году итальянец Каччиаторе, в котором маятник и шарики заменены ртутью. При колебаниях грунта ртуть выливалась в сосуды, расположенные равномерно по азимутам. В России используются сейсмоскопы С.В.Медведева, в Армении разработаны сейсмоскопы АИС А.Г.Назарова, в которых применены несколько маятников, имеющих разные частоты. Они дают возможность грубо получать спектры колебаний, т.е. зависимость амплитуды записей от частот колебаний при землетрясении. Это ценная информация для проектировщиков антисейсмических построек.
Сейсмографы с гальванометрической регистрацией
2. Осуществление регистрации на расстоянии от места установки сейсмометров. Удаленность, сухое помещение, доступность к сейсмическим записям для дальнейшей их обработки придали новое качество процессу сейсмических наблюдений и исключение нежелательных воздействий на сейсмометры со стороны персонала сейсмической станции.
3. Независимость качества записи от дрейфа нуля сейсмометров.
Эти главные преимущества и определили на многие десятилетия развитие и использование гальванометрической регистрации во всем мире.
Российские механические сейсмографы
Комиссия установила, что пока единственным сейсмическим прибором, способном выполнить задачу службы предупреждения о цунами, может быть только механический сейсмограф с регистрацией на закопченной бумаге. Сейсмографы были разработаны в сейсмометрической лаборатории Института физики Земли АН. Сейсмограф с малым увеличением 7 и сейсмограф с увеличением 42 поступили на оснащение специально построенных цунами-станций. Барабаны с закопченной бумагой приводились в движение пружинными часовыми механизмами. Вес массы сейсмографа с увеличением 42 набирался из железных дисков и составлял 100 кг. На этом завершилась эпоха механических сейсмографов.
На фиг.3 показано радиальное (вертикальное) колебание Земли на основном тоне в 3580 сек. после землетрясения.
Фиг.3. Вертикальная Z и горизонтальная H компоненты записи колебания после землетрясения в Иране, 14.03.98, М = 6.9. Видно, что преобладают радиальные колебания над крутильными, имеющими горизонтальную ориентацию.
Покажем на фиг.4, как выглядит трехкомпонентная запись сильного землетрясения после преобразования цифрового файла в визуальный.
Фиг.4. Образец цифровой записи землетрясения в Индии, М=7.9, 26.01.2001, полученной на постоянно действующей широкополосной станции КСЭШ-Р.
Хорошо видны первые вступления двух продольных волн до 25 минуты, далее на горизонтальных сейсмографах вступает поперечная волна примерно на 28 минуте и волна Лява на 33 минуте. На средней вертикальной компоненте волна Лява отсутствует (она горизонтальная), а по времени дальше начинается волна Релея (38 минута), которая видна и на горизонтальных, и на вертикальной трассах.
Фото № 34. Вертикальный сейсмометр установки КСЭШ-Р со снятым корпусом.
1. Golitzin B. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 2, в. 2, 1906.
2. Голицын Б.Б. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 3, в. 1, 1907.
3. Голицын Б.Б. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 4, в. 2, 1911.
4. Голицын Б., Лекции по сейсмометрии, изд. АН, СпБ., 1912.
7. Д.П.Кирнос. Труды Геофиз. Ин-та АН СССР, № 27 (154), 1955 г.
9. А.В.Рыков. Влияние обратной связи на параметры маятника. Изв. АН СССР, сер. Геофиз., № 7, 1963 г.