КТО ПРИДУМАЛ СЕЙСМОГРАФ

Сложно себе представить, но ежегодно на нашей планете происходит около миллиона землетрясений! Разумеется, в основном это слабые подземные толчки. Землетрясения разрушительной силы случаются значительно реже - в среднем раз в две недели. К счастью, большинство из них происходят на дне океанов и не приносят никаких неприятностей человечеству.

О катастрофических последствиях землетрясений знает каждый: тектоническая активность пробуждает вулканы, гигантские приливные волны смывают в океан целые города, разломы и оползни разрушают строения, вызывают пожары и наводнения и уносят сотни и тысячи человеческих жизней. Поэтому люди во все времена стремились изучить землетрясения и предотвратить их последствия.

Так, Аристотель в IV в. до и. э. считал, что атмосферные вихри внедряются в землю, в которой много пустот и щелей. Вихри усиливаются огнем и ищут выход, вызывая землетрясения и извержения вулканов. Также Аристотель наблюдал за движениями почвы при землетрясениях и попытался дать их классификацию, выделив шесть типов движений: вверх-вниз, из стороны в сторону и т. п.

Первая известная попытка изготовить прибор, предсказывающий землетрясения, принадлежит китайскому философу и астроному Чжан Хэну. В Китае эти стихийные бедствия случались и случаются чрезвычайно часто, более того, три из четырех крупнейших в истории человечества землетрясений произошли в Китае.

И в 132 г. Чжан Хэн изобрел устройство, которому дал имя Хоуфэн «флюгер землетрясений» и которое могло фиксировать колебания земной поверхности и направление их распространения.

Хоуфэн и стал первым в мире сейсмографом (от греч. seismos «колебание» и grapho «пишу») прибором для обнаружения и регистрации сейсмических волн (строго говоря, прибор был скорее сейсмоскопом (от греч. skopeo «смотрю»), потому что запись его показаний велась не автоматически, но рукою наблюдателя).

Хоуфэн был сделан из меди в форме сосуда для вина диаметром 180 см и тонкими стенками. Снаружи сосуда располагались восемь драконов. Головы драконов указывали на восемь направлений: восток, юг, запад, север, северо-восток, юго-восток, северо-запад и юго-запад. Каждый дракон держал во рту медный шарик, а под его головой сидела жаба с открытым ртом. Предполагается, что внутри сосуда был вертикально установлен маятник с тягами, которые прикреплялись к головам драконов. Когда в результате подземного толчка маятник приходил в движение, тяга, соединенная с головой, обращенной в сторону толчка, раскрывала пасть дракона, и шар из нее выкатывался в рот соответствующей жабы. Если выкатывались два шарика, можно было предположить силу землетрясения. Если прибор находился в эпицентре, то выкатывались все шарики. Наблюдатели инструмента могли немедленно сделать запись о времени и направлении землетрясения. Прибор был весьма чувствительным: он улавливал даже слабые подземные толчки, эпицентр которых находился за 600 км от него.

В 138 г. этот сейсмограф точно указал на землетрясение, которое произошло в области Луньси.

В Европе же серьезно изучать землетрясения начали значительно позже.

В 1862 г. вышла в свет книга ирландского инженера Роберта Малета «Великое неаполитанское землетрясение 1857 г.: основные принципы сейсмологических наблюдений». Малет совершил экспедицию в Италию и составил карту пораженной территории, разделив ее на четыре зоны. Введенные Малетом зоны представляют собою первую, достаточно примитивную, шкалу интенсивности сотрясений.

Но сейсмология как наука начала развиваться только с повсеместным появлением и внедрением в практику приборов для регистрации колебаний почвы, т. е. с появлением научной сейсмометрии.

В 1855 г. итальянец Луиджи Пальмиери изобрел сейсмограф, способный регистрировать удаленные землетрясения. Действовал он по такому принципу: при землетрясении ртуть проливалась из шарообразного объема в специальный контейнер в зависимости от направления колебаний. Индикатор контакта с контейнером останавливал часы, указывая точное время, и запускал запись колебаний земли на барабан.

В 1875 г. еще один итальянский ученый, Филиппо Секи, сконструировал сейсмограф, который включал часы в момент первого толчка и записывал первое колебание. Первая дошедшая до нас сейсмическая запись сделана именно с помощью этого прибора в 1887 г.

После этого начался быстрый прогресс в области создания инструментов для регистрации колебаний почвы.

В 1892 г. группа английских ученых, работавших в Японии, создала первый достаточно удобный в обращении прибор сейсмограф Джона Милна. Уже в 1900 г. функционировала мировая сеть из 40 сейсмостанций, оборудованных приборами Милна.

Сейсмограф состоит из маятника той или иной конструкции и системы регистрации его колебаний. По способу регистрации колебаний маятника сейсмографы можно разделить на приборы с прямой регистрацией, преобразователи механических колебаний и сейсмографы с обратной связью. Сейсмографы с прямой регистрацией используют механический или оптический способ записи. Первоначально при механическом способе записи на конце маятника помещалось перо, процарапывавшее линию на закопченной бумаге, которую потом покрывали закрепляющим составом. Но на маятник сейсмографа с механической регистрацией сильное влияние оказывает трение пера о бумагу. Чтобы уменьшить это влияние, необходима очень большая масса маятника. При оптическом способе записи на оси вращения укреплялось зеркальце, которое освещалось через объектив, а отраженный луч попадал на фотобумагу, намотанную на вращающийся барабан. Способ прямой регистрации до сих пор используется в сейсмически активных зонах, где движения почвы достаточно велики. Но для регистрации слабых землетрясений и на больших расстояниях от очагов требуется усиливать колебания маятника. Это осуществляется различными преобразователями механических перемещений в электрический ток.

Преобразование механических колебаний впервые предложил русский ученый Борис Борисович Голицын в 1902 г. - это была гальванометрическая регистрация, основанная на электродинамическом способе. Жестко скрепленная с маятником индукционная катушка помещалась в поле постоянного магнита. При колебаниях маятника магнитный поток менялся, в катушке возникала электродвижущая сила, и ток регистрировался зеркальным гальванометром. На зеркальце гальванометра направлялся луч света, и отраженный луч, как и при оптическом способе, падал на фотобумагу.

Подобные сейсмографы завоевали всемирное признание на многие десятилетия вперед.

В последнее время получили распространение так называемые параметрические преобразователи. В этих преобразователях механическое перемещение (движение массы маятника) вызывает изменение какого-либо параметра электрической цепи (например, электрического сопротивления, емкости, индуктивности, светового потока и т. п.) Изменение этого параметра приводит к изменению тока в цепи, и в этом случае именно смещение маятника (а не его скорость) определяет величину электрического сигнала. Из разнообразных параметрических преобразователей в сейсмометрии в основном используются два фотоэлектрический и емкостной.

Наибольшую популярность получил емкостной преобразователь Беньофа. Среди критериев выбора главными оказались простота устройства, линейность, малый уровень собственного шума, экономичность в электропитании.

Сейсмографы бывают чувствительны к вертикальным колебаниям земли или к горизонтальным. Чтобы наблюдать движение почвы во всех направлениях, обычно используют три сейсмографа: один с вертикальным маятником и два с горизонтальными, ориентированными на восток и на север. Вертикальный и горизонтальный маятники различаются по своей конструкции, поэтому оказывается достаточно сложным добиться полной идентичности их частотных характеристик.

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.

Сейсмографы используются прежде всего для изучения самого явления землетрясения. С их помощью удается определить инструментальным способом силу землетрясения, место его возникновения, частоту происхождения в данном месте и преимущественные места возникновения землетрясений.

Основные сведения о внутреннем строении Земли получены тоже по сейсмическим данным путем интерпретации полей сейсмических волн, вызванных землетрясениями и мощными взрывами и наблюдаемых на поверхности Земли.

С помощью записи сейсмических волн ведутся также исследования строения земной коры. Например, исследования 1950-х годов показывают, что мощности слоев коры, а также скорости волн в них меняются от места к месту. В Средней Азии мощность коры достигает 50 км, а в Японии -15 км. Создана карта мощности земной коры.

Не исключено, что сейсмографы нового поколения смогут обнаружить гравитационные волны во Вселенной.

Источник: www.altpp.ru