Како функционира сеизмографот при откривање на земјотреси
Земјотресите се едни од најсложените природни феномени и претставуваат висок ризик за човечкиот живот. Вибрациите што произлегуваат од поместување на тектонските плочи, вулканска активност, подземни колапси, па дури и експлозии предизвикани од човекот, можат да патуваат на долги растојанија низ Земјината кора и да влијаат на површината. За да разберат кога и каде се случуваат земјотресите, колку се силни и како се шират брановите, на научниците им се потребни прецизни мерни инструменти. Примарниот инструмент што се користи е сеизмограф - инструмент што континуирано го евидентира движењето на земјата и го претвора во податоци што можат да се анализираат.
Што е сеизмограф?
Терминот „сеизмограф“ често се користи за да се означи комплетен систем за снимање на земјотреси. Технички, сензорот што го детектира движењето на земјата се нарекува сеизмометар, додека уредот за снимање и системот за обработка на податоци ја завршуваат функцијата на сеизмограф. Сепак, во секојдневната употреба, сеизмографот се смета за комбинација од двете: уред што детектира, мери и евидентира вибрации.
Резултатите од снимањето на сеизмографот се нарекуваат сеизмограми, што се графикони што ја прикажуваат амплитудата на вибрациите во однос на времето. Од овие сеизмограми, истражувачите можат да го одредат времето на пристигнување на сеизмичките бранови, да ја пресметаат локацијата на изворот на земјотресот, да ја проценат магнитудата и да анализираат механизми на расед.
Основни принципи: Инерција и релативно движење
Работниот механизам на сеизмографот се базира на едноставен физички принцип: инерција. Кога земјата се движи поради земјотрес, делот од сеизмографот прикачен на земјата се движи со неа. Сепак, сеизмографот има противтежа (маса) која има тенденција да остане стационарна (или да се движи со минимална промена). Како резултат на тоа, се јавува релативно движење помеѓу рамката на инструментот (која се движи со земјата) и масата (која е „оставена“ поради инерција). Ова релативно движење потоа се претвора во сигнал што може да се сними.
Замислете дека држите штица и ставате тежина со пружина на неа. Кога штицата ќе се затресе, тежината ќе изгледа како да се движи во спротивна насока или да заостанува. Оваа разлика во движењето е суштината на сеизмичките мерења.
Главни компоненти на сеизмограф
Генерално, сеизмографот се состои од неколку важни компоненти:
1. Инерцијална маса (доказна маса)
Најважниот дел служи како „референца“ поради неговата тенденција да остане неподвижен. Оваа маса може да биде маса од тежок метал прикачена на систем на пружини или нишало.
2. Систем со пружина/нишало
Функции за поддршка на масата и регулирање на одговорот на инструментот на вибрации. Параметри како што се константата на пружината и пригушувањето ја одредуваат природната фреквенција и чувствителност на инструментот.
3. Систем за амортизација
Без пригушување, масата би осцилирала предолго откако ќе помине вибрацијата, што ги отежнува читањето на податоците. Пригушувањето може да биде флуидно, магнетно или електронско за да се намалат прекумерните осцилации.
4. Трансдуцер (претвора движење во сигнал)
Претворање на релативно движење во електричен сигнал. Вообичаени методи се електромагнетни (калем и магнет), капацитивни или оптички сензори.
5. Систем за снимање и собирање податоци
Аналогните сигнали се конвертираат во дигитални преку ADC (аналогно-дигитален конвертор), се временски обележани (обично базиран на GPS), потоа се складираат и/или се испраќаат до аналитички центар.
6. Куќа и фондација за инструменти
Сеизмографите се монтираат на стабилни темели, често во подруми или бушотини, за да се минимизираат нарушувањата од човековата активност, ветерот или температурните варијации.
Како сеизмографите ги „слушаат“ земјотресните бранови?
Кога се случува земјотрес, се ослободува енергија која се шири како сеизмички бранови, главно:
– P (примарни) бранови: компресиските бранови, пристигнуваат најбрзо и можат да се шират низ цврсти материи и течности.
– S-бранови (секундарни): смолкнувачки бранови, побавни, се шират само низ цврста средина.
– Површински бранови (Рејли и Лав): генерално најразрушителни, се шират во близина на површината на Земјата.
Сеизмографите ги евидентираат промените во движењето на земјата со текот на времето. На сеизмограм, P брановите обично се појавуваат прво како мали, брзи вибрации, проследени со S бранови со поголеми амплитуди, а потоа површински бранови со подолго траење и потенцијално многу големи амплитуди.
Со споредување на разликата во времето на пристигнување на P и S брановите на станица, истражувачите можат да ја проценат оддалеченоста на изворот на земјотресот од таа станица. Со комбинирање на податоци од повеќе станици, локацијата на земјотресот може да се одреди со триангулација.
Современи сеизмографи: Од пенкало до дигитално
Историски гледано, раните сеизмографи користеле механички системи: маса поврзана со пенкало кое пишувало на ротирачко хартиено тапанче. Иако концептот бил важен во развојот на науката за Земјата, современите инструменти се префрлиле на високопрецизни дигитални системи.
Дигиталните сеизмографи користат сензори кои генерираат електрични сигнали пропорционални на брзината или забрзувањето на движењето на земјата. Податоците потоа се земаат како примероци со одредена брзина (на пр., 100 Hz или повисока) во зависност од потребата и се филтрираат за да се намали шумот. Дигитализацијата овозможува лесен пренос на податоци во реално време, овозможувајќи систем за следење на земјотреси со голема брзина.
Некои видови сензори што најчесто се користат вклучуваат:
– Широкопојасен сеизмометар: способен за снимање на вибрации со широк фреквентен опсег, погоден за локални земјотреси до далечни земјотреси (телесеизмички).
– Акцелерометар со силно движење: дизајниран да снима силни забрзувања без „заситеност“, важно за анализа на тресење во близина на извори на земјотрес и потреби за градежно инженерство.
Одредување на магнитудата и интензитетот од податоците од сеизмографијата
Податоците од сеизмографот се користат за пресметување на магнитудата, мерка за енергијата на земјотресот. Во современата пракса, магнитудата често се изразува како Mw (Момент Магнитуда), што е поврзано со сеизмичкиот момент (обем на раседот, големина на лизгање и цврстина на карпата). Сеизмограмите помагаат да се пресметаат овие параметри преку анализа на амплитудата и спектарот на брановите.
Во меѓувреме, интензитетот го опишува влијанието на земјотресот на одредена локација, под влијание на растојанието до изворот, условите на земјата и квалитетот на зградата. Сеизмографите помагаат во мерењето на параметрите на тресење како што се максималното забрзување на земјата (PGA) или максималното забрзување на земјата (PGV), кои се клучни за ублажување на ризикот и структурен дизајн.
Зошто е толку важна локацијата на инсталацијата на сеизмографот?
Точноста на сеизмографот зависи не само од технологијата, туку и од инсталациската средина. Идеално, инструментот треба да биде поставен:
– подалеку од автопати, фабрики и човечки активности за намалување на вибрациите што не се предизвикани од земјотрес,
– на стабилна карпеста подлога,
– во просторија со релативно константна температура,
– и има прецизен систем за мерење на времето (GPS мерење на времето) така што податоците меѓу станиците се синхронизирани.
Пречки како што се сообраќајот, машините, океанските бранови или налетите на ветер можат да создадат снимен шум што треба да се одвои преку обработка на сигналот.
Сеизмографи во системи за рано предупредување
Во многу земји склони кон земјотреси, сеизмографите се јадрото на системите за рано предупредување од земјотреси. Бидејќи P-брановите пристигнуваат побрзо и обично се помалку штетни, системот може да детектира P-бранови и да испрати предупредување пред S-брановите и површинските бранови да пристигнат во дадена област. Иако времето на предупредување е често само од неколку секунди до десетици секунди, доволно е да се запрат возовите, да се исклучи бензинот или да им се даде можност на луѓето да се засолнат.
Затворање
Работниот механизам на сеизмографот во суштина го користи релативното движење предизвикано од инерцијата на масата во однос на движењето на земјата. Од едноставен физички концепт, сеизмографот еволуираше во високо чувствителен дигитален инструмент способен за снимање на вибрации од мали извори на земјотреси до големи, трансконтинентални настани. Преку сеизмограми, научниците можат да го одредат времето на настанот, локацијата на епицентарот, длабочината, магнитудата и природата на раседот - сите клучни информации за разбирање на динамиката на Земјата и намалување на ризикот од катастрофи. Со сè погустите мрежи на сеизмографски податоци и развојот на системи за анализа во реално време, способноста на човештвото да детектира и да реагира на земјотреси се подобрува, иако предизвиците за ублажување сè уште бараат инфраструктурна поддршка, образование и подготвеност на заедницата.
