Un sismometro è un dispositivo sensibile alle vibrazioni. Funziona sul principio di un pendolo: una massa pesante e inerte con una certa resistenza al movimento (cioè inerzia) a causa del suo peso è sospesa da un telaio da una molla che consente il movimento. L’energia di qualsiasi attività sismica eccita questa “massa di prova” come viene chiamata dai geofisici, facendola vibrare.
Cosa si muove realmente? Dipende dal tuo punto di vista!,
Questa visione di una massa mobile è valida se si considera che il telaio a cui è attaccata la massa—e che è saldamente fissato al suolo—non si muove. Tuttavia, quando si verifica un terremoto, o un tremore è prodotto da qualsiasi tipo di scossa, è in realtà il terreno—e quindi il telaio ad esso collegato—che si muove!
Se cambi il tuo punto di vista e guardi la massa, possiamo considerare che quando si verifica un tremore, la massa—che ha inerzia a causa del suo peso—si muoverà solo dopo un certo tempo, mentre il telaio si muoverà in linea con il movimento del terreno.,
Oltre alla massa, alla molla e al telaio, un sismometro ha bisogno di un dispositivo per registrare costantemente il movimento della massa rispetto al telaio. Questa è una parte centrale del sensore sismico e la differenza tra le tecnologie sismometriche, poiché alcuni misurano la velocità della massa e altri il suo spostamento. In entrambi i casi, la registrazione che mostra il movimento del terreno nel tempo è nota come sismogramma.
Una tecnica ancora più semplice per rappresentare questo segnale consiste nell’attaccare una penna al pendolo. La penna tocca un rotolo di carta avvolto attorno a un tamburo rotante., Questo è noto come sismografo, uno strumento che traccia direttamente il segnale piuttosto che registrarlo in forma digitale.
Pendoli semplici e pendoli invertiti
Principio di funzionamento di un sismometro (© Adobe Stock).
I primi sismometri sviluppati erano basati su un semplice pendolo in cui la massa in movimento è sospesa verticalmente da un telaio.
Per aumentare la sensibilità, questo tipo di dispositivo è stato quindi montato a testa in giù, motivo per cui è noto come pendolo invertito. In questo caso, il centro di massa del pendolo è sopra il punto di articolazione.,
A differenza del primo progetto, questo assemblaggio è naturalmente instabile e il minimo disturbo farà sì che la massa lasci il suo punto di equilibrio e si muova a sinistra oa destra mentre la gravità la attrae verso il basso.
L’instabilità intrinseca di un pendolo invertito è ciò che rende questo dispositivo reagire al minimo movimento, per quanto piccolo. Come vedrai più avanti, lo strumento SEIS della sonda InSight si basa sul principio del pendolo invertito.,
tracciare un sismogramma
Il sismometro fornisce dati come un sismogramma, che è una registrazione dell’ordine di grandezza del movimento a terra nel corso del tempo, regolarmente misurare lo scarto tra la posizione della massa e il telaio a cui è collegato, in relazione ad una posizione di equilibrio, cioè quando il dispositivo è a riposo, in assenza di qualsiasi attività sismica.
Storicamente, i primi sismogrammi sono stati prodotti con mezzi di base: un ago di metallo attaccato a una massa mobile ha lasciato una traccia dei suoi movimenti su carta coperta di fuliggine., Successivamente, l’ago è stato sostituito da una penna a inchiostro che ha registrato i movimenti su un rotolo di carta rotante. Al giorno d’oggi, nell’era digitale, i sismometri forniscono segnali digitali registrati dai computer. I sismometri portati sulla Luna dalle missioni Apollo furono tra i primi di questo tipo, perché anche nei primi anni 1970, la maggior parte delle stazioni sismiche sulla Terra erano ancora dotate di sismografi.,
Il ruolo dei sensori moderni è quello di seguire il movimento della massa, e possono prendere tre tipi di misura: cambiamenti nella posizione della massa rispetto alla sua posizione di equilibrio “zero” (spostamento), velocità della massa (cioè movimento nel tempo), e infine una variazione di velocità nel tempo (cioè accelerazione o decelerazione).
Registrazione di un segnale sismico (©Adobe Stock).
Alcuni tipi di sensori sono più appropriati di altri a seconda del tipo di misurazione che si desidera effettuare., I sensori induttivi sono orientati alla misurazione della velocità, mentre i sensori capacitivi sono ideali per misurare la posizione della massa. Il sismometro SEIS di InSight utilizza un sensore capacitivo estremamente sensibile.
Numero di assi
Poiché il movimento del terreno avviene nello spazio tridimensionale (lungo l’asse verticale o due assi orizzontali), gli spostamenti devono essere registrati utilizzando tre pendoli separati. Questo è l’unico modo in cui l’attività sismica può essere ampiamente documentata.
I sismometri sofisticati di solito misurano tutti e tre gli assi, uno per ogni direzione nello spazio., I sismometri semplici ad un asse di solito misurano solo il movimento verticale; il movimento orizzontale della superficie viene ignorato poiché non viene misurato.
Lo strumento SEIS progettato per volare a bordo di InSight su Marte è un sismometro a tre assi. Un dettaglio interessante è che i tre assi del sismometro non sono allineati con l’orizzontale e verticale, che sarebbe forse “logico”.
Sebbene ciascuno dei tre assi del SEIS sia posizionato con un angolo di 90° rispetto agli altri, l’intero gruppo è inclinato di circa 30,5° rispetto all’asse orizzontale., Ci sono molte ragioni, a volte complesse, per questo, ma per semplificare le cose, diciamo solo che una tale configurazione riduce al minimo l’effetto del rumore.
La sensibilità di un sismometro dipende dalla relazione tra il segnale sismico che si desidera registrare e i vari disturbi che interferiscono con questo segnale. Questo “rumore”, che può arrivare a prevenire le misurazioni, è simile all’effetto neve che puoi vedere su uno schermo televisivo.
Il 30.,I pendoli Very BroadBand (VBB) di 5 ° Angle of InSight corrispondono ad un angolo in cui la componente verticale viene misurata con la migliore sensibilità rispetto al rumore dello strumento. Il ribaltamento verso l’asse orizzontale ridurrebbe l’ampiezza dell’accelerazione verticale, mentre il ribaltamento aumenterebbe l’auto-rumore dello strumento, con l’aumento dell’oscillazione che porta a una perdita di sensibilità a lungo periodo.,
Condizioni di set-up ideali
Uno dei problemi da affrontare quando si utilizza un sismometro è come garantire che possa monitorare in modo ottimale una vibrazione anche quando la vibrazione dura a lungo, da minuti a ore.
I sismometri sono per definizione estremamente sensibili, registrando tutto ciò che accade intorno a loro sia sismico o meno. Tuttavia, la minima deriva di qualsiasi tipo può impedire a un sismometro di continuare a monitorare e tracciare una vibrazione, specialmente se quest’ultima è un evento di lungo periodo (la registrazione di eventi di breve periodo è più facile da gestire).,
I geofisici attribuiscono grande importanza al modo in cui i sismometri sono impostati. Per quanto uno strumento sia sensibile, darà buoni risultati solo se è impostato correttamente.
I sismometri sono generalmente posizionati su superfici molto dure come granito o lastre di cemento. La superficie deve essere il più piatta e orizzontale possibile.
Idealmente, il luogo scelto deve essere tranquillo. Non è una buona idea installare un sismometro vicino a una strada o vicino a una stazione ferroviaria sotterranea. Anche la temperatura è molto importante., Deve essere il più stabile possibile, poiché qualsiasi variazione può influenzare la meccanica del sismometro, in particolare la forza generata dalla molla sulla massa.
Sulla Terra, i sismometri sono preferibilmente installati nelle fosse o nei pozzi delle ex miniere, a centinaia di metri sotto la superficie. Queste sono buone posizioni in quanto forniscono condizioni operative ideali.
Le fonti di rumore interferente, che si propagano molto facilmente vicino alla superficie (come il ronzio continuo delle attività umane, il rombo costante degli oceani e la turbolenza atmosferica), sono ridotte il più possibile., Per quanto riguarda la temperatura, è incredibilmente e naturalmente stabile. Il sito più tranquillo d’Europa è nella Foresta Nera, nel funzionamento di una ex miniera. La temperatura lì varia solo di pochi millesimi di grado all’anno!
Una volta in una posizione ideale, un sismometro può sentire e monitorare qualsiasi onda sismica, sia molto breve o, al contrario, della durata di pochi minuti o addirittura ore.
Sorgenti di onde sismiche
Un sismometro è progettato per registrare le onde sismiche., Sulla Terra, queste onde sono causate principalmente da terremoti che scuotono regolarmente e talvolta con forza alcune parti del mondo, causando gravi danni a seconda della quantità di energia che trasportano.
A parte i grandi terremoti che fanno notizia sui giornali, la superficie terrestre è costantemente soggetta a movimenti molto piccoli che non rileviamo ma che vengono rivelati sui sismogrammi.
Il nostro pianeta può effettivamente agire come una campana, e quando si verificano determinati eventi, può anche risuonare nel ritmo., La Terra produce quindi la propria musica, una melodia tellurica impercettibile alle nostre orecchie ma in grado di essere captata dai sismometri più sensibili.
Se le onde sismiche sono state rilasciate durante una grande attività sismica che scuote alcune regioni del mondo o se sono solo dovute alle oscillazioni impercettibili del nostro pianeta, i geofisici usano ogni opportunità per ampliare la nostra conoscenza dell’interno della Terra.
Un sismometro è un po ‘ come lo stetoscopio di un medico., Determinando il modo in cui le onde sismiche si propagano all’interno del nostro pianeta, a seconda di come vengono riflesse o rifratte dai materiali che compongono la struttura interna del pianeta, siano esse rocce o metallo, diventa possibile costruire un’immagine.
Suono passivo e attivo
Quando è necessario studiare una particolare area sub-superficiale quando si prospetta per il petrolio, ad esempio, non si può sempre contare su un terremoto al momento giusto. L’attività sismica non si verifica su richiesta.,
Ci sono due soluzioni in questo caso: o si ascolta per lunghi periodi di tempo nella speranza che l’attività sismica generi onde sismiche come input per i sismometri (questa è la soluzione scelta per la missione InSight, che durerà due anni terrestri), o si creano le proprie vibrazioni. Il primo è noto come suono passivo, il secondo come suono attivo.
Sulla Terra, i cercatori di petrolio creano regolarmente onde sismiche artificiali usando vari mezzi, dalla dinamite che esplode alle pistole ad aria compressa o usando camion dotati di pesanti piastre vibranti., Questa tecnica è stata utilizzata anche sulla Luna. Cariche esplosive sono state attivate per creare onde sismiche che sono state poi registrate dai geofoni installati in superficie dagli astronauti delle missioni Apollo 14, 16 e 17.
Nel settore spaziale, i geofisici hanno molti modi divertenti di fare rumore: possono deliberatamente inviare lo stadio superiore di un razzo in rotta di collisione una volta terminata la sua vita utile o, lungo le stesse linee, schiantare un veicolo spaziale obsoleto sulla superficie di un pianeta.,
Su Marte, queste tecniche un po ‘ brutali non possono essere applicate perché gli scienziati vogliono evitare di contaminare la superficie con oggetti che non sono stati precedentemente sterilizzati. InSight e lo strumento SEIS non avranno altra scelta che contare sulla loro fortuna del sorteggio, anche se il penetratore del pacchetto Heat Flow and Physical Properties (HP3) verrà utilizzato per un piccolo esperimento di sismologia attiva, non abbastanza potente da suonare a più di poche decine di metri sotto la superficie marziana.