sejsmometr jest urządzeniem wrażliwym na wibracje. Działa na zasadzie wahadła: ciężka, obojętna masa o pewnym oporze na ruch (tj. bezwładności) ze względu na swój ciężar jest zawieszona na ramie za pomocą sprężyny umożliwiającej ruch. Energia z jakiejkolwiek aktywności sejsmicznej wzbudza ową „masę dowodową” jak ją nazywają geofizycy, czyniąc ją wibrującą.
co tak naprawdę się rusza? To zależy od Twojego punktu widzenia!,
Ten widok masy ruchomej jest ważny, jeśli uważasz, że rama, do której jest przymocowana masa—i która jest mocno przymocowana do podłoża—nie porusza się. Jednak, gdy pojawia się trzęsienie ziemi lub drżenie jest wytwarzane przez jakikolwiek rodzaj wstrząsu, to w rzeczywistości ziemia – a zatem rama przymocowana do niego-porusza się!
Jeśli zmienisz swój punkt widzenia i spojrzysz na masę, możemy rozważyć, że gdy wystąpi drżenie, masa-która ma bezwładność ze względu na swój ciężar-poruszy się tylko po pewnym czasie, podczas gdy rama będzie poruszać się zgodnie z ruchem Ziemi.,
oprócz masy, sprężyny i ramy, sejsmometr potrzebuje urządzenia do ciągłego rejestrowania ruchu masy w stosunku do ramy. Jest to centralna część czujnika sejsmicznego i różnica między technologiami sejsmometru, ponieważ niektóre mierzą prędkość masy, a inne jej przemieszczenie. W obu przypadkach zapis, który pokazuje ruch ziemi w czasie, jest znany jako Sejsmogram.
jeszcze prostsza technika przedstawiania tego sygnału polega na przymocowaniu pióra do wahadła. Pióro dotyka rolki papieru nawiniętej wokół obracającego się bębna., Jest to znany jako sejsmograf, instrument, który bezpośrednio wykreśla sygnał, a nie rejestruje go w formie cyfrowej.
wahadła proste i wahadła odwrócone
zasada działania sejsmometru (© Adobe Stock).
pierwsze sejsmometry opracowane były na podstawie prostego wahadła, w którym poruszająca się masa jest zawieszona pionowo od ramy.
aby zwiększyć czułość, ten typ urządzenia został następnie zamontowany do góry nogami, dlatego jest znany jako odwrócone wahadło. W tym przypadku środek masy wahadła znajduje się powyżej punktu obrotu.,
W przeciwieństwie do pierwszego projektu, zespół ten jest naturalnie niestabilny i najmniejsze zakłócenia sprawią, że masa opuści swój punkt równowagi i przesunie się w lewo lub w prawo, gdy grawitacja przyciąga ją w dół.
nieodłączna niestabilność odwróconego wahadła sprawia jednak, że urządzenie reaguje na najmniejszy ruch, jakkolwiek mały. Jak zobaczycie później, instrument seis sondy Insight jest oparty na zasadzie odwróconego wahadła.,
kreślenie sejsmogramu
sejsmometr dostarcza danych w postaci sejsmogramu, który jest zapisem wielkości ruchu ziemi w czasie przy regularnym pomiarze przesunięcia między położeniem masy a ramą, do której jest przymocowany, w odniesieniu do pozycji równowagi, tj. gdy urządzenie jest w spoczynku przy braku aktywności sejsmicznej.
historycznie pierwsze sejsmogramy były produkowane za pomocą podstawowych środków: metalowa igła przymocowana do ruchomej masy pozostawiła ślad jej ruchów na papierze pokrytym sadzą., Później igła została zastąpiona piórem atramentowym, które rejestrowało ruchy na obracającej się rolce papieru. Obecnie, w erze cyfrowej, sejsmometry dostarczają sygnały cyfrowe rejestrowane przez komputery. Sejsmometry wylatane na Księżyc przez misje Apollo były jednymi z pierwszych tego typu, ponieważ nawet we wczesnych latach siedemdziesiątych większość stacji sejsmicznych na Ziemi była nadal wyposażona w sejsmografy.,
rolą nowoczesnych czujników jest śledzenie ruchu masy i mogą one przyjmować trzy rodzaje pomiarów: zmiany położenia masy w stosunku do jej „zerowej” pozycji równowagi (przemieszczenie), prędkość masy (tj. ruch w czasie) i wreszcie zmiana prędkości w czasie (tj. przyspieszenie lub opóźnienie).
zapis sygnału sejsmicznego (© Adobe Stock).
niektóre typy czujników są bardziej odpowiednie niż inne w zależności od rodzaju pomiaru, który chcesz wykonać., Czujniki indukcyjne są przystosowane do pomiaru prędkości, natomiast Czujniki pojemnościowe są idealne do pomiaru położenia masy. Sejsmometr seis firmy InSight wykorzystuje niezwykle czuły czujnik pojemnościowy.
Liczba osi
ponieważ ruch Ziemi zachodzi w przestrzeni trójwymiarowej (wzdłuż osi pionowej lub dwóch osi poziomych), przemieszczenia muszą być rejestrowane za pomocą trzech oddzielnych wahadeł. Tylko w ten sposób można kompleksowo udokumentować aktywność sejsmiczną.
zaawansowane sejsmometry mierzą zwykle wszystkie trzy osie, po jednej dla każdego kierunku w przestrzeni., Proste sejsmometry jednoosiowe Zwykle mierzą tylko ruch pionowy; poziomy ruch powierzchni jest ignorowany, ponieważ nie jest mierzony.
instrument SEIS przeznaczony do lotu na pokładzie InSight to Mars jest trójosiowym sejsmometrem. Interesującym szczegółem jest to, że trzy osie sejsmometru nie są wyrównane z poziomym i pionowym, co być może byłoby „logiczne”.
chociaż każda z trzech osi SEIS jest ustawiona pod kątem 90° w stosunku do pozostałych, cały zespół jest nachylony o około 30,5° w stosunku do osi poziomej., Powodów jest wiele, czasem skomplikowanych, ale dla uproszczenia powiedzmy, że taka konfiguracja minimalizuje efekt szumu.
czułość sejsmometru zależy od zależności między sygnałem sejsmicznym, który chcesz zarejestrować, a różnymi zakłóceniami, które zakłócają ten sygnał. Ten „hałas”, który może nawet uniemożliwiać pomiary, jest podobny do efektu śniegu, który można zobaczyć na ekranie telewizora.
30.,5° kąt bardzo szerokopasmowego wahadła InSight (VBB) odpowiada kątowi, w którym element pionowy jest mierzony z najlepszą czułością w stosunku do szumu własnego instrumentu. Przechylenie go w kierunku osi poziomej zmniejszyłoby amplitudę przyspieszenia pionowego, podczas gdy przechylenie go zwiększyłoby szum własny instrumentu, ze wzrostem oscylacji prowadząc do utraty czułości długotrwałej.,
idealne warunki konfiguracji
jednym z problemów, z którymi należy się zmierzyć podczas korzystania z sejsmometru, jest sposób zapewnienia, że może on optymalnie monitorować wibracje, nawet gdy wibracje utrzymują się przez długi czas, Od minut do godzin.
Sejsmometry są z definicji niezwykle czułe, rejestrując wszystko, co dzieje się wokół nich, niezależnie od tego, czy są sejsmiczne, czy nie. Jednak najmniejszy dryf jakiegokolwiek rodzaju może uniemożliwić sejsmometrowi kontynuowanie monitorowania i wykreślania wibracji, zwłaszcza jeśli ten ostatni jest zdarzeniem długotrwałym (rejestrowanie zdarzeń krótkookresowych jest łatwiejsze w obsłudze).,
geofizycy przywiązują dużą wagę do sposobu ustawiania sejsmometrów. Jakkolwiek wrażliwy jest instrument, daje dobre wyniki tylko wtedy, gdy jest prawidłowo skonfigurowany.
Sejsmometry są zazwyczaj umieszczane na bardzo twardych powierzchniach, takich jak płyty granitowe lub betonowe. Powierzchnia musi być jak najbardziej płaska i pozioma.
Nie jest dobrym pomysłem ustawianie sejsmometru obok drogi lub w pobliżu podziemnej stacji kolejowej. Bardzo ważna jest również temperatura., Musi być jak najbardziej stabilny, ponieważ wszelkie zmiany mogą wpływać na mechanikę sejsmometru, zwłaszcza na siłę generowaną przez sprężynę na masie.
na Ziemi sejsmometry najlepiej ustawia się w zagłębieniach lub szybach byłych kopalń, setki metrów pod powierzchnią. Są to dobre lokalizacje, ponieważ zapewniają idealne warunki pracy.
źródła zakłócającego hałasu, które propagują się bardzo łatwo w pobliżu powierzchni (takie jak ciągły szum działalności człowieka, stały ryk oceanów i turbulencje atmosferyczne), są zmniejszane w miarę możliwości., Jeśli chodzi o temperaturę, jest niesamowicie i naturalnie stabilna. Najspokojniejsze miejsce w Europie znajduje się w Czarnym Lesie, w wyrobiskach dawnej kopalni. Temperatura waha się tam tylko o kilka tysięcznych stopni rocznie!
Po znalezieniu się w idealnym miejscu sejsmometr może wyczuć i monitorować każdą falę sejsmiczną, zarówno bardzo krótką, jak i, przeciwnie, trwającą kilka minut lub nawet godzin.
źródła fal sejsmicznych
sejsmometr przeznaczony jest do rejestrowania fal sejsmicznych., Na Ziemi fale te spowodowane są głównie trzęsieniami ziemi, które regularnie i czasami silnie wstrząsają pewnymi częściami świata, powodując poważne szkody w zależności od ilości przenoszonej przez nie energii.
oprócz poważnych trzęsień ziemi, które sprawiają, że nagłówki gazet, powierzchnia Ziemi jest stale poddawana bardzo małym ruchom, których nie wykrywamy, ale które są ujawniane na sejsmogramach.
nasza planeta może faktycznie działać jak dzwon, a gdy występują pewne wydarzenia, może nawet rezonować w rytmie., Ziemia produkuje wtedy własną muzykę, melodię telluryczną, która jest niezauważalna dla naszych uszu, ale może być odebrana przez najbardziej czułe sejsmometry.
niezależnie od tego, czy fale sejsmiczne zostały uwolnione podczas dużej aktywności sejsmicznej, która wstrząsa niektórymi regionami świata, czy też są one spowodowane niedostrzegalnymi oscylacjami naszej planety, geofizycy wykorzystują każdą okazję, aby poszerzyć naszą wiedzę o wnętrzu Ziemi.
sejsmometr jest raczej jak stetoskop lekarza., Określając sposób, w jaki fale sejsmiczne propagują się na naszej planecie, w zależności od tego, w jaki sposób są odbijane lub załamywane przez materiały składające się na wewnętrzną strukturę planety, czy to skały czy metal, możliwe staje się skonstruowanie obrazu.
pasywne i aktywne brzmiące
gdy konieczne jest zbadanie określonego obszaru podpowierzchniowego podczas poszukiwania ropy naftowej, na przykład, nie zawsze można liczyć na trzęsienie ziemi w odpowiednim czasie. Aktywność sejsmiczna nie występuje na żądanie.,
są dwa rozwiązania w tym przypadku: albo słuchasz przez długi czas w nadziei, że aktywność sejsmiczna wygeneruje fale sejsmiczne jako Wejście dla sejsmometrów (jest to rozwiązanie wybrane dla misji InSight, która potrwa dwa ziemskie lata), albo tworzysz własne wibracje. Pierwszy jest znany jako pasywne brzmiące, drugi jako aktywne brzmiące.
na Ziemi poszukiwacze ropy regularnie wytwarzają sztuczne fale sejsmiczne za pomocą różnych środków, od wybuchającego dynamitu do uruchamiania pistoletów powietrznych lub za pomocą ciężarówek wyposażonych w ciężkie płyty wibracyjne., Technika ta była również stosowana na Księżycu. Ładunki wybuchowe zostały uruchomione w celu wytworzenia fal sejsmicznych, które następnie zostały zarejestrowane przez geofony ustawione na powierzchni przez astronautów misji Apollo 14, 16 i 17.
w sektorze kosmicznym geofizycy mają wiele zabawnych sposobów hałasowania: mogą celowo wysłać górny stopień rakiety na kurs kolizyjny po zakończeniu jej okresu użytkowania lub, w ten sam sposób, rozbić przestarzały statek kosmiczny na powierzchnię planety.,
na Marsie te nieco brutalne techniki nie mogą być stosowane, ponieważ naukowcy chcą uniknąć skażenia powierzchni obiektami, które nie zostały wcześniej wysterylizowane. InSight i instrument SEIS nie będą mieli innego wyboru, jak tylko liczyć na szczęście w losowaniu, mimo że penetrator pakietu Heat Flow and Physical Properties (HP3) zostanie użyty do małego aktywnego eksperymentu sejsmologicznego, nie wystarczająco mocnego, aby brzmieć więcej niż kilkadziesiąt metrów pod powierzchnią Marsa.