Ein Seismometer ist ein vibrationsempfindliches Gerät. Es funktioniert nach dem Prinzip eines Pendels: Eine schwere, inerte Masse mit einem gewissen Bewegungswiderstand (d. H. Trägheit) aufgrund ihres Gewichts wird durch eine Feder, die Bewegung ermöglicht, an einem Rahmen aufgehängt. Die Energie jeder seismischen Aktivität erregt diese „Beweismasse“, wie sie von Geophysikern genannt wird, und lässt sie vibrieren.
Was bewegt sich eigentlich? Das hängt von Ihrem Standpunkt ab!,
Diese Ansicht einer beweglichen Masse gilt, wenn man bedenkt, dass sich der Rahmen, an dem die Masse befestigt ist—und der fest am Boden befestigt ist—nicht bewegt. Wenn jedoch ein Beben auftritt oder ein Zittern durch irgendeine Art von Schock erzeugt wird, ist es tatsächlich der Boden—und damit der daran befestigte Rahmen—, der sich bewegt!
Wenn Sie Ihren Standpunkt ändern und die Masse betrachten, können wir davon ausgehen, dass sich die Masse—die aufgrund ihres Gewichts Trägheit hat—erst nach einer bestimmten Zeit bewegt, während sich der Rahmen im Einklang mit der Bodenbewegung bewegt.,
Zusätzlich zu der Masse, der Feder und dem Rahmen benötigt ein Seismometer eine Vorrichtung, um die Bewegung der Masse relativ zum Rahmen ständig aufzuzeichnen. Dies ist ein zentraler Teil des seismischen Sensors und der Unterschied zwischen Seismometertechnologien, da einige die Geschwindigkeit der Masse und andere ihre Verschiebung messen. In beiden Fällen wird die Aufzeichnung, die Bodenbewegung über die Zeit zeigt, als Seismogramm bezeichnet.
Eine noch einfachere Technik zur Darstellung dieses Signals besteht darin, einen Stift am Pendel anzubringen. Der Stift berührt eine Papierrolle, die um eine rotierende Trommel gewickelt ist., Dies wird als Seismograph bezeichnet, ein Instrument, das das Signal direkt zeichnet, anstatt es in digitaler Form aufzuzeichnen.
Einfache Pendel und umgekehrte Pendel
Funktionsprinzip eines Seismometers (©Adobe Stock).
Die ersten entwickelten Seismometer basierten auf einem einfachen Pendel, bei dem die bewegte Masse vertikal von einem Rahmen aufgehängt wird.
Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, wurde dieser Gerätetyp dann auf den Kopf gestellt, weshalb er als umgekehrtes Pendel bezeichnet wird. In diesem Fall liegt der Massenschwerpunkt des Pendels über dem Drehpunkt.,
Im Gegensatz zum ersten Entwurf ist diese Baugruppe von Natur aus instabil und die geringste Störung führt dazu, dass diese Masse ihren Gleichgewichtspunkt verlässt und sich nach links oder rechts bewegt, während die Schwerkraft sie nach unten zieht.
Die inhärente Instabilität eines umgekehrten Pendels lässt dieses Gerät jedoch auf die geringste Bewegung reagieren, egal wie klein es auch ist. Wie Sie später sehen werden, basiert das SEIS-Instrument des InSight-Raumfahrzeugs auf dem invertierten Pendelprinzip.,
Plotten eines Seismogramms
Das Seismometer liefert Daten als Seismogramm, bei dem es sich um eine Aufzeichnung der Größe der Bodenbewegung im Laufe der Zeit handelt, während regelmäßig der Versatz zwischen der Position der Masse und dem Rahmen gemessen wird, an dem sie befestigt ist, in Bezug auf eine Gleichgewichtsposition, d. H. Wenn sich das Gerät in Abwesenheit einer seismischen Aktivität in Ruhe befindet.
Historisch gesehen wurden die ersten Seismogramme mit grundlegenden Mitteln hergestellt: Eine Metallnadel, die an einer beweglichen Masse befestigt war, hinterließ eine Spur ihrer Bewegungen auf mit Ruß bedecktem Papier., Später wurde die Nadel durch einen Tintenstift ersetzt, der Bewegungen auf einer rotierenden Papierrolle aufzeichnete. Heutzutage, im digitalen Zeitalter, liefern Seismometer digitale Signale, die von Computern aufgezeichnet werden. Die Seismometer, die von den Apollo-Missionen zum Mond geflogen wurden, gehörten zu den ersten dieser Art, denn selbst in den frühen 1970er Jahren waren die meisten seismischen Stationen der Erde noch mit Seismographen ausgestattet.,
Die Rolle moderner Sensoren besteht darin, der Bewegung der Masse zu folgen, und sie können drei Arten von Messungen vornehmen: Änderungen der Position der Masse relativ zu ihrer „Null“ – Gleichgewichtsposition (Verschiebung), Geschwindigkeit der Masse (dh Bewegung über die Zeit) und schließlich eine Variation der Geschwindigkeit im Laufe der Zeit (dh Beschleunigung oder Verzögerung).
Aufnahme eines seismischen Signals (© Adobe Stock).
Einige Sensortypen eignen sich besser als andere, je nachdem, welche Art von Messung Sie durchführen möchten., Induktive Sensoren sind auf die Geschwindigkeitsmessung ausgerichtet, während kapazitive Sensoren ideal zur Messung der Massenposition sind. Das Seismometer SEIS von InSight verwendet einen extrem empfindlichen kapazitiven Sensor.
Anzahl der Achsen
Da Bodenbewegungen im dreidimensionalen Raum (entlang der vertikalen Achse oder zweier horizontaler Achsen) auftreten, müssen Verschiebungen mit drei separaten Pendeln aufgezeichnet werden. Nur so können seismische Aktivitäten umfassend dokumentiert werden.
Hochentwickelte Seismometer messen normalerweise alle drei Achsen, eine für jede Richtung im Raum., Einfache einachsige Seismometer messen normalerweise nur vertikale Bewegungen; horizontale Oberflächenbewegungen werden ignoriert, da sie nicht gemessen werden.
Das SEIS-Instrument, das an Bord von InSight zum Mars fliegen soll, ist ein dreiachsiges Seismometer. Ein interessantes Detail ist, dass die drei Achsen des Seismometers nicht mit der Horizontalen und Vertikalen ausgerichtet sind, was vielleicht „logisch“wäre.
Obwohl jede der drei Achsen von SEIS in einem Winkel von 90° zu den anderen positioniert ist, ist die gesamte Baugruppe in Bezug auf die horizontale Achse um etwa 30,5° geneigt., Es gibt viele, manchmal komplexe Gründe dafür, aber um die Sache zu vereinfachen, sagen wir einfach, dass eine solche Konfiguration die Wirkung von Rauschen minimiert.
Die Empfindlichkeit eines Seismometers hängt von der Beziehung zwischen dem seismischen Signal, das Sie aufnehmen möchten, und den verschiedenen Störungen ab, die dieses Signal stören. Dieses „Rauschen“, das so weit gehen kann, Messungen zu verhindern, ähnelt dem Schneeeffekt, den Sie auf einem Fernsehbildschirm sehen können.
Die 30.,5° Winkel der Very BroadBand (VBB) – Pendel von InSight entspricht einem Winkel, in dem die vertikale Komponente mit der besten Empfindlichkeit im Verhältnis zum eigenen Rauschen des Instruments gemessen wird. Das Kippen in Richtung der horizontalen Achse würde die Amplitude der vertikalen Beschleunigung verringern, während das Kippen das Selbstrauschen des Instruments erhöhen würde, wobei eine zunehmende Schwingung zu einem Verlust der Langzeitempfindlichkeit führt.,
Ideale Rüstbedingungen
Eines der Probleme bei der Verwendung eines Seismometers besteht darin, sicherzustellen, dass eine Vibration auch dann optimal überwacht werden kann, wenn die Vibration lange anhält, von Minuten bis Stunden.
Seismometer sind per Definition extrem empfindlich und zeichnen alles auf, was um sie herum vor sich geht, seismisch oder nicht. Die geringste Drift jeglicher Art kann jedoch verhindern, dass ein Seismometer weiterhin eine Vibration überwacht und zeichnet, insbesondere wenn es sich um ein Langzeitereignis handelt (die Aufzeichnung von Kurzzeitereignissen ist einfacher zu handhaben).,
Geophysiker legen großen Wert auf die Einrichtung von Seismometern. Wie empfindlich ein Instrument auch sein mag, es liefert nur dann gute Ergebnisse, wenn es richtig eingerichtet ist.
Seismometer werden im Allgemeinen auf sehr harten Oberflächen wie Granit oder Betonplatten platziert. Die Oberfläche muss so flach und horizontal wie möglich sein.
Idealerweise muss der gewählte Ort ruhig sein. Es ist keine gute Idee, ein Seismometer neben einer Straße oder in der Nähe eines U-Bahn-Bahnhofs aufzustellen. Temperatur ist auch sehr wichtig., Es muss so stabil wie möglich sein, da jede Variation die Seismometermechanik beeinflussen kann, insbesondere die durch die Feder erzeugte Kraft auf die Masse.
Auf der Erde werden Seismometer vorzugsweise in Gruben oder Schächten ehemaliger Minen Hunderte von Metern unter der Oberfläche aufgestellt. Dies sind gute Standorte, da sie ideale Betriebsbedingungen bieten.
Die Störgeräuschquellen, die sich sehr leicht in der Nähe der Oberfläche ausbreiten (wie das ständige Summen menschlicher Aktivitäten, das ständige Brüllen der Ozeane und atmosphärische Turbulenzen), werden so weit wie möglich reduziert., Was die Temperatur betrifft, ist es unglaublich und natürlich stabil. Der ruhigste Ort in Europa ist im Schwarzwald, in der Arbeit eines ehemaligen Bergwerks. Die Temperatur dort variiert nur um ein paar Tausendstel Grad pro Jahr!
Einmal an einem idealen Ort, kann ein Seismometer fühlen und jede seismische Welle überwachen, ob sehr kurz oder, im Gegenteil, eine Angelegenheit von Minuten oder sogar Stunden dauern.
Seismische Wellenquellen
Ein Seismometer wurde entwickelt, um seismische Wellen aufzuzeichnen., Auf der Erde werden diese Wellen hauptsächlich durch Erdbeben verursacht, die regelmäßig und manchmal heftig bestimmte Teile der Welt erschüttern und je nach Energiemenge, die sie tragen, großen Schaden anrichten.
Abgesehen von großen Erdbeben, die Schlagzeilen machen, unterliegt die Erdoberfläche ständig sehr kleinen Bewegungen, die wir nicht erkennen, die sich jedoch auf Seismogrammen zeigen.
Unser Planet kann tatsächlich wie eine Glocke handeln, und wenn bestimmte Ereignisse auftreten, kann sogar im Rhythmus mitschwingen., Die Erde produziert dann ihre eigene Musik, eine tellurische Melodie, die für unsere Ohren nicht wahrnehmbar ist, aber von den empfindlichsten Seismometern aufgenommen werden kann.
Ob die seismischen Wellen während großer seismischer Aktivitäten freigesetzt wurden, die bestimmte Regionen der Welt erschüttern, oder ob sie nur auf die nicht wahrnehmbaren Schwingungen unseres Planeten zurückzuführen sind, Geophysiker nutzen jede Gelegenheit, um unser Wissen über das Erdinnere zu erweitern.
Ein seismometer ist eher wie ein Arzt ein Stethoskop., Durch die Bestimmung der Art und Weise, wie sich seismische Wellen in unserem Planeten ausbreiten, je nachdem, wie sie von den Materialien reflektiert oder gebrochen werden, aus denen die innere Struktur des Planeten besteht, ob Gestein oder Metall, wird es möglich, ein Bild zu erstellen.
Passiv und aktiv klingend
Wenn beispielsweise bei der Ölsuche eine bestimmte Unteroberfläche untersucht werden muss, kann man nicht immer zum richtigen Zeitpunkt mit einem Erdbeben rechnen. Seismische Aktivität tritt nicht auf Nachfrage auf.,
In diesem Fall gibt es zwei Lösungen: Entweder Sie hören lange zu, in der Hoffnung, dass seismische Aktivität seismische Wellen als Eingabe für die Seismometer erzeugt (dies ist die Lösung, die für die InSight-Mission ausgewählt wurde, die zwei Erdjahre dauern wird), oder Sie erstellen Ihre eigenen Schwingungen. Der erste ist als passiver Klang bekannt, der zweite als aktiver Klang.
Auf der Erde erzeugen Ölsucher regelmäßig künstliche seismische Wellen mit verschiedenen Mitteln, von explodierendem Dynamit über das Auslösen von Luftgewehren bis hin zu Lastwagen mit schweren Vibrationsplatten., Diese Technik wurde auch auf dem Mond verwendet. Explosive Ladungen wurden ausgelöst, um seismische Wellen zu erzeugen, die dann von Geophonen aufgezeichnet wurden, die von den Astronauten der Apollo 14 -, 16-und 17-Missionen an der Oberfläche aufgestellt wurden.
Im Weltraumsektor haben Geophysiker viele unterhaltsame Möglichkeiten, Lärm zu machen: Sie können die obere Stufe einer Rakete absichtlich auf einen Kollisionskurs schicken, sobald sie ihre Nutzungsdauer beendet hat, oder ein veraltetes Raumfahrzeug in die Oberfläche eines Planeten stürzen.,
Auf dem Mars können diese etwas brutalen Techniken nicht angewendet werden, da Wissenschaftler vermeiden möchten, die Oberfläche mit Objekten zu kontaminieren, die zuvor nicht sterilisiert wurden. InSight und das SEIS-Instrument haben dann keine andere Wahl, als auf ihr Glück bei der Auslosung zu zählen, obwohl der Penetrator des Heat Flow and Physical Properties-Pakets (HP3) für ein kleines aktives Seismologieexperiment verwendet wird, das nicht stark genug ist, um mehr als ein paar Dutzend Meter unter der Marsoberfläche zu klingen.