Erdbebenretter: Die Geschichte der Seismographen

Geschrieben von Snow

Ein Seismograph ist ein Instrument zum Erkennen und Aufzeichnen seismischer Wellen. Es besteht aus einem Seismometer (oder Seismometer), einem Kollektor und einem Stromversorgungssystem. Es ist mit Sensoren ausgestattet, die Bodenbewegungen in elektrische Signale umwandeln, die auf Papier oder einem Bildschirm ausgegeben werden können. Seismometer wurden ursprünglich für die Ortung natürlicher Erdbeben entwickelt. Mit der Weiterentwicklung der Technologie werden sie jedoch auch in vielen anderen Bereichen eingesetzt, beispielsweise bei der Ölförderung, der Untersuchung der Erdkruste und der Überwachung vulkanischer Aktivitäten.

Der Seismograph, mit dem wir am besten vertraut sind, ist möglicherweise der in Lehrbüchern beschriebene „Houfeng-Seismograph“. Es wurde im Jahr 132 n. Chr. während der Östlichen Han-Dynastie von Zhang Heng entworfen und hergestellt und ursprünglich im „Buch der späteren Han-Dynastie · Biographie von Zhang Heng“ erwähnt. Tatsächlich enthält dieses Dokument nur 196 Wörter, die den Houfeng-Seismographen beschreiben. Die Modelle (Bilder), die wir sehen, wurden von späteren Generationen auf der Grundlage historischer Aufzeichnungen restauriert, und der Restaurierungsplan ist noch immer umstritten. Doch diese uralte Erfindung gilt als das erste Gerät der Menschheit zur Überwachung von Erdbeben.

Frühe Geschichte des modernen Seismographen

Schon früh entdeckte man, dass Pendel zur Erkennung von Erdbeben eingesetzt werden können (bei einer Rekonstruktion des Houfeng-Seismographen wurde ebenfalls ein hängendes Pendel verwendet), da ein in der gleichen Position aufgehängtes Objekt die Bewegung des Bodens deutlich anzeigen kann. Der moderne Seismograph wurde im 19. Jahrhundert erfunden. Im Jahr 1855 entwickelte der italienische Physiker Luigi Palmieri ein komplexes mechanisches Gerät, das aus einer U-förmigen, mit Quecksilber gefüllten Röhre bestand, die mit einem leitfähigen Gerät, einer Uhr und einem Aufzeichnungsgerät verbunden war. Die Bewegung des Quecksilbers während eines Erdbebens könnte verwendet werden, um den Zeitpunkt, die relative Intensität und die Dauer eines Erdbebens aufzuzeichnen. Palmieris Erfindung war zwar nicht der Prototyp des modernen Seismographen, erfüllte aber die von modernen Seismographen geforderten Funktionen und reichte nicht nur zur Erdbebenerkennung aus.

【Abbildung 1】 Schematische Darstellung des Seismographen von Luigi Palmieri

Der erste moderne Seismograph, der heute von der akademischen Gemeinschaft anerkannt wird, wurde 1875 entwickelt. Es handelte sich um einen zweidimensionalen Seismographen (Nord-Süd- und Ost-West-Komponenten), der vom italienischen Physiker Filippo Cecchi erfunden wurde. Er verwendete auch ein Pendel, dessen Bewegung im Laufe der Zeit aufgezeichnet werden konnte, um ein Erdbeben zu simulieren. Obwohl dieses Gerät nicht sehr empfindlich war, läutete es die Ära der analogen Seismographen ein.

Eine wichtige Entwicklung ging von mehreren Wissenschaftlern aus, die zu dieser Zeit in Japan arbeiteten. Nach dem Erdbeben von Yokohama im Jahr 1880 gründeten der britische Ingenieur John Milne (der auch Zhang Hengs Seismometer sorgfältig studierte), der schottische Physiker James Alfred Ewing und der schottische Ingenieur Thomas Gray die Seismological Society of Japan, die eine Reihe von Seismographen entwickelte. Milne erfand den berühmten horizontalen Pendelseismographen und zeichnete erfolgreich mehrere Erdbeben in Japan auf. Seine Besonderheit besteht darin, dass Licht durch einen schmalen Schlitz auf lichtempfindliches Papier fällt und so die Bewegung des Erdbebens durch Licht „aufzeichnet“. Ewing entwickelte den gedämpften Seismographen, der eine der Schlüsselkomponenten eines Seismographen darstellt, da das Instrument Erdbebenbewegungen aufzeichnet, ohne frei zu schwingen. Gray erfand eine Methode zur Aufzeichnung vertikaler Bewegungen, die zur Erfindung des dreiachsigen Pendelseismographen führte. Zu diesem Zeitpunkt war der moderne Seismograph im Wesentlichen fertiggestellt. Nach ihrer Rückkehr nach England nutzten sie diese Instrumente, um ein kleines globales seismisches Netzwerk aufzubauen.

【Abbildung 2】 Schematische Darstellung des Milne-Seismographen

【Abbildung 3】 Horizontalpendelseismograph von Milne, ausgestellt im Nationalmuseum für Natur und Wissenschaft in Tokio, Japan

Zu den weiteren wichtigen frühen Arbeiten zählen der gedämpfte Seismograph mit umgekehrtem Pendel, der 1893 vom deutschen Physiker Emil Wiechert erfunden wurde, und der elektromagnetische Seismograph, der 1906 vom russischen Physiker Boris Borissowitsch Golizyn erfunden wurde. Mit diesem wurde erstmals das Galvanometer eingeführt, die Empfindlichkeit erheblich verbessert und ein vollständiges dreidimensionales Beobachtungssystem realisiert. In den folgenden Jahrzehnten wurde die Technologie analoger Seismographen rasch verbessert, was zur Entwicklung der modernen Seismologie führte. Ihre Grundprinzipien stammen aus der Arbeit von Milne und anderen, weshalb manche Leute Milne als den Vater der modernen Seismologie bezeichnen.

【Abbildung 4】Weichert-Seismograph (links) und Galitzine-Seismograph (rechts)

【Abbildung 5】 Schematische Darstellung des vertikalen Seismographen

Moderner Seismograph

Aufgrund der negativen Auswirkungen der Atomtests in den 1950er Jahren und der Tatsache, dass die seismologische Forschung damals nicht ausreichte, um kleine unterirdische Atomtests zu überwachen, wurde 1960 das World Standardized Seismic Network (WWSSN) ins Leben gerufen und Seismographen in großem Umfang eingesetzt. Im gleichen Zeitraum entwickelte sich die Halbleiter- und Computertechnologie rasant und es wurden digitale Seismographen entwickelt, die Signale verstärken (elektronische Rückkopplungstechnologie) und Daten mithilfe von Computern verarbeiten konnten.

【Abbildung 6】STS-1 Seismometer

Im Jahr 1976 entwickelten Schweizer Wissenschaftler erstmals den Force Balance Feedback Seismographen (STS-1 Seismometer), der das Frequenzband erheblich erweiterte, den Dynamikbereich verbesserte und Computerspeicher- und Anzeigefunktionen ermöglichte. Insbesondere das Kraftausgleichs-Rückkopplungssystem ist ein zentraler Bestandteil der meisten heutigen Seismometer. Tatsächlich bestehen moderne Seismographen hauptsächlich aus Seismometern (Breitband, große dynamische Rückkopplung) und hochauflösenden digitalen Rekordern.

Prinzip des Kraftausgleichs-Rückkopplungsseismometers: Die Rückkopplungskraft ist mit der Trägheitskraft ausgeglichen und der Rückkopplungsstrom ist proportional zur Beschleunigung der Bodenvibration. Die Gesamtreaktion und -ausgabe des Instruments werden in erster Linie durch die Parameter des Rückkopplungsnetzwerks und nicht durch das mechanische System und die Wandlerfaktoren bestimmt.

【Abbildung 7】Das Seismometer STS-2 ist ein Standardgerät zur Kalibrierung anderer Seismometer

【Abbildung 8】 BBVS-Dreikomponenten-Seismometer mit integriertem Kraftausgleich in meinem Land

Es gibt noch andere Formen von Seismometern, insbesondere das in den letzten Jahren verfügbare faseroptische Seismometer. Die seismische Erfassung mittels Glasfaser wurde ursprünglich entwickelt, weil die überwachten Rauschsignale seismischen Wellen ähneln. Seismische Wellen können im optischen Kabel Veränderungen im Mikrometerbereich verursachen und die durch die seismischen Wellen gestörten Punkte können anhand der empfangenen Daten gemessen werden. An einem Ende des optischen Kabels ist ein Signalsender installiert, der Laserimpulse aussendet. Aus dem von Verunreinigungen in der Glasfaser zurückgestreuten Signal werden Vibrationsinformationen der Erdoberfläche gewonnen. Mithilfe der verteilten Glasfaser-Sensortechnologie können mehrere Kilometer herkömmlicher Glasfaserkabel im Handumdrehen in Tausende von Seismometern umgewandelt werden, wodurch bequem eine hochdichte Überwachung des Untergrunds möglich wird. Derzeit setzt mein Land diese Technologie im West-Ost-Gasübertragungssystemprojekt ein.

【Abbildung 9】 Unterseeisches Glasfasernetz kann zur Erdbebenüberwachung verwendet werden

Außer auf der Erde gibt es auch spezielle Seismometer auf Sonden zum Mond und zum Mars, die der Menschheit umfangreiche Informationen über die außerirdische Welt liefern.

Heutzutage können Seismographen selbst an sehr ruhigen Orten Vibrationen von nur zehn Millionstel Zentimetern erfassen, was einen großen Fortschritt bei der Erdbebenüberwachung darstellt. Mit besserer Überwachungsausrüstung und umfassenderer Erdbebenforschung können wir die Veränderungen auf der Erde besser verstehen und besser auf Katastrophen reagieren. Vergessen Sie natürlich nicht, sich Notfallwissen anzueignen, um vorbereitet zu sein.

Verweise

https://en.wikipedia.org/wiki/Seismometer#Andere Formen

https.//www.britannica.com/science/seismmograph/Basic-principles-of-the-modern- seismograph

https://mp.weixin.qq.com/s/LDEiTRROPKYHEIXTDPb8w

https://mp.weixin.qq.com/s/O3qfQXDMaSH6GJ-VkWNkzq

Wang Xizhen, Teng Yuntian. Neue Technologie und Entwicklung seismischer Sensoren. Fortschritte in der Geophysik. 2010.25(2):478~485 Feng Rui, Interessante Seismologie (25): Zhang Heng hat die Geschichte neu geschrieben. Fortschritte in der Erdbebenforschung, 2021,51(1):

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