Кто изобрел сейсмограф. Кто придумал Сейсмограф - Когда Изобрели? Точная копия устройства
В 132 году нашей эры в Китае учёный-изобретатель Чжан Хэн представил первый сейсмоскоп, который, как считается, был способен предсказывать землетрясения с точностью современных инструментов.
В исторических записях сохранилось точное описание его внешнего вида и того, как он функционировал, а вот точная внутренняя конструкция до сих пор остаётся загадкой. Неоднократно учёные предпринимали попытки создать модель такого сейсмоскопа, выдвигая различные теории о принципе его работы.
Наиболее распространённая из них гласит, что маятник внутри медной колбы приходит в движение во время подземных толчков, даже если эпицентр землетрясение находится за сотни километров. В свою очередь маятник ударял по системе рычагов, с помощью которой открывалась пасть одного из восьми драконов, располагающихся снаружи.
Реконструкция древнего сейсмоскопа времён династии Восточная Хань (25—220 н.э.) и его изобретатель Чжан
В пасти каждого животного находился бронзовый мяч, который падал в железную жабу, производя при этом громкий звон. В исторических очерках говорится, что производимый звук был настолько громким, что мог разбудить всех жителей императорского двора.
Дракон, пасть которого раскрывалась, указывал, в какой стороне произошло землетрясение. Каждому из восьми животных принадлежало одно из направлений: Восток, Запад, Север, Юг, северо-восток, северо-запад, юго-восток и юго-запад соответственно.
Изобретение поначалу встретили со скепсисом, несмотря на то, что Чжан уже на тот момент был известным учёным, которого имперский двор назначил на пост главного астронома. Но примерно в 138 году нашей эры, бронзовый мяч издал первый сигнал тревоги, указав, что землетрясение произошло к западу от столицы Лоян.
Сигнал был проигнорирован, так как никто в городе не ощутил признаков землетрясения. Спустя несколько дней из Лояна прибыл гонец с новостью о сильных разрушениях: город, находящийся на расстоянии 300 км, в результате стихийного бедствия лежал в руинах.
Учёный из Института геофизики в Китае определил, что первое землетрясение, обнаруженное таким сейсмоскопом, произошло 13 декабря 134 года и имело силу в 7 баллов.
Таким образом, аппарат был создан с целью выявления землетрясений в отдалённых регионах, но он функционировал только при жизни своего изобретателя. По всей видимости, устройство первого сейсмоскопа было настолько сложным, что только сам учёный мог поддерживать его в работоспособном состоянии.
Современные попытки воссоздания копии увенчивались переменным успехом, и все они были созданы на основе использования инерции, принципа, который используется и в современных сейсмографах.
В 1939 году японский учёный создал модель подобного сейсмоскопа, но не во всех случаях мяч падал точно по направлению эпицентра землетрясения.
Более точную реконструкцию изобретения удалось создать совместно учёным из Китайской академии наук, Национального музея и Китайского сейсмологического бюро в 2005 году.
Как сообщают китайские СМИ, аппарат отреагировал точно на воспроизведённые волны пяти произошедших землетрясений в Таншане, Юньнани, Цинхай-Тибетском нагорье и Вьетнаме. В сравнении с современными приборами, сейсмоскоп показал удивительную точность, а его форма была такой же, как описано в исторических текстах.
Тем не менее, не все склонны верить в эффективность работы первого сейсмоскопа. Роберт Райтерман, исполнительный директор Консорциума университетов по исследованиям в области сейсмостойкого строительства, выразил скептицизм в отношении точности аппарата, описанного в исторических рассказах.
«В случае, если эпицентр землетрясения находился на близком расстоянии, вcя конструкция так сильно шаталась, что шары одновременно выпадали бы из всех драконов. На далёком же расстоянии движения земли не оставляют чёткого следа, чтобы идентифицировать, из какой именно стороны исходят вибрации. Так как до того момента, когда колебания земной поверхности достигают сейсмоскопа, они происходят в разных направлениях скорее всего хаотично», — пишет он в своей книге «Инженеры и землетрясения: международная История».
Если сейсмоскоп действительно так точно работал, как это было описано в исторических записях, на что также намекает функционирование современных копий, то гений Чжана до сих пор остаётся недосягаемым.
Чжан Хэн (78 — 139) — китайский философ, мыслитель-энциклопедист, литератор, поэт, государственный деятель и учёный, которому принадлежат мировые открытия и изобретения в математике, астрономии, механике, сейсмологии и географии.
Сложно себе представить, но ежегодно на нашей планете происходит около миллиона землетрясений! Разумеется, в основном это слабые подземные толчки. Землетрясения разрушительной силы случаются значительно реже в среднем раз в две недели. К счастью, большинство из них происходят на дне океанов и не приносят никаких неприятностей человечеству, если только в результате сейсмических смещений не возникает цунами.
О катастрофических последствиях землетрясений знает каждый: тектоническая активность пробуждает вулканы, гигантские приливные волны смывают в океан целые города, разломы и оползни разрушают строения, вызывают пожары и наводнения и уносят сотни и тысячи человеческих жизней.
Поэтому люди во все времена стремились изучить землетрясения и предотвратить их последствия. Так, Аристотель в IV в. до и. э. считал, что атмосферные вихри внедряются в землю, в которой много пустот и щелей. Вихри усиливаются огнем и ищут выход, вызывая землетрясения и извержения вулканов. Также Аристотель наблюдал за движениями почвы при землетрясениях и попытался дать их классификацию, выделив шесть типов движений: вверх-вниз, из стороны в сторону и т. п.
Первая известная попытка изготовить прибор, предсказывающий землетрясения, принадлежит китайскому философу и астроному Чжан Хэну. В Китае эти стихийные бедствия случались и случаются чрезвычайно часто, более того, три из четырех крупнейших в истории человечества землетрясений произошли в Китае. И в 132 г. Чжан Хэн изобрел устройство, которому дал имя Хоуфэн «флюгер землетрясений» и которое могло фиксировать колебания земной поверхности и направление их распространения. Хоуфэн и стал первым в мире сейсмографом (от греч. seismos «колебание» и grapho «пишу») прибором для обнаружения и регистрации сейсмических волн.
Последствия землетрясения в Сан-Франциско в 1906 г.
Строго говоря, прибор был скорее сейсмоскопом (от греч. skopeo «смотрю»), потому что запись его показаний велась не автоматически, но рукою наблюдателя.
Хоуфэн был сделан из меди в форме сосуда для вина диаметром 180 см и тонкими стенками. Снаружи сосуда располагались восемь драконов. Головы драконов указывали на восемь направлений: восток, юг, запад, север, северо-восток, юго-восток, северо-запад и юго-запад. Каждый дракон держал во рту медный шарик, а под его головой сидела жаба с открытым ртом. Предполагается, что внутри сосуда был вертикально установлен маятник с тягами, которые прикреплялись к головам драконов. Когда в результате подземного толчка маятник приходил в движение, тяга, соединенная с головой, обращенной в сторону толчка, раскрывала пасть дракона, и шар из нее выкатывался в рот соответствующей жабы. Если выкатывались два шарика, можно было предположить силу землетрясения. Если прибор находился в эпицентре, то выкатывались все шарики. Наблюдатели инструмента могли немедленно сделать запись о времени и направлении землетрясения. Прибор был весьма чувствительным: он улавливал даже слабые подземные толчки, эпицентр которых находился за 600 км от него. В 138 г. этот сейсмограф точно указал на землетрясение, которое произошло в области Луньси.
В Европе же серьезно изучать землетрясения начали значительно позже. В 1862 г. вышла в свет книга ирландского инженера Роберта Малета «Великое неаполитанское землетрясение 1857 г.: основные принципы сейсмологических наблюдений». Малет совершил экспедицию в Италию и составил карту пораженной территории, разделив ее на четыре зоны. Введенные Малетом зоны представляют собою первую, достаточно примитивную, шкалу интенсивности сотрясений.
Но сейсмология как наука начала развиваться только с повсеместным появлением и внедрением в практику приборов для регистрации колебаний почвы, т. е. с появлением научной сейсмометрии.
В 1855 г. итальянец Луиджи Пальмиери изобрел сейсмограф, способный регистрировать удаленные землетрясения. Действовал он по такому принципу: при землетрясении ртуть проливалась из шарообразного объема в специальный контейнер в зависимости от направления колебаний. Индикатор контакта с контейнером останавливал часы, указывая точное время, и запускал запись колебаний земли на барабан.
В 1875 г. еще один итальянский ученый, Филиппо Секи, сконструировал сейсмограф, который включал часы в момент первого толчка и записывал первое колебание. Первая дошедшая до нас сейсмическая запись сделана именно с помощью этого прибора в 1887 г. После этого начался быстрый прогресс в области создания инструментов для регистрации колебаний почвы. В 1892 г. группа английских ученых, работавших в Японии, создала первый достаточно удобный в обращении прибор сейсмограф Джона Милна. Уже в 1900 г. функционировала мировая сеть из 40 сейсмостанций, оборудованных приборами Милна.
Сейсмограф состоит из маятника той или иной конструкции и системы регистрации его колебаний. По способу регистрации колебаний маятника сейсмографы можно разделить на приборы с прямой регистрацией, преобразователи механических колебаний и сейсмографы с обратной связью.
Сейсмографы с прямой регистрацией используют механический или оптический способ записи. Первоначально при механическом способе записи на конце маятника помещалось перо, процарапывавшее линию на закопченной бумаге, которую потом покрывали закрепляющим составом. Но на маятник сейсмографа с механической регистрацией сильное влияние оказывает трение пера о бумагу. Чтобы уменьшить это влияние, необходима очень большая масса маятника.
При оптическом способе записи на оси вращения укреплялось зеркальце, которое освещалось через объектив, а отраженный луч попадал на фотобумагу, намотанную на вращающийся барабан.
Способ прямой регистрации до сих пор используется в сейсмически активных зонах, где движения почвы достаточно велики. Но для регистрации слабых землетрясений и на больших расстояниях от очагов требуется усиливать колебания маятника. Это осуществляется различными преобразователями механических перемещений в электрический ток.
Схема распространения сейсмических волн от очага землетрясения, или гипоцентра (внизу) и эпицентра (вверху).
Преобразование механических колебаний впервые предложил русский ученый Борис Борисович Голицын в 1902 г. это была гальванометрическая регистрации, основанная на электродинамическом способе. Жестко скрепленная с маятником индукционная катушка помещалась в поле постоянного магнита. При колебаниях маятника магнитный поток менялся, в катушке возникала электродвижущая сила, и ток регистрировался зеркальным гальванометром. На зеркальце гальванометра направлялся луч света, и отраженный луч, как и при оптическом способе, падал на фотобумагу. Подобные сейсмографы завоевали всемирное признание на многие десятилетия вперед.
В последнее время получили распространение так называемые параметрические преобразователи. В этих преобразователях механическое перемещение (движение массы маятника) вызывает изменение какого-либо параметра электрической цепи (например, электрического сопротивления, емкости, индуктивности, светового потока и т. п.).
Б. Голицын.
Штольня сейсмологической станции. Установленная там аппаратура фиксирует даже малейшие колебания почвы.
Передвижная установка для геофизических и сейсмологических исследований.
Изменение этого параметра приводит к изменению тока в цепи, и в этом случае именно смещение маятника (а не его скорость) определяет величину электрического сигнала. Из разнообразных параметрических преобразователей в сейсмометрии в основном используются два фотоэлектрический и емкостной. Наибольшую популярность получил емкостной преобразователь Беньофа. Среди критериев выбора главными оказались простота устройства, линейность, малый уровень собственного шума, экономичность в электропитании.
Сейсмографы бывают чувствительны к вертикальным колебаниям земли или к горизонтальным. Чтобы наблюдать движение почвы во всех направлениях, обычно используют три сейсмографа: один с вертикальным маятником и два с горизонтальными, ориентированными на восток и на север. Вертикальный и горизонтальный маятники различаются по своей конструкции, поэтому оказывается достаточно сложным добиться полной идентичности их частотных характеристик.
С появлением компьютеров и аналого-цифровых преобразователей функциональность сейсмоизмерительного оборудования резко повысилась. Появилась возможность одновременно фиксировать и анализировать в реальном времени сигналы с нескольких сейсмодатчиков, учитывать спектры сигналов. Это обеспечило принципиальный скачок в информативности сейсмоизмерений.
Сейсмографы используются прежде всего для изучения самого явления землетрясения. С их помощью удается определить инструментальным способом силу землетрясения, место его возникновения, частоту происхождения в данном месте и преимущественные места возникновения землетрясений.
Оборудование сейсмологической станции в Новой Зеландии.
Основные сведения о внутреннем строении Земли получены тоже по сейсмическим данным путем интерпретации полей сейсмических волн, вызванных землетрясениями и мощными взрывами и наблюдаемых на поверхности Земли.
С помощью записи сейсмических волн ведутся также исследования строения земной коры. Например, исследования 1950-х годов показывают, что мощности слоев коры, а также скорости волн в них меняются от места к месту. В Средней Азии мощность коры достигает 50 км, а в Японии -15 км. Создана карта мощности земной коры.
Можно ожидать, что скоро появятся новые технологии в инерциальных и гравитационных способах измерения. Не исключено, что именно сейсмографы нового поколения смогут обнаружить гравитационные волны во Вселенной.
Запись сейсмографа
Ученые всего мира разрабатывают проекты по созданию спутниковых систем предупреждения землетрясений. Один из таких проектов Интерофе-рометро-синтетический апертурный радар (Interferometric-Synthetic Aperture Radar, InSAR). Этот радар, а точнее, радары, отслеживает смещение тектонических плит в определенной области, и благодаря полученным ими данным можно зафиксировать даже малозаметные смещения. Ученые полагают, что благодаря такой чувствительности можно точнее определить участки повышенного напряжения сейсмо-опасные зоны.
Кто изобрел сейсмограф?
Первый из известных приборов, способных улавливать колебания земной поверхности, был изобретен в 132 году китайским астрономом Чжан Хэном. Прибор состоял из большого бронзового сосуда около двух метров в диаметре, на внешних стенках которого располагались 8 драконьих голов. Челюсти у драконов раскрывались, у каждого в пасти был шар. Внутри сосуда находился маятник с тягами, каждая прикреплялась к голове дракона.
Когда в результате подземного толчка маятник приходил в движение, тяга, соединенная с головой, обращенной в сторону толчка, раскрывала пасть дракона, шар из нее выкатывался и падал в открытый рот одной из 8 жаб, восседавших у основания сосуда. Прибор был весьма чувствительным: он улавливал подземные толчки, эпицентр которых находился за 600 километров от него.
В обсерватории на Везувии сейсмограф, способный регистрировать прохождение сейсмических волн, их амплитуду, направление и время толчка, был установлен лишь в 1856 году.
Со времени учреждения в 1960 году Всемирной эталонной сейсмографической сети практически во всех уголках земного шара были созданы станции, оборудованные стандартными приборами и действующие по единому времени.
С глубокой древности одним из самых страшных стихийных бедствий являются землетрясения. Поверхность земли нами подсознательно воспринимается как нечто незыблемо прочное и твердое, основа, на которой стоит наше существование.
Если же эта основа начинает трястись, обрушивая каменные здания, изменяя русла рек и воздвигая горы на месте равнин – это очень страшно. Неудивительно, что люди пытались предсказать , чтобы успеть спастись, убежав из опасного района. Так и был создан сейсмограф.
Что такое сейсмограф?
Слово «сейсмограф» имеет греческое происхождение и образовано от двух слов: «seismos» — сотрясение, колебание, и «grapho» — писать, записывать. То есть, сейсмограф – это прибор, предназначенный записывать колебания земной коры.
Первый сейсмограф, упоминание о котором осталось в истории, был создан в Китае почти две тысячи лет назад. Ученый астроном Чжан Хен изготовил для китайского императора огромную двухметровую чашу из бронзы, стенки которой поддерживали восемь драконов. В пасти каждого из драконов лежал тяжелый шар.
Внутри чаши был подвешен маятник, который при подземном толчке ударял о стенку, заставляя пасть одного из драконов раскрыться и выронить шар, падавший прямо в рот одной из больших бронзовых жаб, сидящих вокруг чаши. По описанию, прибор мог регистрировать землетрясения, происходящие на расстоянии до 600 км от места, где был установлен.
Строго говоря, каждый из нас может сам изготовить простейший сейсмограф. Для этого нужно подвесить гирю с заостренным концом точно над ровной поверхностью. Любое колебание грунта заставит гирю колебаться. Если припудрить площадку под грузом порошком мела или мукой, то прочерченные острым концом гирьки полоски укажут силу и направление колебаний.
Правда, такой сейсмограф для жителя большого города, дом которого находится рядом с оживленной улицей, не годится. Проезжающие тяжелые грузовики то и дело будут колебать почву, вызывая микроколебания маятника.
Сейсмографы, используемые учеными
Первый сейсмограф современной конструкции изобрел русский ученый, князь Б. Голицын, который использовал преобразование механической энергии колебаний в электрический ток.
Конструкция довольно проста: грузик подвешивается на вертикально или горизонтально расположенной пружине, а к другому концу груза крепится перо самописца.
Вращающаяся бумажная лента служит для записи колебаний груза. Чем сильнее толчок, тем дальше отклоняется перо и дольше колеблется пружина. Вертикальный груз позволяет регистрировать горизонтально направленные толчки, и наоборот, горизонтальный самописец записывает толчки в вертикальной плоскости. Как правило, горизонтальная запись ведется в двух направлениях: север–юг и запад-восток.
Зачем нужны сейсмографы?
Записи сейсмографов необходимы для изучения закономерностей появления подземных толчков. Этим занимается наука, называемая сейсмологией. Наибольший интерес для сейсмологов представляют районы, расположенные в так называемых сейсмически активных местах – в зонах разломов земной коры. Там нередки и передвижения огромных пластов подземных пород – т.е. то, что обычно вызывает землетрясения.
Как правило, крупные землетрясения не возникают неожиданно. Им предшествуют серии мелких, почти незаметных толчков особого характера. Научившись предсказывать землетрясения, люди смогут избегать гибели из-за этих катаклизмов и минимизировать наносимый ими материальный ущерб.
Сейсмограф - прибор, регистрирующий колебания грунта при землетрясении . В наше время это сложные электронные устройства. У современных сейсмографов были свои предшественники. Первый сейсмограф был изобретён в 132 г. в Китае, а настоящие сейсмографы появились в 1890-е гг. В современном сейсмографе используется свойство инерции (свойство сохранять первоначальное состояние покоя или равномерного движения). Впервые инструментальные наблюдения появились в Китае, где в 132 г. Чан-Хен изобрел сейсмоскоп, представлявший собой искусно сделанный сосуд. На внешней стороне сосуда с размещенным внутри маятником по кругу были выгравированы головы драконов, держащих в пасти шарики. При качании маятника от землетрясения один или несколько шариков выпадали в открытые рты лягушек, размещенных у основания сосудов таким образом, чтобы лягушки могли их проглотить. Современный сейсмограф представляет собой комплект приборов, регистрирующих колебания грунта при землетрясении и преобразующих их в электрический сигнал, записываемый на сейсмограммах в аналоговой и цифровой форме. Однако, по-прежнему, основным чувствительным элементом служит маятник с грузом.
Сейсмические волны проходят внутри земного шара в тех местах, которые недоступны наблюдению. Все, что они встречают на пути, так или иначе их изменяет. Поэтому анализ сейсмических волн помогает выяснить внутреннее строение Земли.
При помощи сейсмографа можно оценить энергию землетрясения. Cсравнительно слабые землетрясения высвобождают энергию порядка 10 000 кг/м, т.е. достаточную, чтобы поднять груз весом 10 тонн на высоту 1 м. Этот энергетический уровень принимается за ноль, землетрясению имеющему в 100 раз больше энергии соответствует 1, еще в 100 раз более сильному соответствуют 2 единицы шкалы. Такая шкала называется шкалой Рихтера в честь известного американского сейсмолога из Калифорнии Ч. Рихтера. Число в такой шкале называется магнитудой и обозначается М. В самой шкале верхний предел не предусмотрен, по этой причине шкалу Рихтера называют открытой. В действительности сама Земля создает практический верхний предел. Сильнейшие из зарегистрированных землетрясений имели магнитуду 8,9. Таких землетрясений с начала инструментальных наблюдений зарегистрировано два, оба под океаном. Одно произошло в 1933 у берегов Японии, другое - в 1906 у берегов Эквадора. Таким образом, магнитуда землетрясения характеризует количество энергии, выделяемой очагом во все стороны. Эта величина не зависит ни от глубины очага, ни от расстояния до пункта наблюдения. Сила проявления землетрясения зависит не только от магнитуды, но и от глубины очага (чем ближе очаг к поверхности, тем больше сила его проявления), от качества грунтов (чем более рыхлый и неустойчивый грунт, тем больше сила проявления). Имеет значение, конечно, и качество наземных построек. Сила проявления землетрясения на земной поверхности определяется по шкале Меркалли в баллах. Баллы отмечаются цифрами от I до XII.
