Кто изобрел асфальт? Мы привыкли к асфальту, этому невзрачному серому материалу. Его можно увидеть повсюду – у нас под ногами, на крышах зданий, в каналах и на днище просмоленной лодки и даже на картинах великих художников: в основе красок, которыми они пользовались, лежит

Как сейсмограф измеряет землетрясения? Когда мы думаем о землетрясении, мы представляем обрушивающиеся здания, открывающиеся в земле гигантские трещины и тому подобное. Что здесь можно «измерить»? Землетрясение - это дрожание или колебания земной поверхности. И

Кто изобрел метлу? Метла и щетка в чем-то похожи друг на друга. Разумеется, метла используется только для того, чтобы подметать. Многие щетки также используются для этой цели, хотя они были изобретены на много тысячелетий раньше, чем метла. Пещерный человек использовал

Кто изобрел вертолет? Мысль о летательном аппарате, который мог бы подняться в воздух, возникла давно. Леонардо да Винчи уже в 1500 году нашей эры нарисовал чертеж огромного винтообразного вертолета. Но он никогда не пробовал построить вертолет, потому что у него не было

Кто изобрел мяч? Никто не знает, кто первым начал играть в мяч, но было это еще в доисторические времена. Каждая цивилизация, от первобытных времен до наших дней, играла в игры, используя различные виды мяча. Некоторые древние народы плели мяч из тростника, другие

Кто изобрел лифт? Лифт был изобретен не каким-то одним человеком, а эта идея развивалась на протяжении длительного времени. Механизмы, действующие по принципу лифта, использовались уже много веков тому назад. Древние греки поднимали предметы, используя блоки и лебедки.

Кто изобрел комиксы? В газетах обычно можно найти страничку юмора. Она состоит из нескольких картинок, рассказывающих об одном или двух персонажах. Книга комиксов - расширенный вариант газетных и журнальных комиксов. В каждом сборнике рассказывается полная история

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.

«Бэнг!» — покой императорского дворца нарушает звук металлического шара, который выпадает из головы дракона и со звоном падает в рот одной из восьми жаб, равномерно распределённых по кругу по всем сторонам света. Через несколько дней ко дворцу в провинции Хэнань прискачет обессиленный гонец, чтобы доложить императору о землетрясении, которое недавно произошло в одном из регионов его необъятной страны. Но владыка уже несколько дней как в курсе случившегося — о землетрясении он узнал сразу же после падения металлического шара. Что это — один из эпизодов фэнтези-фильма? Нет — это Древний Китай, империя Хань, 132 год нашей эры.

С глубокой древности Китай был сейсмоопасным регионом. В исторических хрониках содержится немало сведений о землетрясениях, разрушавших целые города ещё до нашей эры. Для большой территории Империи Хань каждое подобное землетрясение несло огромную опасность — внешние враги не брезговали воспользоваться чужой бедой, устраивая налеты на поврежденные города и грабя дезориентированных жителей.

Чтобы пресекать подобные случаи и вовремя помогать собственному населению, необходимо было сразу же узнавать о произошедшей трагедии и немедленно выдвигаться к месту событий. Где же ещё, как не в Китае, должен был появиться первый сейсмограф? Его создателем стал выдающийся древнекитайский учёный Чжан Хэн.

Чжан Хэн родился в семье обедневшего китайского чиновника в 78 году н.э. С детства проявляя трудолюбие и тягу к знаниям, Чжан Хэн всегда выделялся среди своих сверстников. Молодой человек быстро продвигался по карьерной лестнице, поэтому неудивительно, что уже в 37 лет он занял одну из самых уважаемых должностей в империи Хань — пост придворного историографа-астролога. За свою жизнь Чжан Хэн придумал множество интересных изобретений, усовершенствовал географические карты Китая, внес большой вклад в развитие математики. Кроме того, он стал первым, кто утверждал, что свет Луны — это отраженный солнечный свет. Но самым известным его творением является сейсмограф, который он представил императору в 132 году н.э после того, как очередное землетрясение нанесло большой ущерб столице. Если верить древнекитайским авторам, удивительный сейсмограф позволял регистрировать землетрясения, происходящие за сотни километров от места нахождения прибора.

Сейсмограф Чжан Хэна мало чем напоминает современные приборы для измерения подземной активности. Он представляет собой огромный медный сосуд, внутри которого располагался прикреплённый к вершине маятник. К маятнику были подведены 8 рычагов, распределённых равномерно по окружности. Под воздействием малейших подземных толчков от бушующего вдалеке землетрясения маятник отклонялся в сторону, активируя один из рычагов, который, в свою очередь, крепился другим концом к выходящей наружу голове дракона с находящимся внутри металлическим шаром. Система пружин сбрасывала шар вниз в фигуры жаб с широко открытым ртом. Упавший шар создавал гулкий звон, который был слышен по всему дворцу.

Сейсмограф пришёлся по нраву императору и с тех пор всегда находился в рабочем состоянии, готовый предупредить о случившейся беде. Данный сейсмограф стал первым в истории, увековечив имя своего создателя. Судьба же самого Чжан Хэна круто изменилась через 4 года после изобретения прибора: в результате дворцовых интриг учёный был изгнан из столицы и назначен управляющим отдаленной провинцией империи, где он работал до конца своей жизни.

Но остаётся самый главный вопрос — действительно ли сейсмограф Чжан Хэна регистрировал землетрясение, или описания его работы чересчур приукрашены? Интересно, что во всех сохранившихся описаниях большое внимание уделяется именно внешнему виду сейсмографа, а не принципу его работы. Прибор безусловно красив, а его дизайн поистине оригинален, но современным исследователям хотелось бы больше узнать о его внутренней начинке. Нет сомнений, что главной деталью внутреннего механизма являлся подвешенный маятник с невероятной точностью умевший реагировать на подземные толчки, происходившие на больших расстояниях. Как именно был он закреплён в сосуде и что позволяло ему замечать подземные толчки, которые не мог ощутить человек? К сожалению, это так и остаётся главной загадкой.

Конечно, энтузиасты много раз предпринимали попытки создать похожий прибор. Все сейсмографы Чжан Хэна, которые мы сегодня наблюдаем в музеях — это работы современных мастеров. При изготовлении внутренностей данных сейсмографов примерялись передовые материалы, а сам маятник изготавливался с ювелирной точностью, которая, при всём уважении к древнекитайским умельцам, не могла быть достигнута две тысячи лет назад. Расположенные во многих частях света, эти приборы ни разу не смогли зарегистрировать ни одного землетрясения. Хотя некоторые из природных бедствий были довольно сильными и даже привели к многочисленным жертвам.

Но, быть может, мы просто недооцениваем гений изобретателя, который почти два тысячелетия назад смог с помощью простейших технологий создать удивительно точный работающий сейсмограф?

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .