Sismógrafo

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Antecedentes

Sismógrafos são instrumentos projetados para detectar e medir vibrações dentro da Terra, e os registros que eles produzem são conhecidos como sismogramas. Como muitos outros termos que começam com este prefixo, essas palavras derivam do grego seismos, significando "choque" ou "terremoto". Embora certos tipos de sismógrafos sejam usados ​​para levantamentos subterrâneos, os dispositivos são mais conhecidos para estudar terremotos.

Um sismógrafo consiste em um pêndulo montado em uma base de suporte. O pêndulo, por sua vez, é conectado a um gravador, como uma caneta de tinta. Quando o solo vibra, o pêndulo permanece parado enquanto o registrador se move, criando assim um registro do movimento da Terra. Um sismógrafo típico contém 3 pêndulos:um para registrar o movimento vertical e dois para registrar o movimento horizontal.

Os sismógrafos evoluíram de sismoscópios, que podem detectar a direção de tremores ou terremotos, mas não podem determinar a intensidade ou o padrão de vibração. O dispositivo mais antigo conhecido usado para detectar terremotos foi criado por um estudioso chinês, Chang Heng, por volta de 132. Relatos detalhados revelam que era um aparelho bonito e engenhoso consistindo de um cilindro de cobre ricamente decorado com oito cabeças de dragão posicionadas em torno de sua circunferência superior. voltado para fora. Fixados em torno da circunferência inferior, diretamente abaixo das cabeças do dragão, estavam oito sapos de cobre. Em sua boca, cada dragão segurava uma pequena bola que caiu na boca do sapo abaixo dela quando uma haste dentro do cilindro, flexível e pesada em sua extremidade superior, foi acionada por um terremoto. O sapo em particular que capturou uma bola caída indicou a direção geral do terremoto.

Por mais de 1.700 anos, o estudo dos terremotos dependeu de instrumentos imprecisos como o de Chang Heng. Ao longo dos séculos, uma grande variedade de sismoscópios foram construídos, muitos deles contando com a detecção de ondulações em uma piscina de água ou mercúrio líquido. Um desses dispositivos, semelhante ao mecanismo do sapo e do dragão, apresentava um prato raso de mercúrio que se derramava em pequenos pratos colocados ao redor quando um tremor acontecia. Outro tipo de sismoscópio, desenvolvido durante o século XVIII, consistia em um pêndulo suspenso no teto e preso a um ponteiro que se arrastava em uma bandeja de areia fina, movendo-se quando as vibrações balançavam o pêndulo. Durante o século XIX, o primeiro sismômetro foi construído; ele usava vários tipos de pêndulos para medir o tamanho das vibrações subterrâneas.

O primeiro sismógrafo verdadeiro pode ter sido um mecanismo complexo projetado pelo cientista italiano Luigi Palmieri em 1855. Essa máquina usava tubos cheios de mercúrio e equipados com contatos elétricos e flutuadores. Quando os tremores perturbaram o mercúrio, os contatos elétricos paralisaram um relógio e acionaram um dispositivo que registrava os movimentos dos flutuadores, indicando aproximadamente o tempo e a intensidade do terremoto. Os primeiros sismógrafos precisos foram desenvolvidos no Japão em 1880 pelo geólogo britânico John Milne, frequentemente conhecido como o pai da sismologia. Junto com outros cientistas expatriados James Alfred Ewing e Thomas Gray, Milne inventou muitos dispositivos sismológicos diferentes, um dos quais foi o sismógrafo de pêndulo horizontal. Este sofisticado instrumento consistia em uma haste pesada que, quando perturbada por tremores, deslocava uma placa com fenda. O movimento da placa permitiu que uma luz refletida brilhasse através da fenda, bem como através de outra fenda estacionária abaixo dela. Caindo em papel fotossensível, a luz então inscreveu um registro do tremor. Hoje, a maioria dos sismógrafos ainda depende dos projetos básicos introduzidos por Milne e seus associados, e os cientistas continuam a avaliar os tremores estudando o movimento da Terra em relação ao movimento de um pêndulo.

O primeiro sismógrafo eletromagnético foi inventado em 1906 por um príncipe russo, Boris Golitsyn, que adaptou o princípio de indução eletromagnética desenvolvido pelo físico inglês Michael Faraday durante o século XIX. A lei da indução de Faraday postulou que mudanças na intensidade magnética poderiam ser usadas para gerar correntes elétricas. Incorporando esse preceito, Golitsyn construiu uma máquina na qual tremores fazem com que uma bobina se mova através de campos magnéticos, produzindo uma corrente elétrica que é alimentada em um galvanômetro, um dispositivo que mede e direciona a corrente. A corrente então flutua em um espelho semelhante ao que direcionava a luz no aparato de Milne. A vantagem desse sistema eletrônico é que o gravador pode ser instalado em um local conveniente, como um laboratório, enquanto o próprio sismógrafo pode ser instalado em um local remoto.

Durante o século XX, o Programa de Detecção de Teste Nuclear tornou possível a sismologia moderna. Apesar do perigo real de terremotos, a sismologia não podia comandar um grande número de sismógrafos até que a ameaça de explosões nucleares subterrâneas levou ao estabelecimento da Rede Sismográfica Padronizada Mundial (WWSSN) em 1960. A Rede instalou 120 sismógrafos em 60 países, e, sob seus auspícios, os sismógrafos tornaram-se muito mais sofisticados. Desenvolvido após a Segunda Guerra Mundial, o sismógrafo Press-Ewing permitiu aos pesquisadores registrar as chamadas ondas sísmicas de longo período, vibrações que viajam longas distâncias em velocidades relativamente lentas. Este sismógrafo usa um pêndulo como o usado no modelo Milne, mas substitui o pivô que sustenta a haste por um fio elástico para reduzir o atrito. Outras inovações do pós-guerra incluíram relógios atômicos para tornar as temporizações mais precisas e leituras digitais que podiam ser alimentadas em um computador. No entanto, o mais importante Este fluxograma mostra as etapas envolvidas na fabricação e instalação do sismógrafo. O principal material usado é o alumínio, seguido por equipamentos elétricos normais compostos de cobre, aço, vidro e plástico. A unidade básica compreende um pêndulo dentro de um recipiente hermético que é preso por uma dobradiça e um arame (para unidades horizontais) ou uma mola (para unidades verticais) a uma estrutura de suporte fixada firmemente no solo. desenvolvimento durante os tempos modernos tem sido a implementação de matrizes sismográficas. Essas matrizes, algumas consistindo de centenas de sismógrafos, estão ligadas a um único registrador central. Ao comparar os sismogramas discretos produzidos por várias estações, os pesquisadores podem determinar o epicentro do terremoto (o ponto na superfície da Terra diretamente acima da origem do terremoto).

Hoje, três tipos de sismógrafos são usados ​​na pesquisa de terremotos, cada um com um período correspondente à escala das vibrações que medirá (o período é o tempo que um pêndulo requer para completar uma oscilação completa). Sismógrafos de curto período são usados ​​para estudar vibrações primárias e secundárias, as ondas sísmicas de movimento mais rápido. Como essas ondas se movem tão rapidamente, o sismógrafo de curto período leva menos de um segundo para completar uma oscilação completa; também amplia os sismogramas resultantes para que os cientistas possam perceber o padrão dos movimentos rápidos da Terra. Os pêndulos em sismógrafos de período longo (intermediário) geralmente levam até vinte segundos para oscilar e são usados ​​para medir ondas de movimento mais lento, como ondas de Amor e Rayleigh, que seguem ondas primárias e secundárias. O WWSSN atualmente usa este tipo de instrumento. Os sismógrafos cujos pêndulos têm períodos mais longos são chamados de ultra-longos ou banda larga instrumentos. Os sismógrafos de banda larga são usados ​​com freqüência cada vez maior para desenvolver uma compreensão mais abrangente das vibrações globais.

Matérias-primas

Os componentes de um sismógrafo são padrão. O material mais importante é o alumínio, seguido pelo equipamento elétrico normal composto de cobre, aço, vidro e plástico. Um sismógrafo moderno consiste em um ou mais sismômetros que medem as vibrações da terra. Um sismômetro compreende um pêndulo (uma massa inerte) dentro de um recipiente hermético que é preso por uma dobradiça e um fio (para unidades horizontais) ou uma mola (para unidades verticais) a uma estrutura de suporte fixada firmemente no solo. Uma ou mais bobinas elétricas são presas ao pêndulo e colocadas dentro do campo de um ímã. Mesmo movimentos minúsculos da bobina geram sinais elétricos que são alimentados em um amplificador e um filtro e armazenados na memória do computador para impressão posterior. Um sismógrafo menos sofisticado terá um espelho que ilumina o papel sensível à luz (como no sismógrafo de Milne), uma caneta que escreve com tinta de secagem rápida em um rolo de papel ou uma caneta de calor que marca o papel térmico.

Design

A demanda por sismógrafos de terremotos não é tão alta; ele pode ser atendido por alguns fabricantes que projetam sismógrafos personalizados para atender às necessidades de pesquisadores específicos. Assim, embora os componentes básicos do sismógrafo sejam padrão, certos recursos podem ser adaptados para servir a propósitos específicos. Por exemplo, alguém pode precisar de um instrumento mais sensível para estudar eventos sísmicos a milhares de quilômetros de distância. Outro sismólogo pode selecionar um instrumento cujo pêndulo tenha um curto período de apenas alguns segundos para observar os primeiros tremores de um terremoto. Para estudos subaquáticos, o sismógrafo teria que ser submersível.

O processo de fabricação

Escolha de um site

• 1 Um site pode interessar a um sismólogo por vários motivos. A mais óbvia é que a região é propensa a terremotos, talvez porque seja adjacente a uma falha ou fratura na crosta terrestre. Tais fraturas desalojam um dos blocos de terra adjacentes a elas, fazendo com que o bloco se desloque para cima, para baixo ou horizontalmente paralelo à falha e deixando a área vulnerável a mais instabilidade. Um sismógrafo também pode ser instalado em uma região atualmente sem um, para que os sismólogos possam reunir dados para uma imagem mais completa da área.
• 2 Embora alguns sismógrafos sejam colocados em porões de universidades ou museus para fins educacionais, o local ideal para pesquisas sobre terremotos seria mais remoto. Para registrar os movimentos sísmicos da Terra com mais precisão, um sismógrafo deve ser colocado onde o tráfego e outras vibrações sejam mínimos. Em alguns casos, um túnel não utilizado pode ser apropriado. Outras vezes, uma caverna subterrânea natural está disponível. Os pesquisadores sismológicos podem até escolher cavar um poço e colocar o instrumento dentro se nenhum outro buraco subterrâneo existir onde um sismógrafo seja considerado desejável. Um sismógrafo acima do solo também é possível, mas deve ficar acima de uma fundação de rocha sólida.

Montagem da unidade do sismômetro

• 3 Em uma fábrica especializada, as peças componentes do sismógrafo são montadas e preparadas para envio. Primeiro, o pêndulo é preso a uma mola macia (se for uma unidade vertical) ou a um fio (se for uma unidade horizontal) e suspenso dentro de um cilindro Embora os sismômetros horizontais contenham um pêndulo preso a um fio, as unidades verticais usam uma mola. Quando o solo vibra durante um terremoto, o pêndulo permanece parado enquanto o registrador se move, criando assim um registro do movimento da Terra.
  Alguns gravadores consistem em uma bobina que gera um sinal elétrico, que por sua vez é armazenado na memória do computador para posterior impressão. Um sismógrafo menos sofisticado terá um espelho que ilumina o papel fotossensível, uma caneta que escreve com tinta de secagem rápida em um rolo de papel ou uma caneta de calor que marca o papel térmico. entre bobinas elétricas. Em seguida, as bobinas são conectadas a placas de circuito impresso e colocadas dentro do corpo do sismógrafo. Toda a unidade pode, por sua vez, ser conectada a um gravador de fita de áudio digital, que recebe a corrente gerada pelas bobinas e transferida para as placas de circuito. Se o equipamento de registro de dados consistir em equipamentos mais tradicionais, como um rolo de papel e uma caneta, eles agora estão fixados na unidade. Dependendo do destino final, o sismógrafo é despachado de caminhão ou avião em uma caixa acolchoada por transportadores experientes na movimentação de delicados equipamentos eletrônicos.

Instalação da unidade de sismômetro

• 4 Um sismógrafo para fins educacionais pode ser aparafusado no concreto andar de um porão, mas os sismógrafos de pesquisa estão melhor situados longe das vibrações inevitáveis ​​de um edifício. Eles são instalados diretamente na rocha, nos casos em que é necessária grande precisão, ou em um leito de concreto. Em ambos os casos, a terra é removida e o solo nivelado. No segundo caso, uma camada de concreto é derramada e pode assentar.
• 5 Depois que a base for preparada, a unidade do sismômetro é aparafusada no lugar. Em alguns casos em que é necessária grande sensibilidade, ele será alojado em um compartimento onde a temperatura e a umidade são controladas. A unidade de sismômetro é normalmente instalada no campo, caverna ou abóbada escolhida, enquanto os amplificadores, filtros e equipamento de gravação são alojados separadamente.
• 6 Na sismologia moderna, é típico ter várias unidades de sismômetro dispostas distantes umas das outras. Cada unidade de sismômetro envia sinais para um local central, onde os dados podem ser impressos e estudados. Os sinais podem ser transmitidos de uma antena embutida na unidade ou, em unidades mais sofisticadas, transmitidos para um satélite.

Controle de qualidade

Os sismógrafos são projetados para resistir aos elementos. Eles são à prova d'água e à prova de poeira, e muitos são projetados para funcionar apesar de temperaturas extremas e alta umidade, dependendo de onde serão instalados. Apesar de seus requisitos de sensibilidade e proteção, muitos sismógrafos duram 30 anos. Os trabalhadores do controle de qualidade na fábrica verificam o projeto e o produto final para ver se atendem às demandas do cliente. Todas as peças são verificadas quanto à tolerância e ajuste, e o sismógrafo é testado para ver se funciona corretamente. Além disso, a maioria dos sismógrafos tem dispositivos de teste integrados para que possam ser testados após Um sismógrafo típico contém 3 pêndulos:um para registrar o movimento vertical e dois para registrar o movimento horizontal. A unidade do sismômetro é normalmente instalada em um campo, caverna ou abóbada, enquanto os amplificadores e o equipamento de gravação são alojados separadamente. sendo instalado e antes de ser colocado em funcionamento. Os programadores de computador qualificados também testam o software em busca de bugs antes do envio. Embora a sensibilidade e a precisão sejam importantes, o tempo também é crítico, principalmente na previsão de terremotos. A maioria dos sismógrafos modernos está conectada a um relógio atômico calibrado para o Tempo Universal (anteriormente chamado de Horário de Greenwich), garantindo assim informações altamente precisas que todos os pesquisadores podem entender.

Outro aspecto crítico do controle de qualidade com sismógrafos modernos é minimizar o erro humano. Embora os sismógrafos anteriores fossem simples e praticamente qualquer pessoa pudesse aprender como usá-los, os sismógrafos contemporâneos são dispositivos precisos e sensíveis, complexos e difíceis de usar. Hoje, os pesquisadores e trabalhadores do sismógrafo devem ser treinados por engenheiros e cientistas das instalações de manufatura, se eles já não forem engenheiros e cientistas qualificados. Eles devem aprender como operar e manter o sismógrafo, bem como todos os equipamentos auxiliares, como um computador.

O Futuro

A sismologia é mais conhecida pelo estudo de terremotos. Sua ênfase não tem sido no estudo teórico da estrutura da Terra, mas sim em prever e diminuir o impacto de terremotos em regiões vulneráveis. O estudo do interior da Terra foi direcionado para a busca de depósitos de petróleo, testes de instabilidades do solo antes da construção e rastreamento de explosões nucleares subterrâneas. A previsão de terremotos, no entanto, é a principal. Se os pesquisadores puderem determinar de antemão que um terremoto ocorrerá, precauções como aumentar o hospital e o pessoal de segurança podem ser programadas. A primeira previsão oficial de terremotos emitida pelo governo dos Estados Unidos ocorreu apenas em 1985. Portanto, a previsão de terremotos está em sua infância. Grandes terremotos recentes, como o que ocorreu em San Francisco em 1989, intensificaram o estudo da falha de San Andreas. Atualmente, uma equipe de sismólogos está estudando o segmento Parkfield dessa falha para determinar se eles podem prever um pequeno terremoto. Os dados dessa tentativa podem ser úteis para prever grandes terremotos em áreas mais densamente povoadas. Outros desenvolvimentos incluem sismógrafos mais sensíveis e duráveis, que podem registrar ondas de períodos longos e curtos. Um cientista da Terra acredita que um sistema de alerta de terremoto poderia ser instalado. Tal sistema exigiria um sismógrafo para captar as vibrações, um computador para interpretá-las como um terremoto iminente e um sistema de comunicação para avisar a tempo o pessoal de emergência. Alguns especialistas imaginam grandes matrizes de sismógrafos em áreas propensas a terremotos, onde proprietários individuais de sismógrafos poderiam coletar e transmitir dados aos sismólogos.