Seismiske instrumenter

Seismiske instrumenter som brukes til å registrere jordbevegelse forårsaket av jordskjelv er helt avgjørende for å studere seismologi. Uten instrumenter ville vi ha lite kunnskap om jordskjelv og jordens indre. Det følgende beskriver litt om seismiske instrumenter, både de som er vist i utstillingen og en del andre.

Hvordan virker et seismometer

Seismometret sammen med enheten som registrerer signalet kaller vi en seismograf. Seismometret fanger opp jordens vibrasjoner og omformer dem til et signal som kan registreres. Moderne seismografer kan måle bevegelser på under en nm (en milliontedels millimeter).

Virkemåte: Når jordoverflaten beveger seg hurtig, vil massen holde seg i ro på grunn av treghet i fjæren, og vi vil få et utslag på skalaen til høyre. Dette er prinsippet i den mekaniske seismografen. Seismografen på denne figuren måler jordens vertikale bevegelse. I nyere seismometre vil det være en elektrisk spole rundt massen, som er magnetisk, slik at et elektrisk signal vil bli generert når massen beveger seg.

Horisontal bevegelse

Jordskjelv genererer både vertikale og horisontale bevegelser. For å måle en horisontal bevegelse må man ha en masse som kan svinge i horisontalplanet.

En enkel horisontal pendel. Når jorden beveger seg til høyre vil pendelen svinge til venstre og jordens bevegelse avtegnes på papiret som beveger seg ned. Pendlet kan svinge i flere retninger, og må ha et meget langt oppheng for å svinge ved lave frekvenser. For å unngå dette, brukes en opphengt pendel eller en invertert pendel (se neste figurer).

Invertert pendel. Massen kan svinge i alle retninger i horisontalplanet. Dette er prinsippet i Wiechert- seismografen brukt i Bergen fra 1921 til 1968, se figur nedenfor.

Wiechert seismografen. Massens horisontale bevegelse fanges opp av to armer som ved hjelp av et mekanisk stangsystem forsterker bevegelsen og registrerer den på 2 roterende papirtromler (R). Seismografen kan registrere horisontale bevegelser i nord-syd og øst-vest retninger samtidig.

Opphengt pendel. Massen svinger horisontalt i kun én retning. Den henger på skrå for å få den til å svinge langsommere (som en dør som henger skjevt). Dette prinsippet er brukt i Bosch-seismografen.

Moderne seismiske sensorer

I nye sensorer beveger massen seg nesten ikke. Massen er opphengt i en fjær. Avvik i massens posisjon fra midtstilling måles med en avstandsmåler. Så snart massen forsøker å bevege seg, vil avstandsmåleren sende en strøm gjennom spolen som vil motvirke bevegelsen slik at massen forblir i ro. Jo større kraft på massen, jo større strøm. Strømmens størrelse vil derfor være et mål for jordbevegelsen (helt korrekt: jordens akselerasjon). Slike instrumenter kan bygges kompakte og meget følsomme og kalles akselerometre. De brukes til mange andre ting, som for eksempel til å utløse kollisjonsputer i biler.

Akselerometer på en elektronisk chip. Avstandsmåleren er en kondensator ("Capacitor plate"), fjæren er en torsjonsfjær ("Torsion bar") og massen er øverste kondensatorplate ("Upper, Mobile Capacitor Plate"). Chippen er 2x2 mm.

Målefrekvenser

Seismometre måler signaler med frekvenser mellom 0.001 Hz og 100 Hz Det er relativt enkelt å lage seismometre som måler høye frekvenser > 0.1 Hz (kortperiodisk seismometer) Seismometre som måler lave frekvenser (< 0.1 Hz) er vanskeligere å lage (langperiodisk seismometer) Moderne (og kostbare) seismometre måler både lave og høye frekvenser (bredbåndsseismometer). Teknisk er de basert på prinsippet for akselerometre.

Registrering av seismisk signaler

Sensoren genererer et signal. På de eldste seismografer ble dette registrert mekanisk. I alle moderne seismografer gir sensoren et elektrisk signal som kan bli registrert på ulike måter. En registrering på papir, som normalt varer 24 timer, kalles et seismogram.

Optisk registrering. Det elektriske signalet sendes til et galvanometer med et speil. En lysstråle reflekteres fra speilet og registreres på en trommel med lysfølsomt papir. Brukt fra tidlig 1900 inntil for noen få år siden.

Penn-registrering. I stedet for en "lysstråle"-penn brukes en elektrisk drevet penn som også registrerer på papir på en roterende trommel. Pennen kan bruke blekk, risse i sotpapir, eller bruke varme og skrive på varmefølsomt papir. Har blitt brukt siden 1950-årene.

Digital registrering. I dag bruker nesten alle seismografer digital registrering. Det elektriske signalet omformes til et digitalt signal som kan registreres med en datamaskin.

Optisk registrering. Det elektriske signalet sendes til et galvanometer med et speil (H). En lysstråle (L) reflekteres fra speilet (H) og registreres på en trommel med optisk papir (R). Foran trommelen er det en linse (E) som fokuserer strålen.

Penn-registrering av seismiske signaler. Signalet fra seismometeret forsterkes og sendes til registreringstrommelen. Tidssignalet fra en GPS (Global Positioning System) mottaker brukes til å generere minutt- og timepulser ("Tidsmerkegenerator") som registreres sammen med signalet. Før tidssignaler var tilgjengelige på radio, ble tidspulsene generert av en mekanisk klokke.

Analog til digital omformer. Det elektriske inngangssignalet er kontinuerlig, med andre ord, vi kjenner størrelsen (amplituden) på signalet til enhver tid. Analog til digital omformeren (AD) måler amplituden med konstante tidsintervaller (?t) og gir ut verdiene for amplituden som en sekvens av tall. Tallverdiene leses så av datamaskinen. For seismiske signaler er det vanlig å lese av amplituden 100 ganger i sekundet. For digital musikk på CD-plater har vi ca 44 000 avlesninger per sekund.

Digital seismisk stasjon. Signalet sendes til analog til digital omformeren som konverterer signalet til et digitalt signal som overføres til en datamaskin, hvor det så registreres og lagres. Herfra kan signalet sendes via Internett til et sentralt datasenter.