Sismógrafo

Antecedentes

Los sismógrafos son instrumentos diseñados para detectar y medir vibraciones dentro de la tierra, y los registros que producen se conocen como sismogramas. Como muchos otros términos que comienzan con este prefijo, estas palabras derivan del griego seismos, que significa "choque" o "terremoto". Aunque se utilizan ciertos tipos de sismógrafos para levantamientos subterráneos, los dispositivos son más conocidos para estudiar terremotos.

Un sismógrafo consiste en un péndulo montado sobre una base de soporte. El péndulo, a su vez, está conectado a un registrador, como un bolígrafo de tinta. Cuando el suelo vibra, el péndulo permanece quieto mientras la grabadora se mueve, creando así un registro del movimiento de la tierra. Un sismógrafo típico contiene 3 péndulos:uno para registrar el movimiento vertical y dos para registrar el movimiento horizontal.

Los sismógrafos evolucionaron a partir de sismoscopios, que pueden detectar la dirección de temblores o terremotos, pero no pueden determinar la intensidad o el patrón de vibración. El primer dispositivo conocido utilizado para detectar terremotos fue creado por un erudito chino, Chang Heng, alrededor del año 132 d.C. Los relatos detallados revelan que era un aparato hermoso e ingenioso que consistía en un cilindro de cobre ricamente decorado con ocho cabezas de dragón colocadas alrededor de su circunferencia superior. mirando hacia afuera. Fijadas alrededor de la circunferencia inferior, directamente debajo de las cabezas de dragón, había ocho ranas de cobre. En su boca, cada dragón sostenía una pequeña bola que cayó en la boca de la rana debajo de él cuando una varilla dentro del cilindro, flexible y pesada en su extremo superior, fue provocada por un terremoto. La rana en particular que capturó una bola caída indicó la dirección general del terremoto.

Durante más de mil setecientos años, el estudio de los terremotos dependió de instrumentos imprecisos como el de Chang Heng. A lo largo de los siglos, se construyó una amplia variedad de sismoscopios, muchos de los cuales se basaron en la detección de ondas en un charco de agua o mercurio líquido. Uno de esos dispositivos, similar al mecanismo de la rana y el dragón, presentaba un plato poco profundo de mercurio que se derramaba en pequeños platos colocados a su alrededor cuando se producía un temblor. Otro tipo de sismoscopio, desarrollado durante el siglo XVIII, consistía en un péndulo suspendido del techo y sujeto a un puntero que arrastraba en una bandeja de arena fina, moviéndose cuando las vibraciones balanceaban el péndulo. Durante el siglo XIX se construyó el primer sismómetro; utilizó varios tipos de péndulos para medir el tamaño de las vibraciones subterráneas.

El primer sismógrafo verdadero pudo haber sido un mecanismo complejo diseñado por el científico italiano Luigi Palmieri en 1855. Esta máquina usaba tubos llenos de mercurio y equipados con contactos eléctricos y flotadores. Cuando los temblores perturbaron el mercurio, los contactos eléctricos detuvieron simultáneamente un reloj y activaron un dispositivo que registraba los movimientos de los flotadores, indicando aproximadamente tanto el tiempo como la intensidad del terremoto. Los primeros sismógrafos precisos fueron desarrollados en Japón en 1880 por el geólogo británico John Milne, a menudo conocido como el padre de la sismología. Junto con sus compañeros científicos expatriados James Alfred Ewing y Thomas Gray, Milne inventó muchos dispositivos sismológicos diferentes, uno de los cuales fue el sismógrafo de péndulo horizontal. Este sofisticado instrumento consistía en una varilla con peso que, al ser perturbada por temblores, movía una placa rajada. El movimiento de la placa permitió que una luz reflejada brillara a través de la rendija, así como a través de otra rendija estacionaria debajo de ella. Al caer sobre papel sensible a la luz, la luz inscribió un registro del temblor. Hoy en día, la mayoría de los sismógrafos todavía se basan en los diseños básicos introducidos por Milne y sus asociados, y los científicos continúan evaluando los temblores mediante el estudio del movimiento de la tierra en relación con el movimiento de un péndulo.

El primer sismógrafo electromagnético fue inventado en 1906 por un príncipe ruso, Boris Golitsyn, quien adaptó el principio de inducción electromagnética desarrollado por el físico inglés Michael Faraday durante el siglo XIX. La ley de inducción de Faraday postuló que los cambios en la intensidad magnética podrían usarse para generar corrientes eléctricas. Incorporando este precepto, Golitsyn construyó una máquina en la que los temblores hacen que una bobina se mueva a través de campos magnéticos, produciendo así una corriente eléctrica que se alimenta a un galvanómetro, un dispositivo que mide y dirige la corriente. La corriente entonces fluctúa en un espejo similar al que dirigía la luz en el aparato de Milne. La ventaja de este sistema electrónico es que el registrador se puede instalar en un lugar conveniente, como un laboratorio, mientras que el sismógrafo en sí se puede instalar en una ubicación remota.

Durante el siglo XX, el Programa de Detección de Pruebas Nucleares ha hecho posible la sismología moderna. A pesar del peligro real de los terremotos, la sismología no pudo controlar una gran cantidad de sismógrafos hasta que la amenaza de explosiones nucleares subterráneas impulsó el establecimiento de la Red Mundial de Sismógrafos Estandarizados (WWSSN) en 1960. La Red instaló 120 sismógrafos en 60 países, y, bajo sus auspicios, los sismógrafos se volvieron mucho más sofisticados. Desarrollado después de la Segunda Guerra Mundial, el sismógrafo Press-Ewing permitió a los investigadores registrar las llamadas ondas sísmicas de período largo, vibraciones que viajan largas distancias a velocidades relativamente lentas. Este sismógrafo usa un péndulo como el usado en el modelo de Milne, pero reemplaza el pivote que sostiene la varilla con un alambre elástico para reducir la fricción. Otras innovaciones de la posguerra incluyeron relojes atómicos para hacer los tiempos más precisos y lecturas digitales que podrían introducirse en una computadora. Sin embargo, el más importante Este diagrama de flujo muestra los pasos involucrados en la fabricación e instalación del sismógrafo. El principal material utilizado es el aluminio, seguido de los equipos eléctricos normales compuestos de cobre, acero, vidrio y plástico. La unidad básica consta de un péndulo dentro de un contenedor hermético que se sujeta mediante una bisagra y un cable (para unidades horizontales) o un resorte (para unidades verticales) a un marco de soporte firmemente asentado en el suelo. El desarrollo durante los tiempos modernos ha sido la implementación de matrices de sismógrafos. Estas matrices, algunas de las cuales constan de cientos de sismógrafos, están vinculadas a un solo registrador central. Al comparar los sismogramas discretos producidos por varias estaciones, los investigadores pueden determinar el epicentro del terremoto (el punto en la superficie de la tierra directamente sobre el origen del terremoto).

Hoy en día, se utilizan tres tipos de sismógrafos en la investigación de terremotos, cada uno con un período correspondiente a la escala de las vibraciones que medirá (el período es el tiempo que requiere un péndulo para completar una oscilación completa). Los sismógrafos de período corto se utilizan para estudiar las vibraciones primarias y secundarias, las ondas sísmicas de movimiento más rápido. Debido a que estas ondas se mueven tan rápido, el sismógrafo de período corto tarda menos de un segundo en completar una oscilación completa; también magnifica los sismogramas resultantes para que los científicos puedan percibir el patrón de los rápidos movimientos de la Tierra. Los péndulos de los sismógrafos de período largo (intermedio) suelen tardar hasta veinte segundos en oscilar y se utilizan para medir ondas de movimiento más lento, como las ondas de Love y Rayleigh, que siguen ondas primarias y secundarias. El WWSSN actualmente utiliza este tipo de instrumento. Los sismógrafos cuyos péndulos tienen períodos más largos se denominan ultralargos o banda ancha instrumentos. Los sismógrafos de banda ancha se utilizan cada vez más para desarrollar una comprensión más completa de las vibraciones globales.

Materias primas

Los componentes de un sismógrafo son estándar. El material más importante es el aluminio, seguido de los equipos eléctricos normales compuestos de cobre, acero, vidrio y plástico. Un sismógrafo moderno consta de uno o más sismómetros que miden las vibraciones de la tierra. Un sismómetro consta de un péndulo (una masa inerte) dentro de un recipiente hermético que está sujeto por una bisagra y un cable (para unidades horizontales) o un resorte (para unidades verticales) a un marco de soporte firmemente asentado en el suelo. Una o más bobinas eléctricas se unen al péndulo y se colocan dentro del campo de un imán. Incluso los movimientos minúsculos de la bobina generarán señales eléctricas que luego se alimentan a un amplificador y un filtro y se almacenan en la memoria de la computadora para su posterior impresión. Un sismógrafo menos sofisticado tendrá un espejo que ilumina el papel sensible a la luz (como en el sismógrafo de Milne), un bolígrafo que escribe con tinta de secado rápido sobre un rollo de papel, o un bolígrafo térmico que marca el papel térmico.

Diseño

La demanda de sismógrafos de terremotos no es tan alta; lo pueden satisfacer unos pocos fabricantes que diseñan sismógrafos hechos a medida para satisfacer las necesidades de investigadores particulares. Por lo tanto, si bien los componentes básicos del sismógrafo son estándar, ciertas características se pueden adaptar para cumplir propósitos específicos. Por ejemplo, alguien podría necesitar un instrumento más sensible para estudiar eventos sísmicos a miles de millas de distancia. Otro sismólogo podría seleccionar un instrumento cuyo péndulo tenga un período corto de sólo unos segundos para observar los primeros temblores de un terremoto. Para estudios subacuáticos, el sismógrafo debería ser sumergible.

El
proceso de fabricación

Elección de un sitio

• 1 Un sitio puede interesar a un sismólogo por varias razones. La más obvia es que la región es propensa a terremotos, quizás porque está adyacente a una falla o fractura en la corteza terrestre. Tales fracturas desalojan uno de los bloques de tierra adyacentes a ellas, haciendo que el bloque se desplace más alto, más bajo o horizontalmente paralelo a la falla, y dejando el área vulnerable a una mayor inestabilidad. También se podría instalar un sismógrafo en una región que actualmente no lo tiene, de modo que los sismólogos puedan recopilar datos para obtener una imagen más completa del área.
• 2 Aunque algunos sismógrafos se colocan en sótanos de universidades o museos con fines educativos, la ubicación ideal para la investigación de terremotos sería más remota. Para registrar los movimientos sísmicos de la tierra con mayor precisión, se debe colocar un sismógrafo donde el tráfico y otras vibraciones sean mínimos. En algunos casos, se puede apropiar un túnel no utilizado. Otras veces, hay una caverna subterránea natural disponible. Los investigadores sismológicos pueden incluso optar por cavar un pozo y colocar el instrumento en su interior si no existe ningún otro agujero subterráneo donde se considere deseable un sismógrafo. También es posible un sismógrafo sobre el suelo, pero debe descansar sobre una base de roca sólida.

Montaje de la unidad de sismómetro

• 3 En una fábrica especializada, los componentes del sismógrafo se ensamblan y preparan para su envío. Primero, el péndulo se une a un resorte blando (si es una unidad vertical) o un cable (si es una unidad horizontal) y se suspende dentro de un cilindro Mientras que los sismómetros horizontales contienen un péndulo unido a un cable, las unidades verticales usan un resorte en su lugar. Cuando el suelo vibra durante un terremoto, el péndulo permanece quieto mientras la grabadora se mueve, creando así un registro del movimiento de la tierra.
  Algunos registradores constan de una bobina que genera una señal eléctrica, que a su vez se almacena en la memoria de la computadora para su posterior impresión. Un sismógrafo menos sofisticado tendrá un espejo que ilumina el papel sensible a la luz, un bolígrafo que escribe con tinta de secado rápido en un rollo de papel o un bolígrafo térmico que marca el papel térmico. entre bobinas eléctricas. A continuación, las bobinas se conectan a placas de circuito impreso y se colocan dentro del cuerpo del sismógrafo. A su vez, toda la unidad se puede conectar a una grabadora de cinta de audio digital, que recibe la corriente generada por las bobinas y se transfiere a las placas de circuito. Si el equipo de registro de datos consta de un equipo más tradicional, como un rollo de papel y un bolígrafo, ahora están conectados a la unidad. Dependiendo del destino final, el sismógrafo es enviado por camión o avión en una caja acolchada por transportistas experimentados en mover equipos electrónicos delicados.

Instalación del sismómetro

• 4 Un sismógrafo destinado a fines educativos se puede atornillar en el hormigón piso de un sótano, pero los sismógrafos de investigación están mejor situados lejos de las inevitables vibraciones de un edificio. Se instalan directamente sobre el lecho de roca en los casos en que se requiere una gran precisión, o en un lecho de hormigón. En ambos casos, se quita tierra y se nivela el terreno. En el segundo caso, se vierte un lecho de hormigón y se deja fraguar.
• 5 Una vez que se ha preparado la base, la unidad del sismómetro se atornilla en su lugar. En algunos casos donde se requiera una gran sensibilidad, se alojará en una bóveda donde se controle la temperatura y la humedad. La unidad de sismómetro generalmente se instala en el campo, caverna o bóveda elegidos, mientras que los amplificadores, filtros y equipo de registro se encuentran por separado.
• 6 En la sismología moderna, es típico tener varias unidades de sismómetro dispuestas a una distancia entre sí. Cada unidad de sismómetro envía señales a una ubicación central, donde los datos se pueden imprimir y estudiar. Las señales pueden transmitirse desde una antena incorporada en la unidad o, en unidades más sofisticadas, transmitirse a un satélite.

Control de calidad

Los sismógrafos están diseñados para resistir los elementos. Son resistentes al agua y al polvo, y muchos están diseñados para funcionar a pesar de las temperaturas extremas y la alta humedad, según el lugar donde se instalarán. A pesar de sus requisitos de sensibilidad y protección, se sabe que muchos sismógrafos duran 30 años. Los trabajadores de control de calidad en la fábrica verifican el diseño y el producto final para ver si cumplen con las demandas del cliente. Se comprueba la tolerancia y el ajuste de todas las piezas, y se prueba el sismógrafo para ver si funciona correctamente. Además, la mayoría de los sismógrafos tienen dispositivos de prueba incorporados para que puedan probarse después Un sismógrafo típico contiene 3 péndulos:uno para registrar el movimiento vertical y dos para registrar el movimiento horizontal. La unidad de sismómetro generalmente se instala en un campo, caverna o bóveda, mientras que los amplificadores y el equipo de grabación se alojan por separado. ser instalado y antes de ponerlo a trabajar. Los programadores informáticos calificados también prueban el software en busca de errores antes del envío. Si bien la sensibilidad y la precisión son importantes, la sincronización también es fundamental, especialmente en la predicción de terremotos. La mayoría de los sismógrafos modernos están conectados a un reloj atómico que está calibrado con el tiempo universal (antes llamado tiempo de Greenwich), lo que garantiza una información muy precisa que todos los investigadores pueden comprender.

Otro aspecto crítico del control de calidad con sismógrafos modernos es minimizar el error humano. Si bien los sismógrafos anteriores eran simples y prácticamente cualquiera podía aprender a usarlos, los sismógrafos contemporáneos son dispositivos precisos y sensibles que son complejos y difíciles de usar. Hoy en día, los investigadores y trabajadores de sismógrafos deben ser capacitados por ingenieros y científicos de la planta de fabricación si aún no son ingenieros y científicos calificados. Deben aprender a ejecutar y mantener el sismógrafo, así como todos los equipos auxiliares, como una computadora.

El futuro

La sismología es más conocida por el estudio de los terremotos. Su énfasis no se ha puesto en el estudio teórico de la estructura de la tierra, sino en predecir y disminuir el impacto de los terremotos en regiones vulnerables. El estudio del interior de la tierra se ha dirigido a la búsqueda de depósitos de petróleo, las pruebas de inestabilidad del suelo antes de la construcción y el rastreo de explosiones nucleares subterráneas. La predicción de terremotos, sin embargo, es lo más importante. Si los investigadores pueden determinar de antemano que se producirá un terremoto, se pueden programar precauciones como aumentar el personal de seguridad y del hospital. La primera predicción oficial de terremotos emitida por el gobierno de los Estados Unidos tuvo lugar recién en 1985. Por lo tanto, la predicción de terremotos está en su infancia. Grandes terremotos recientes como el que ocurrió en San Francisco en 1989 han intensificado el estudio de la falla de San Andrés. Actualmente, un equipo de sismólogos está estudiando el segmento de Parkfield de esa falla para determinar si pueden predecir un terremoto menor. Los datos de este intento podrían ser útiles para predecir grandes terremotos en áreas más densamente pobladas. Otros desarrollos incluyen sismógrafos más sensibles y más duraderos que pueden registrar ondas de períodos largos y cortos. Un científico de la tierra cree que se podría establecer un sistema de alerta de terremotos. Tal sistema requeriría un sismógrafo para captar las vibraciones, una computadora para interpretarlas como un terremoto inminente y un sistema de comunicación para advertir al personal de emergencia a tiempo. Algunos expertos imaginan grandes conjuntos de sismógrafos en áreas propensas a terremotos, donde los propietarios individuales de sismógrafos podrían recopilar y transmitir datos a los sismólogos.