Сейсмограф Вуда-Андерсона

Сейсмограф Вуда-Андерсона — это тип торсионного сейсмографа, предназначенный для регистрации горизонтальных колебаний земной коры, вызванных землетрясениями. Разработанный в начале XX века американскими сейсмологами Гарри Оскаром Вудом и Джоном Августом Андерсоном, этот прибор стал одним из первых стандартизированных инструментов в современной сейсмологии, используемых для количественной оценки магнитуды землетрясений. Сейсмограф Вуда-Андерсона лёг в основу шкалы Рихтера, которая исторически была первой шкалой магнитуд, и до сих пор применяется в калибровке сейсмических станций и в научных исследованиях.

История создания

В начале XX века сейсмология, как наука, переживала период становления. Существовавшие на тот момент сейсмографы, такие как маятниковые приборы Эрнста фон Ребер-Пашвица и Бориса Голицына, были громоздкими, сложными в настройке и не позволяли получать сопоставимые данные для разных регионов. В 1920-х годах в Калифорнийском технологическом институте (Калтех) под руководством Гарри Оскара Вуда началась работа над созданием компактного и надёжного прибора для регистрации местных землетрясений в Южной Калифорнии, где сейсмическая активность была высокой, но инструментальная база — слабой.

Вуд совместно с физиком Джоном Августом Андерсоном разработал конструкцию, основанную на принципе торсионного (крутильного) маятника. Первый прототип был собран в 1925 году. Прибор отличался от предшественников простотой, малыми габаритами и возможностью точной калибровки. В 1935 году Чарльз Рихтер, работая с данными, полученными с помощью сейсмографов Вуда-Андерсона, разработал эмпирическую шкалу магнитуд — так называемую «локальную магнитуду» (ML), которая впоследствии стала известна как шкала Рихтера. Исходно шкала была привязана к показаниям именно этого прибора, установленного на расстоянии 100 км от эпицентра.

Устройство и принцип действия

Сейсмограф Вуда-Андерсона относится к классу торсионных сейсмографов. Его ключевой элемент — горизонтальный маятник, подвешенный на тонкой упругой нити (торсионной проволоке). Маятник представляет собой лёгкую алюминиевую или стальную стрелку с грузом на конце. Вся система помещена в герметичный корпус для защиты от воздушных потоков и пыли.

Основные компоненты

1. Торсионная нить: Упругая проволока (обычно из бериллиевой бронзы или стали), которая обеспечивает возвращающую силу при отклонении маятника.
2. Маятник: Горизонтальная стрелка с грузом, которая может свободно вращаться вокруг вертикальной оси.
3. Зеркальце: Небольшое зеркало, закреплённое на маятнике, для оптической регистрации колебаний.
4. Система регистрации: В классическом варианте — фотобумага, на которую проецируется световой луч, отражённый от зеркальца. В современных модификациях используется цифровая запись (электронный датчик угла поворота).
5. Демпфер: Магнитный или жидкостный демпфер для гашения собственных колебаний маятника и предотвращения его раскачки.

Принцип работы

При горизонтальном движении грунта (например, при землетрясении) корпус сейсмографа смещается вместе с землёй, но маятник, благодаря своей инерции, остаётся неподвижным относительно инерциальной системы отсчёта. Возникает относительное движение между маятником и корпусом. Это отклонение маятника пропорционально ускорению или скорости смещения грунта в зависимости от частоты колебаний. Световой луч, отражённый от зеркальца, перемещается по фотобумаге, создавая запись — сейсмограмму. Амплитуда записи (в миллиметрах) напрямую связана с амплитудой смещения грунта.

Характеристики

• Собственный период колебаний: 0,8 секунды (стандартная настройка для шкалы Рихтера).
• Коэффициент усиления: Около 2800 (для стандартной модели при регистрации на фотобумаге).
• Диапазон рабочих частот: От 0,1 до 10 Гц (оптимально для регистрации местных землетрясений с эпицентральным расстоянием до 600 км).
• Чувствительность: Позволяет регистрировать землетрясения с магнитудой от 2,5 и выше на расстоянии 100 км.

Калибровка и шкала Рихтера

Сейсмограф Вуда-Андерсона стал эталонным инструментом для определения локальной магнитуды (ML). Чарльз Рихтер определил магнитуду как десятичный логарифм максимальной амплитуды записи (в микрометрах), полученной на стандартном сейсмографе Вуда-Андерсона на расстоянии 100 км от эпицентра. Формула имеет вид:

\[ ML = \log_{10}(A) + f(\Delta) \]

где \(A\) — максимальная амплитуда записи в миллиметрах (с учётом калибровки прибора), а \(f(\Delta)\) — поправочная функция, зависящая от эпицентрального расстояния \(\Delta\).

Для обеспечения сопоставимости данных все сейсмические станции, использующие шкалу Рихтера, должны иметь сейсмографы, идентичные по характеристикам прибору Вуда-Андерсона, или проводить математическую коррекцию своих записей. В настоящее время, когда используются цифровые широкополосные сейсмометры, данные пересчитываются в эквивалент записи сейсмографа Вуда-Андерсона с помощью специальных программных фильтров.

Применение

Сейсмограф Вуда-Андерсона применяется в следующих областях:

1. Региональная сейсмология: Регистрация местных и близких землетрясений (до 600 км от станции). Используется в сетях сейсмического мониторинга, например, в Калифорнийской сети сейсмических станций (CISN) и в системах раннего предупреждения о землетрясениях.
2. Калибровка сейсмических станций: Служит эталоном для настройки и проверки других типов сейсмометров. Многие современные цифровые станции включают в себя виртуальный канал, имитирующий отклик сейсмографа Вуда-Андерсона.
3. Научные исследования: Используется для изучения сейсмичности, определения параметров очагов землетрясений, оценки сейсмической опасности и для проверки гипотез о механизмах землетрясений.
4. Образование: Компактные и простые в эксплуатации модели сейсмографов Вуда-Андерсона используются в учебных лабораториях университетов и школ для демонстрации принципов сейсмологии.

Современное состояние

Хотя сейсмограф Вуда-Андерсона был разработан почти 100 лет назад, он не утратил своего значения. В XXI веке он используется в основном в качестве эталонного инструмента. На многих сейсмических станциях мира, особенно в Калифорнии и Японии, установлены как оригинальные механические сейсмографы Вуда-Андерсона (часто в музеях или в качестве резервного оборудования), так и их современные цифровые аналоги. В России, например, в системе сейсмического мониторинга Дальнего Востока и Камчатки, используются широкополосные сейсмометры, но данные пересчитываются в формат записи сейсмографа Вуда-Андерсона для обеспечения совместимости с историческими данными и для расчёта магнитуды по шкале Рихтера.

Интересные факты

• Первый сейсмограф Вуда-Андерсона был установлен в 1925 году в Пасадине (Калифорния) на станции Калтеха.
• Шкала Рихтера, основанная на этом приборе, изначально была разработана для местных землетрясений в Калифорнии и не подходит для измерения сильных (магнитуда > 6,5) или удалённых землетрясений.
• Сейсмограф Вуда-Андерсона является одним из немногих научных инструментов, название которого стало нарицательным (например, «сейсмограф Вуда-Андерсона» часто упоминается в учебниках как пример классического сейсмографа).
• В 2000-х годах были разработаны цифровые версии сейсмографа Вуда-Андерсона, которые используют микромеханические акселерометры (MEMS) и цифровую обработку сигналов для имитации отклика оригинального прибора.

Источники

• Л. А. Латынина, И. П. Пасечник, С. С. Сардаров. Основы сейсмологии. — М.: Наука, 1983.
• Ч. Рихтер. Элементарная сейсмология. — М.: Издательство иностранной литературы, 1963.
• К. Аки, П. Ричардс. Количественная сейсмология. Теория и методы. — М.: Мир, 1983.
• H. O. Wood, J. A. Anderson. A New Seismograph for Recording Earthquakes. — Bulletin of the Seismological Society of America, 1925, Vol. 15, No. 4.
• C. F. Richter. An Instrumental Earthquake Magnitude Scale. — Bulletin of the Seismological Society of America, 1935, Vol. 25, No. 1.
• Материалы Геофизической службы Российской академии наук (ГС РАН).