Μελέτη και κατανόηση των σεισμών και δημιουργία σεισμογράφου για εκπαιδευτική χρήση

Ερευνητική Εργασία

 

                 Ομάδα Ρομποτικής Λυκείων Αμερικανικής Γεωργικής Σχολής Θεσσαλονίκης

 

Επιβλέπων καθηγητής: Πεγιόπουλος Νικόλαος

Καθηγητής Φυσικός Δευτεροβάθμιου Προγράμματος, Αμερικανική Γεωργική Σχολή

 

Περίληψη:

 Τα σεισμικά φαινόμενα αποτελούν ένα συχνό γεγονός το οποίο έχει έναν ιδιαίτερο αντίκτυπο στην ζωή μας. Η ερευνητική μας εργασία έχει ως στόχο την πλήρη κατανόηση της επιστήμης της σεισμολογίας μέσω της κατασκευής ενός αυτοσχέδιου σεισμογράφου, για την μέτρηση σεισμών ο οποίος θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευκολα στο πλαίσιο του εργαστηρίου αλλά και της ενημέρωσης των πολιτών.

 

ΛΕΞΕΙΣ-ΚΛΕΙΔΙΑ:  Σεισμολογία, σεισμογράφος, είδη σεισμών, σεισμομετρία, σεισμικά κύματα. 

 

 

Περιεχόμενα

 

Περιεχόμενα    2

Μέρος Α: Θεωρητικό Υπόβαθρο    3

Εισαγωγή    3

Χρήσιμοι όροι    3

Φιλοσοφία, Μυθολογία και Παράδοση    3

Σεισμικά κύματα    5

ΚΥΜΑΤΑ ΧΩΡΟΥ (BODY WAVES)    5

ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΑ ΚΥΜΑΤΑ    5

Είδη Σεισμών    7

Όργανα καταγραφής σεισμών    8

Σεισμομετρία    10

    11

Κλίμακες μέτρησης των σεισμών    12

Μέρος Β:Κατασκευή Σεισμογράφου με την χρήση Lego Mindstorms    14

Πρόβλημα/Φάση 1η: Αισθανόμαστε    14

Πρόταση και τρόπος λειτουργίας/ Φάση 2η: Φανταζόμαστε    15

Περιγραφή και ανάλυση της διάταξης    15

Κατασκευή της διάταξης/ Φάση 3η: Δημιουργούμε    15

Ενημέρωση κοινού/ Φάση 4η: Μοιράζουμε    18

Πηγές πληροφόρησης:    19

Σύνδεσμοι Εικόνων    20

 

Μέρος Α: Θεωρητικό Υπόβαθρο

Εισαγωγή

Η Σεισμολογία ασχολείται με τη μελέτη των σεισμών και των εδαφικών κινήσεων, καθώς και με τη μελέτη της εσωτερικής δομής του γήινου φλοιού με βάση τις παρατηρήσεις ελαστικών κυμάτων που προκαλούνται από σεισμούς και εκρήξεις[20]. Η μελέτη αυτή επιτυγχάνεται με την χρήση δικτύων σεισμογράφων αλλά και την χρήση εξειδικευμένης κλίμακας για την μελέτη της έντασης των προαναφερθέντων φαινομένων. Άρρηκτα συνδεδεμένη με την σεισμολογία είναι και η πολιτική προστασία που υπαγορεύει ένα πλάνο δράσης καθώς επίσης και κανόνες σωστής και υπεύθυνης συμπεριφοράς για την προστασία των πολιτών πριν, κατά την διάρκεια αλλά και μετά από σεισμούς. 

 

Χρήσιμοι όροι

Παρατίθενται οι ορισμοί όρων των οποίων η χρήση θα καταστεί απαραίτητη παρακάτω.

 

Εστία σεισμού: ο χώρος στον οποίο δημιουργείται η διαταραχή της μηχανικής ισορροπίας των πετρωμάτων από την οποία προκαλείται ο σεισμός. 

Επίκεντρο: το σημείο τομής της κατακόρυφου που ορίζει η εστία του σεισμού με την επιφάνεια της γης

Εστιακό βάθος: η απόσταση της εστίας και του επίκεντρου

Το ρήγμα: αποτελεί μία διάρρηξη (σπάσιμο) στο φλοιό της Γης, κατά μήκος της οποίας μπορεί να αναγνωριστεί κίνηση των εκατέρωθεν τεμαχών. 

Λιθόσφαιρα: το εξωτερικό και άκαμπτο κέλυφος που καλύπτει τον σφαιρικό μανδύα της γης. Έχει μέσο πάχος 80Km. Συνίσταται από τον φλοιό και το ανώτερο τμήμα του μανδύα.

Λιθοσφαιρικές πλάκες: συμπαγή και άκαμπτα τμήματα μεγάλου μεγέθους που αποτελούν την λιθόσφαιρα

[11,12,14,18]

Φιλοσοφία, Μυθολογία και Παράδοση 

 Η Σεισμολογία έχει μακρά ιστορία, όσο και η φιλοσοφία, αφού οι μακροσεισμικές παρατηρήσεις και οι πρώτες ιδέες για τα αίτια γένεσης των σεισμών άρχισαν τον 6ο π.Χ. αιώνα από τους έλληνες φυσιοκράτες φιλοσόφους, οι οποίοι διατύπωσαν και τις πρώτες φιλοσοφικές ιδέες. [21]

 

Κατά την Σκανδιναβική παράδοση οι σεισμοί οφείλονται σε κινήσεις που πραγματοποιούσε ο θεός Loki για να αποφύγει το δηλητήριο που έσταζε στο πρόσωπό του το ερπετο που κλήθηκε να τον τιμωρήσει για την δολοφονία του αδελφού του Baldur. Στο Περού η παράδοση αποδίδει τους σεισμούς στα βήματα του θεού όταν εκείνος επισκέπτεται την Γη για να καταμετρήσει τους ανθρώπους που κατοικούν στην Γη. Στην Μοζαμβίκη πιστεύονταν πως οι σεισμοί είναι τα συμπτώματα που εκδηλώνει η Γη ως ζωντανός οργανισμός όταν ασθενεί. Τέλος, στην Νέα Ζηλανδία οι σεισμοί αποδίδονταν στην κυοφορία του θεού Tuli από την μητέρας Γη και τις άτακτες κινήσεις του βρέφους [7]

 

 Στην Ελλαδα πίστευαν οτι  οι σεισμοί προκαλούνταν από τον γίγαντα Εγκέλαδο και τον θεό Ποσειδώνα .Ήταν λοιπόν φυσικό ότι λάτρευαν τον Ποσειδώνα στις σεισμόπληκτες πόλεις με το όνομα: Σεισίχθων, Ελλελίχων.  Από την άλλη ο Εγκέλαδος φιλοδοξούσε να έχει εξουσία στην θάλασσα όμως η θεά Αθηνά τον έριξε στο νησί της Σικελίας όπου και έμεινε θαμμένος. Κατά καιρούς προσπαθώντας να απελευθερωθεί ο Εγκέλαδος κινείται και προκαλεί τους σεισμούς [1,4,19]. 

 

 

Οι Έλληνες φιλόσοφοι προσπάθησαν να εξηγήσουν επιστημονικά και ορθολογικά τα σεισμικά φαινόμενα ως φυσικά φαινόμενα εντοπίζοντας τις αιτίες τους σε διαφορετικούς πολλές φορές μηχανισμούς.

•  ΘΑΛΗΣ: Πίστευε οτι η γη είναι επίπεδη και πλέει μέσα στον ωκεανό.Όταν ο ωκεανός είναι ταραγμένος τότε ταλαντεύεται η γη και γίνονται σεισμοί  

•  ΑΝΑΞΙΜΕΝΗΣ: θεωρούσε σαν αιτία των σεισμών τον αέρα που εισψωρούσε με βία στα χάσματα της γης και προκαλούν τις σεισμικές δονήσεις  

•  ΑΝΑΞΑΓΟΡΑΣ: υποστήριξε ότι αέρας εγκλωβισμένος κάτω από την επιφάνεια της Γης την πίεζε ώστε να απελευθερωθεί προς τον ουρανό.

• ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ: Υποστήριζε ότι υπάρχουν τεράστια υπόγεια σπήλαια που πλημμυρίζουν μετα από έντονες βροχές.Αυτά στη συνέχεια ξεχειλίζουν πιέζοντας την επιφάνεις της γης στην οποία προκαλούν ρωγμές [22]

 Σημαντική ήταν η συνεισφορά του Ποσειδώνιου ο οποίος έκανε αναφορά στις σεισμικές ζώνες και πραγματοποίησε παρατηρήσεις σχετικά με τους σεισμούς και τα φαινόμενα που πολλές φορές τους ακολουθούν. Ο Ποσειδώνιος κατέγραψε τον σεισμό που συνέβη το έτος 227 π.Χ στην Ρόδο και φέρεται να κατέστρεψε τον Κολοσσό. Σημαντική θεωρείται, ακόμη, η συνεισφορά του Αριστοτέλη το έργο του οποίου στηρίχθηκε σε παρατηρησιακά δεδομένα. Ο ίδος διέκρινε τους σεισμούς σε σεισμούς που δημιουργούν ρωγμές και προκαλούν κατολισθήσεις (ρηγματίες), αυτούς που προκαλούν χάσματα (χασματίες), σε αυτούς που προκαλούν ανύψωση και έπειτα πτώση της επιφάνειας της Γης, σε αυτούς που προκαλούν βοή (μυκητία). Τέλος, ο Αριστοτέλης συνέδεσε τα φαινόμενα των σεισμών με της συμπεριφορά της θάλασσας αφού υποστήριξε ότι οι σεισμοί προκαλούν μεταβολές στο θαλάσσιο τοπίο και την εμφάνιση υψηλών κυμάτων [1,6].

Σεισμικά κύματα

Ως σεισμικά κύματα ορίζονται τα ελαστικά κύματα που παράγονται από φυσικά ή τεχνητά μέσα και διαδίδονται στο εσωτερικό ή την επιφάνειά της Γης. Χαρακτηρίζονται ως ελαστικά αφού η παραμόρφωση που προκαλείται στα πετρώματα είναι παροδική δηλαδή τα μόρια του υλικού επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση δηλάδη σχήμα ή μορφή αφού τους ασκηθεί μια δύναμή ανά μονάδα της επιφάνειας τους δηλαδή μια τάση. Η ταχύτητα διάδοσης των σεισμικών κυμάτων ποικίλει από πέτρωμα σε πέτρωμα αφού οι ελαστικές ιδιότητες από τις οποίες εξαρτάται διαφέρουν σε κάθε υλικό.Υπάρχουν πολλά διαφορετικά είδη σεισμικών κυμάτων, και όλα κινούνται με διαφορετικούς τρόπους. Οι δύο κύριοι τύποι κυμάτων είναι τα κύματα χώρου και τα επιφανειακά κύματα. Τα κύματα χώρου διαδίδονται προς όλες τις κατευθύνσεις στο εσωτερικό της Γης, αλλά τα επιφανειακά κύματα διαδίδονται μόνο κατά μήκος των επιφανειακών στρωμάτων της Γης. [10-14,18]

 

ΚΥΜΑΤΑ ΧΩΡΟΥ (BODY WAVES)

Διακινούμενα μέσω του εσωτερικού της γης, τα κύματα χώρου φθάνουν σε ένα σεισμολογικό σταθμό πριν από τα επιφανειακά κύματα που εκπέμπονται από το σημείο της εστίας ενός σεισμό. Επίσης αυτά τα κύματα είναι υψηλότερης συχνότητας από τα επιφάνεια κύματα.

ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΑ ΚΥΜΑΤΑ

Διακινούμενα μόνο μέσω της κρούστας της γης, τα επιφανειακά κύματα είναι χαμηλότερης συχνότητας από τα κύματα χώρου, και κατά συνέπεια διακρίνονται εύκολα στο σεισμογράφημα. Αν και φθάνουν μετά από τα κύματα χώρου, υπεύθυνα για τη ζημιά και την καταστροφή που συνδέονται με τους σεισμούς είναι σχεδόν εξ ολοκλήρου τα επιφανειακά κύματα. Αυτή η ζημία και η δύναμη των επιφανειακών κυμάτων μειώνεται στους βαθύτερους σεισμούς.

 

Από τα επιφανειακά κύματα μεγαλύτερο ενδιαφέρον για τη Σεισμολογία παρουσιάζουν τα κύματα Rayleigh και Love.Κατά τη διάδοση των κυμάτων Love, τα υλικά σημεία πραγματοποιούν ταλαντώσεις σε ευθείες παράλληλες προς το οριζόντιο επίπεδο και κάθετες προς τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος. Τα κύματα αυτά είναι κύματα οριζοντίως πολωμένα και για το λόγο γράφονται μόνο από τα οριζόντια σεισμόμετρα. Οι περίοδοι των κυμάτων Love κυμαίνονται μεταξύ 8 και 140 sec, συνήθως.

  Στη διάδοση των κυμάτων Rayleigh, τα υλικά σημεία διαγράφουν ελλείψεις οι οποίες έχουν το μέγιστο άξονα κατακόρυφο και τον ελάχιστο κατά τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος.  Η ταχύτητα διάδοσης των κυμάτων αυτών μέσα σε ομογενές μέσο είναι περίπου ίση με τα 9/10 της ταχύτητας των εγκαρσίων κυμάτων και γι’ αυτό αυτά γράφονται από τα κατακόρυφα και τα οριζόντια σεισμόμετρα αμέσως μετά τα εγκάρσια κύματα.[20]

 

Εικ 1. Τρόπος διάδοσης κυμάτων S και P (πηγή εικόνας: http://physics4u.gr)

Πίνακας 1. Ταχύτητα κυμάτων σε διαφορετικά πετρώματα

 

Είδη Σεισμών 

Οι σεισμοί δημιουργούνται στην λιθόσφαιρα ενώ το μέγιστο εστιακό βάθος που έχει υπολογιστεί φτάνει τα 720km [14]. Οι αιτίες αλλά και ο τρόπος εκδήλωσης των σεισμών ποικίλει. Οι σεισμοί μπορούν να καταταχθούν σε κατηγορίες με βάση τα αίτια γέννησης τους και με βάση το εστιακό τους βάθος. 

 

Με βάση τα αίτια γέννησής τους οι σεισμοί διακρίνονται σε τεκτονικούς, ηφαιστειογενείς και εγκατακρημνισιγενείς.Οι τεκτονικοί σεισμοί αποτελούν το μεγαλύτερο ποσοστό των σεισμών και προκαλούνται λόγω της κίνησης των λιθοσφαιρικών ή τεκτονικών πλακών που καλύπτουν τον μανδύα της Γης ή “πλεουν” πάνω σε αυτόν . Η δράση των δυνάμεων συμπίεσης και εφελκυσμού που αναπτύσσονται κατά την κίνηση των πλακών προκαλούν θραύση των πετρωμάτων και την δημιουργία των τεκτονικών σεισμών. Οι ηφαιστειογενείς σεισμοί  συνοδεύουν ή προηγούνται από τις ηφαιστειακές εκρήξεις και αποτελούν το 7% των σεισμών που συμβαίνουν ανά έτος στη Γη. Κατά την άνοδο του μάγματος ελευθερώνονται αέρια. Αυτά λόγω χημικών αντιδράσεων παράγουν νέα αέρια που ασκούν πιέσεις στα πετρώματα και παράγουν τις πρόδρομες δονήσεις των ηφαιστειακών εκρήξεων.Οι εγκατακρημνισιγενείς σεισμοί είναι οι δονήσεις που παράγονται κατά την κατακρήμνιση σπηλαίων που βρίσκονται κοντά στην επιφάνεια της Γης. Αυτά σχηματίζονται με την δράση του νερού, ιδίως όταν τα πετρώματα είναι ασβεστολιθικά.Ο μηχανισμός που γεννά τους σεισμούς αυτούς δεν είναι γνωστός ακόμα. [24]

 

Με βάση το εστιακό τους βάθος οι σεισμοί δύναται να διακριθούν σε επιφανειακούς, σεισμούς ενδιάμεσου βάθους και σεισμούς μεγάλου βάθους. Οι επιφανειακοί σεισμοί έχουν εστιακό βάθος μικρότερο των 60km. Το εστιακό βάθος των σεισμών ενδιάμεσου βάθους κυμαίνεται μεταξύ 60km και 300km. Τέλος το εστιακό βάθος των σεισμών μεγάλου βάθους ξεπερνά τα 300km [12-14]

Όργανα καταγραφής σεισμών

Οι παρατηρήσεις που πραγματοποιούνταν στο παρελθόν προσπαθούσαν να αξιολογήσουν την ένταση των σεισμών με βάση τις συνέπειες που αυτοί είχαν δηλαδή με βάση τις καταστροφές που προκαλούσαν. Ο Κινέζος φιλόσοφος Zhang Heng (78-139 πΧ) υπήρξε πρωτοπόρος στην προσπάθεια κατασκευής μιας συσκευής καταγραφής των σεισμών. Ο σεισμογράφος του Zhang κατέγραφε και την κατεύθυνση των σεισμών με βάση τις 8 κυριότερες κατευθύνσεις (νότια, δυτικά, νοτιοδυτικά,κτλ). Ο σεισμογράφος του Zhang ήταν ένα δοχείο ύψους 1,8 μέτρων με 8 δράκους στην εξωτερική του επιφάνεια και έναν μηχανισμό με εκκρεμές που επέτρεπε μια σφαίρα μικρών διαστάσεων να εξέλθει από το στόμα του δράκου που ταυτίζονταν με την διεύθυνση του σεισμού [1,8].

 

Τα σύγχρονα όργανα καταγραφής των σεισμών βασίζουν την λειτουργία τους στις τρεις κινήσεις που παρατηρούνται κατά την διάρκεια ενός σεισμού τη μετάθεση, την περιστροφή κοντά στην εστία του σεισμού και την παραμόρφωση. 

 

Όργανα για την μέτρηση της παραμόρφωσης είναι τα παραμορφωσιόμετρα. Τα παραμορφωσιόμετρα μετρούν την παραμόρφωση του εδάφους που προκαλείται όταν τα σεισμικά διέρχονται από την θέση των οργάνων.

 

Όργανα για την μέτρηση της μετάθεσης είναι τα σεισμοσκόπια, οι σεισμογράφοι και τα σεισμόμετρα και είναι διαθέσιμα σε όλους τους σταθμούς. 

 

Τα σεισμοσκόπια είναι όργανα που απλά σημειώνουν την γένεση των σεισμών και αναγράφουν την κίνηση πάνω σε αιθαλωμένη ή μη πλάκα ή χαρτί. .Πρόκειται για μία μάζα που βρίσκεται σε ασταθή ισορροπία. Η ανατροπή της από σεισμό βάζει σε λειτουργία κάποιο κουδουνάκι. Στα πιο «εξελιγμένα» η ανατροπή της μάζας μέσω κάποιας συνδεσμολογίας σταματάει ή θέτει σε λειτουργία χρονόμετρο. Τα σεισμοσκόπια αυτά πλέον της καταγραφής της κίνησης δίνουν πληροφορία για τον χρόνο άφιξης του σεισμού στο μέρος λειτουργίας του οργάνου. [23]

 

Οι σεισμογράφοι επιτυγχάνουν επαρκή ακρίβεια στην καταγραφή των σεισμών τους οποίους αποδίδουν με την μορφή σεισμογραφηφάτων σε ταινίες ή σε φωτογραφικές ταινίες (εικ 2). Οι σεισμογράφοι αποτελούνται από ένα εκκρεμές, το σύστημα μεγέθυνσης και το σύστημα καταγραφής. Το εκκρεμές του σεισμογράφου επηρεάζεται άμεσα από την κίνηση του εδάφους που προκαλείται από τον σεισμό. Μια γραφίδα είναι συνδεδεμένη με την μάζα του εκκρεμούς και με ένα σύστημα μοχλών που συμβάλλουν στην μεγέθυνση της κίνησης. Κρίνεται θεμιτό η μάζα του εκκρεμούς να έχει μεγάλη μάζα ώστε να υπερνικούνται οι δυνάμεις τριβής που αναπτύσσονται μεταξύ της γραφίδας και της ταινίας όπου αναγράφεται η κίνηση. Η ταινία καταγραφής είναι ως επί το πλείστον τυλιγμένη γύρω από κύλινδρο που ονομάζεται τύμπανο που κινείται έχοντας σταθερή γωνιακή ταχύτητα (ω) στην στροφική κίνησή του γύρω από τον άξονα του. Η ταινία μετακινείται και κατά μήκος της διεύθυνσης του άξονα του κυλίνδρου. Όταν σχηματίζεται ευθεία γραμμή στην ταινία από την γραφίδα σημαίνει ότι τα σημεία έχουν μετάθεση 0 δηλαδή βρίσκονται σε ηρεμία δηλαδή δεν υφίσταται σεισμός. Για τον πλήρη προσδιορισμό ενός σεισμού απαιτείται η χρήση τριών σεισμογράφων εκ των οποίων ένας καθορίζει την κατακόρυφη συνιστώσα της κίνησης και οι άλλοι δύο υπογράφουν την οριζόντια [1,15].

 Οι πρώτοι σεισμογράφοι κατασκευάστηκαν στην Ιαπωνία από τους Άγγλους Cray, Milne και Ewing περί το 1880 (μηχανικοί σεισμογράφοι και κατέγραφαν πάνω σε αιθαλωμένο γυαλί). Η πρώτη αναγραφή μακρινού σεισμού έγινε τυχαία το 1889 στο Potsdam από οριζόντιο αυτογραφικό εκκρεμές τύπου Rebeur-Paschwitz. Αυτή οφειλόταν σε σεισμό της Ιαπωνίας, που έγινε σε απόσταση 9000 Km περίπου από το σημείο αναγραφής.[22]

Εικ. 2. Δείγμα σεισμογραφήματος όπου αναγράφεται η άφιξη των κυμάτων P και των S (πηγή είκόνας: http://www.geo.auth.gr)

 

Τέλος, τα σεισμόμετρα καταγράφουν με σημαντική ακρίβεια στην καταγραφή σεισμών με την δημιουργία σεισμογραμμάτων. Τα σεισμόμετρα λειτουργούν με την χρήση εκκρεμούς όμως διαθέτουν σύστημα απόσβεσης ώστε να αποσβεστεί η αιώρηση του εκκρεμούς για τον λόγο αυτό επιτυγχάνεται η καλύτερη ακρίβεια. Η απόσβεση διακρίνεται σε τρεις κατηγορίες: την ασθενή, την κρίσιμη και την ισχυρή με τις οποίες μειώνεται στο ελάχιστο ο χρόνος απόσβεσης αλλά και επιτυγχάνεται και μεγάλη μεγέθυνση. 

 

Διακρίνουμε πέντε είδη σεισμομέτρων τα μηχανικής αναγραφής, τα οπτικής, τα ηλεκτρομαγνητικά (κινούμενου πηνίου και μεταβαλλόμενης μαγνητικής αντίστασης), ηλεκτροστατικού τύπου και τα ψηφιακά συστήματα. Ειδική κατηγορία των σεισμομέτρων αποτελούν οι επιταχυνσιογράφοι που λειτουργούν στην αρχή του σεισμού αφού διεγερθούν από αυτόν και καταγράφουν την επιβαλλόμενη από τον σεισμό επιτάχυνση [1,14, 15]

Σεισμομετρία

Για την μέτρηση των ιδιοτήτων των σεισμών χρησιμοποιούμε τα σεισμογράμματα. Κατά την διεύθυνση του οριζόντιου άξονα παριστάνεται ο χρόνος ή η περίοδος. Τον χρόνο αυτό τον γνωρίζουμε καθώς το χρονόμετρο του συστήματος κάνει μια μεγάλη παύση στην ταινία κάθε ακέραια ώρα. Ακόμη, η γραφίδα εκτρέπεται κάθε λεπτό από την θέση ισορροπίας. Κατά την διεύθυνση του κατακόρυφου άξονα παριστάνεται η μετάθεση, η ταχύτητα ή η επιτάχυνση και έτσι περιγράφεται η κίνηση του εδάφους κατά τον σεισμό. Με την χρήση των σεισμογραμμάτων είναι δυνατός ο προσδιορισμός της επίκεντρου, του εστιακού βάθους και του μεγέθους του σεισμού. 

 

Για τον υπολογισμό του χρόνου άφιξης των κυμάτων χώρου γίνεται παρατήρηση του σεισμογράματος και σημείωση της θέσης έναρξης άφιξης κυμάτων που αντιστοιχεί με την τιμή του χρόνου όπως καταδεικνύεται και στην εικόνα 2 με τις σημειώσεις S και P. 

 

Για τον υπολογισμό του μέγιστου πλάτους χρειάζεται η μέτρηση της απόστασης του σημείου με το μέγιστο ύψος πάνω στην ταινία από την θέση ισορροπίας της γραφίδας. Για τον ακριβή υπολογισμό της αντίστοιχης περιόδου απαιτείται η δημιουργία και χρήση του φάσματος της σεισμικής κίνησης διότι η κίνηση του σεισμού δεν συνιστά περιοδική συνάρτηση του χρόνου. 

 

Για τον υπολογισμό της περιόδου μπορεί να βρεθεί ο χρόνος που χρειάζεται για να ολοκληρωθεί μια πλήρης ταλάντωση παραδείγματος χάριν βρίσκοντας την τιμή του χρόνου (στην κλίμακα του οριζόντιου άξονα) που αντιστοιχεί μεταξύ δύο διαδοχικών μεγίστων. 

 

Με την χρήση τριών σεισμομέτρων (ένα στην κατακόρυφη διεύθυνση και δύο στην οριζόντια) κρίνεται δυνατός ο προσδιορισμός του διανύσματος της κίνησης του εδάφους για κάθε στιγμή κατά την διάρκεια του σεισμού. Γνωρίζοντας το διάνυσμα της κίνησης αυτής καθίσταται δυνατή η δημιουργία τροχιάς του εδάφους δηλαδή του διαγράμματος κίνησης υλικού σημείου. Η διαδικασία δημιουργίας της τροχιάς χρειάζεται να γίνει ψηφιοποίηση των δύο σεισμογραφημάτων των δύο οριζόντιων σεισμομέτρων ώστε οι μετρήσεις να αντιστοιχούν στα ίδια χρονικά διαστήματα. Έπειτα, γίνεται κατασκευή δύο κατακόρυφων αξόνων (Βορρά-Νότου και Ανατολής-Δύσης) και μέτρηση των πλατών του κύματος στην κάθε διεύθυνση για κοινές χρονικές στιγμές. Τέλος, τα διαδοχικά σημεία ενώνονται με ευθύγραμμα τμήματα.

 

Για τον προσδιορισμό του τοπικού μεγέθους του σεισμού μπορεί να πραγματοποιηθεί μέτρηση σε σεισμόγραμμα που θα συνοδευτεί από την χρήση νομογράμματος. Γίνεται μέτρηση του μέγιστου πλάτους και της διαφοράς του χρόνου άφιξης των κυμάτων S και των κυμάτων P. Στην συνέχεια γίνεται αντιστοίχιση των τιμών αυτών στους κατάλληλους άξονες του νομογράμματος. Τέλος, φέρουμε την ευθεία που συνδέει τις δύο τιμές. Το σημείο τομής της ευθείας με τον μεσαίο άξονα του νομογράμματος μας δίνει την τιμή του μεγέθους του σεισμού (εικ 3).

 

Εικόνα 3. Υπολογισμός μεγέθους σεισμού με την μέτρηση πλάτους και S-P και την χρήση νομογράμματος. (πηγή: http://lyk-filiatr.mes.sch.gr/)

 

 

 

Κλίμακες μέτρησης των σεισμών

Σύμφωνα με τον οργανισμό αντισεισμικού σχεδιασμού και προστασίας ως μέγεθος σεισμού ορίζεται «το συνολικό ποσό ενέργεια που εκλύεται από την εστία κατά την διάρκεια της σεισμικής δόνησης» [16]. Το μέγεθος αυτό δύναται να υπολογιστεί με την χρήση διαφορετικών ιδιοτήτων του σεισμού όπως το πλάτος, η διάρκεια ή η περίοδος μέσω της χρήσης των σεισμογρμμάτων. 

 

Για την μέτρηση του μεγέθους των σεισμών έχει δημιουργεί πληθώρα διαφορετικών κλιμάκων. Η πρώτη κλίμακα που δημιουργήθηκε ήταν η κλίμακα Richter από τον Αμερικανό Charles Francis Richter και τον Γερμανό Beno Gutenberg το 1935. Πρόκειται για κλίμακα τοπικού μεγέθους MLπου στηρίζεται στις μετρήσεις πλάτους κυμάτων που προέρχονται από τοπικούς σεισμούς με περίοδο ≅1s [1]. 

 

Η κλίμακα Richter είναι μία λογαριθμική κλίμακα. Αυτό σημαίνει ότι αύξηση του μεγέθους του σεισμού κατά μια ακέραια μονάδα της κλίμακας Richter αντιστοιχεί σε παραγωγή ενέργειας 31.5 φορές μεγαλύτερης και σε διπλασιασμό του πλάτους των σεισμικών σεισμικών ταλαντώσεων όπως αυτό καταγράφεται από σεισμογράφο Wood-Anderson (σεισμογράφος με εκκρεμές βολφραμίου). Σήμερα, ως ελάχιστο μέγεθος καταγραφόμενης δόνησης ορίζεται στα -1.5 Richter αν και κατά την δημιουργία της κλίμακας θεωρούνταν στα 0 Richter. Τέλος, ανάλογα με το μέγεθός τους στην κλίμακα Richter οι σεισμοί διακρίνονται σε μικροί, ελαφροί, ενδιάμεσοι, ισχυροί, μεγάλοι, πολύ μεγάλοι και γιγάντιοι όπως φαίνεται και στον πίνακα 2. [1,16,17]. 

 

Πίνακας 2. Χαρακτηρισμός των σεισμών με βάση το μέγεθός τους στην κλίμακα Richter.

 

 

Άλλη κλίμακα που δημιουργήθηκε ήταν η δωδεκαβάθμια κλίμακα Mercalli από τον Ιταλό Giuseppe Mercalli το 1931. Πρόκειται για κλίμακα που βασίζεται στην εμπειρία. Παρακάτω παρατίθεται αυτούσιος ο πίνακας του Οργανισμού Αντισεισμικού Σχεδιασμού και Προστασίας που περιγράφει συνοπτικά την κλίμακα Mercalli (MM) (Πίνακας 3.) [16]. 

 

 

Μέρος Β:Κατασκευή Σεισμογράφου με την χρήση  υλικών που συναντάμε στην καθημερινότητά μας.

Πρόβλημα/Φάση 1η: Αισθανόμαστε

Κατόπιν ενδελεχούς έρευνας στην βιβλιογραφία εντοπίσαμε την δυσκολία στην μέτρηση των σεισμών. Παρατηρήσαμε και στο πλαίσιο του σχολικού μας περιβάλλοντος ότι υπάρχουν συγκεχυμένες απόψεις για τα μέτρα προστασίας από σεισμούς, έλλειψη επαρκούς κατανόησης των σεισμικών φαινομένων και έλλειψη γνώσεων περί των μέτρων προστασίας σε περίπτωση σεισμού από το ευρύτερο κοινό. Αποφασίσαμε για τον λόγο αυτό να θέσουμε ως στόχο μας την κατασκευή ενός σεισμογράφου για την όσο το δυνατόν κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του από τους μαθητές αλλά από καθημερινούς ανθρώπους. Θεωρούμε σημαντικό η δημιουργία μιας κατασκευής να γίνει με υλικά προσιτά, χωρίς κόστος και εύκολα προσβάσιμα στο πλαίσιο ενός εκπαιδευτικού χώρου. Αποφασίσαμε να μη χρησιμοποιήσουμε ηλεκτρονικά μέσα (που αρχικά θέλαμε) αλλά υλικά που βρήκαμε ψάχνοντας γύρω μας. Απώτερος μας στόχος είναι η εξοικείωση του κοινού και κυρίως των μαθητών με τη φύση των σεισμικών φαινομένων και η προσέλκυση του ενδιαφέροντος των πολιτών και η ενημέρωσή τους σχετικά με τα μέτρα προστασίας. Πιστεύουμε πως μέσα από το ενδιαφέρον για την σεισμολογία και την κατανόηση των φαινομένων οι πολίτες μπορούν να αναπτύξουν πιο υπεύθυνες συμπεριφορές αφού μάθουν για τα μέτρα προστασίας όπως συνέβη και κατά την διάρκεια του εγχειρήματος για την ομάδα μας.