Seismometer

Seismometer merupakan sejenis alat yang menyukat pergerakan bumi mantel, termasuk sekali gelombang seismos yang dihasilkan oleh gempa bumi, letusan gunung berapi, dan lain-lain punca seismos. Rekod gelombang seismos membolehkan ahli-ahli seismologi untuk memetakan pedalaman Bumi, serta menentukan lokasi dan mengukur betapa besar punca-punca yang berbeza ini.

Nama "seismometer" berasal dari bahasa Yunani iaitu σεισμός, seismós, iaitu gegaran, dari kata kerja σείω, seíō, bergegar; dan μέτρον, métron, ukuran.

Seismograf ialah satu lagi istilah Yunani yang terbentuk daripada seismós dan γράφω, gráphō, melukis. Istilah ini juga sering disamakan dengan seismometer, namun lebih sesuai dengan alat-alat yang lebih besar yang mana fungsi menyukat dan mencatat pergerakan bumi adalah disatukan berbanding dengan sistem-sistem terkini yang mengasingkan fungsi-fungsi tersebut.

Kedua-dua jenis ini membekalkan rekod pergerakan bumi tanpa henti; berbeza pula dengan seismoskop yang sekadar menunjukkan bahawa berlakunya pergerakan, mungkin dengan sukatan ringkas tentang sebesar mana gegaran itu.

Prinsip asas

Seismometer inersia dilengkapi dengan tuas di dalamnya untuk memastikan pergerakan irama

• Satu beban yang lazimnya dipanggil beban dalaman yang boleh bergerak secara nisbi dengan rangka alat, tetapi terpasang pada rangka itu oleh sebuah sistem (seperti spring) yang menetapkannya pada kedudukan yang nisbi dengan rangka jika tiada gerakan, dan juga mengendurkan sebarang gerakan sebaik sahaja berhentinya gerakan rangka.
• Satu kaedah mencatat pergerakan beban yang nisbi kepada rangka, ataupun daya yang diperlukan untuk menghalangnya daripada bergerak.

Sebarang pergerakan di bumi menggerakkan rangka itu. Beban itu pula lazimnya tidak bergerak kerana inersianya. Dengan mengukur gerakan antara rangka dan beban, gerakan bumi boleh ditentukan.

Alat-alat seismometer terawal menggunakan tuas optik atau rangkaian mekanik untuk menguatkan gerakan-gerakan kecil yang terlibat, mencatat di atas kertas yang dilitupi jelaga atau kertas foto.

Alat-alat moden pula menggunakan elektronik. Dalam sesetengah sistem, beban ini ditahan hingga hampir pegun secara nisbi dengan rangka oleh sebuah gelung suap balik negatif elektronik. Gerakan beban yang nisbi dengan rangka disukat, dan gelung suap balik itu mengenakan daya magnet atau elektrostatik untuk memegunkan beban. Jumlah voltan yang diperlukan untuk menghasilkan daya ini merupakan output seismometer yang dicatatkan secara digital. Dalam sistem-sistem yang lain, beban ini dibenarkan bergerak-gerak, dan gerakannya ini menghasilkan voltan dalam lingkaran yang terpasang pada beban dan bergerak-gerak melalui medan magnet yang terpasang pada rangka. Rekabentuk ini sering digunakan dalam geofon-geofon yang digunakan dalam tinjauan seismos untuk carigali minyak dan gas.

Balai cerap seismos profesional biasanya dilengkapi alat-alatan yang menyukat tiga paksi, iaitu utara-selatan, timur-barat, dan garis tegak. Jika hanya satu paksi dapat disukat, mana ini biasanya garis tegak kerana ia kurang hingar dan memberikan rekod gelombang seismos yang lebih baik.

Yang penting sekali ialah asas stesen seismos. Lazimnya, stesen yang profesional didirikan di atas batuan dasar. Tapak yang paling sesuai adalah dalam lubang gerak yang cukup dalam untuk menghindari kesan terma, hingar bumi dan kecondongan akibat cuaca dan pasang surut. Alat-alat lain turut dipasang dalam kurungan bertebat dalam tambangan kecil buatan konkrit tanpa tetulang yang tertanam. Rod-rod dan batu-batu baur peneguh akan mengherotbenyotkan tambangan itu apabila suhu berubah. Sesebuah tapak sentiasa ditinjau untuk hingar bumi dengan pemasangan sementara sebelum menuangkan konkrit dan meletakkan pembuluhnya.

Seismoskop Cina purba

Replica ciptaan seismoskop Zhang Heng, Houfeng Didong Yi

Lihat juga: Senarai rekaan China

Pada tahun 132 M sewaktu Dinasti Han di China, lahirnya seismoskop pertama (menurut takrifan di atas) oleh seorang pencipta bernama Zhang Heng, dan diberi nama Houfeng Didong Yi ("alat mengukur angin bermusim dan gerakan Bumi"). Keterangan yang ada dari naskhah Sejarah Han Akhir, mengatakan bahawa ia sebuah bekas gangsa besar yang diameternya kira-kira 2 meter; di lapan tempat di bahagian atas letaknya kepala naga yang memegang bola gangsa. Apabila berlakunya gempa bumi, salah sebiji mulut naga menjatuhkan bolanya ke dalam katak puru gangsa di tapaknya untuk menghasilkan bunyi yang kononnya menunjukkan arah gempa bumi. Pada satu masa, mungkin ketika gempa bumi besar di Gansu pada tahun 143 M, seismoskop ini menunjukkan gempa bumi walaupun tidak terasa. Menurut naskhah yang ada itu, di dalam bekas tersebut ada sebatang tiang pusat yang boleh bergerak di sepanjang lapan runut; ini disangkakan sebagai batu ladung, tetapi tidak dapat dipastikan dengan tepat bagaimana ini berhubungan dengan mekanisme yang hanya boleh membuka sebiji mulut naga sahaja. Gempa bumi pertama sekali yang tercatat oleh alat ini kononnya berlaku di arah timur. Berhari-hari kemudian, seorang penunggang kuda dari timur melaporkan gempa bumi.

Contoh awal

Prinsip ini boleh ditunjukkan oleh sebuah seismometer tujuan khusus yang terawal, yang terdiri daripada sebatang batu ladung yang besar, dengan jejarum di bawah. Apabila bumi mulai bergegar, beban berat batu ladung ini memiliki inersia yang cukup untuk kekal pegun dalam rangka rujukan bukan bumi. Hasilnya, jejarum itu mencoret satu corak yang berpadanan dengan gerakan Bumi. Jenis seismometer gerakan kuat ini tercatat di atas kaca asap (kaca berjelaga karbon). Biarpun tidak cukup peka untuk mengesan gempa bumi dari jauh, namun alat ini mampu menunjukkan arah gelombang tekanan, sekaligus membantu mencari pusat gempa setempat – alat sedemikian berguna untuk menganalisa gempa bumi San Francisco 1906. Analisa semula lanjutan dilakukan pada 1980-an dengan catatan-catatan lama ini untuk membolehkan penentuan yang lebih jitu akan lokasi pecahan sesar awal di kaunti Marin kemaraan yang menyusulinya ke arah selatan.

Reka bentuk awal

Selepas tahun 1880, kebanyakan seismometer diturunkan daripada yang were dimajukan oleh pasukan John Milne, James Alfred Ewing dan Thomas Gray, yang bertugas di Jepun pada tahun 1880 hingga 1895. Seismometer-seismometer ini menggunakan batu ladung batu ladung mengufuk yang teredam. Selepas Perang Dunia II, teknologi ini disesuaikan dalam seismometer Press-Ewing yang laris digunakan.

Kemudian, kemudahan-kemudahan peralatan profesional untuk rangkaian seismografi piawai sedunia dilengkapi dengan satu peranggu alatan yang ditalakan agar mengayun pada 15 saat, dan satu lagi pada 90 saat, setiap set menyukat di tiga arah berlainan. Penggiat amatur atau balai cerap yang terhad kelengkapannya menalakan alat-alatnya kepada 10 saat.

Seismometer batu ladung mengufuk teredam ini mengayun seperti pintu pagar. Sebuah beban besar dipasang di atas puncak segi tiga yang panjang (dari 10 cm hingga beberapa meter) yang berengsel pada hujung menegaknya. Apabila bumi bergerak, beban itu kekal bergerak sambil mengayun-ayun "pintu" pada engsel.

Kelebihan batu ladung mengufuk adalah mampu mencapai kekerapan ayunan yang amat rendah dalam alat yang padat. "Pintu" ini condong sedikit, maka beban itu sering berbalik kepada kedudukan tengah dengan perlahan. Batu ladung ini dilaraskan (sebelum redaman dipasang) untuk mengayun sekali dalam tiga saat atau 30 saat. Peralatan kegunaan am di stesen kecil atau amatur lazimnya mengayun sekali dalam 10 saat. Seceper minyak diletakkan di bawah lengan, dan sehelai kecil logam yang dipasang di atas sebelah bawah lengan itu menarik masuk minyak untuk meredamkan ayunan. Takat minyak, kedudukan pada lengan, dan sudut dan saiz helaian itu dilaras sehingga redaman itu "genting", iaitu hampir mengayun. Engsel ini bergeseran amat rendah, lazimnya merupakan dawai kilasan, maka geseran hanya berlaku dalam dawai tu. Seismograf kecil dengan beban pruf rendah diletakkan dalam hampagas untuk mengurangkan gangguan dari arus udara.

Zollner memerikan batu ladung mengufuk gantungan secara kilasan seawal tahun 1869, tetapi memajukan alat itu untuk bidang gravimetri, bukan seismometri.

Seismometer-seismometer awal ini mempunyai susunan tuas pada galas permata, untuk mencoret di atas kaca asap atau kertas. Kemudian, cermin memantukan pancaran cahaya ke arah kepingan atau gelungan kertas foto yang merakam secara terus. Buat seketika, sesetengah reka bentuk kembali ke gerakan mekanikal demi menjimatkan wang. Dalam sistem-sistem pertengahan abad ke-20, cahaya itu dipantulkan ke sepasang fotosensor elektronik kebezaan yang dipanggil pemfotoganda (photomultiplier). Voltan yang dijana dalam pemfotoganda ini digunakan untuk memacu galvanometer yang mempunyai sekeping cermin kecil yang terpasang pada paksi. Pancaran cahaya terpantu yang bergerak itu mengenai permukaan gelendong berputar yang diliputi dengan kertas yang peka foto. Oleh sebab mencuci kertas peka foto itu terlalu mahal, banyak balai cerap seismos beralih ke kertas peka terma atau dakwat.

Satu lagi peranti yang agak ringkas digunakan pada akhir abad ke-19 hingga awal abad ke-20. Ia terdiri daripada sebuah batu ladung yang bebas bergerak ke mana-mana arah, dengan pena di bawah yang menyentuh kepingan kaca asap. Biarpun tidak menyediakan maklumat tentang waktu atapun gempa jauh, ia mampu memberikan arah gegaran awal yang jitu dan terbukti berkesan dalam analisa gempa bumi San Francisco 1906 pada akhir abad ke-20.

Alat moden

Alat-alat yang terkini pula menggunakan pengesan elektronik, penguat (amplifier), dan peranti rakaman. Kebanyakan alat ini berjalur lebar dan meliputi julat frekuensi yang luas. Sesetengah seismometer mampu menyukat gerakan yang berfrekuensi 500 Hz hingga 0.00118 Hz (1/500 = 0.002 saat sekitaran, hingga 1/0.00118 = 850 saat sekitaran). Ampaian mekanik untuk alat-alat mengufuk mengekalkan resmi pintu pagar yang diterangkan di atas. Alat-alat yang menegak pula menggunakan sejenis ampaian daya malar, misalnya ampaian LaCoste yang menggunakan spring kepanjangan sifar demi kepekaan tinggi. Sesetengah alat moden menggunakan rekabentuk "tripaksi", iaitu tiga pengesan gerakan yang seiras dipasang pada sudut yang sama di garis tegak tetapi terpisah 120 darjah pada garis ufuk. Pergerakan menegak dan mengufuk boleh dihitung daripada keluaran ketiga-tiga pengesan itu.

Seismometer tidak terelak daripada menyebabkan sedikit herotan dalam isyarat yang diukurnya, tetapi sistem-sistem rekaan profesional berupaya mencirikan transform frekuensi dengan teliti.

Kepekaan moden datang dalam tiga julat yang luas, iaitu: geofon, 50 hingga 750 V/m; seismograf geologi setempat, sekitar 1,500 V/m; dan teleseismograf kegunaan tinjauan sedunia, sekitar 20,000 V/m. Alat-alatnya pula datang dalam tiga jenis utama, iaitu jangka pendek, jangka panjang dan jalur lebar. Yang jangka pendek dan panjang itu mengukur halaju dan amat peka, tetapi 'memotong' isyarat atau terkeluar dari skala untuk gerakan bumi yang cukup kuat untuk dirasai orang. Juga banyak digunakan saluran penukaran analog ke digital 24-bit.

See also

• Seismologi
• Seismogram
• Tektonik plat
• Galitzine, Boris Borisovich
• Lehmann, Inge
• Oldham, Richard Dixon
• Pacific Northwest Seismograph Network
• Skala Richter

Pautan luar

• The history of early seismometers
• Link to live Seismic Drum at Geonet's Mangatainoka River station in New Zealand Diarkibkan 2005-09-01 di Wayback Machine
• The Lehman amateur seismograph, from Scientific American Diarkibkan 2009-02-04 di Wayback Machine- not designed for calibrated measurement.
• Sean Morrisey's professional design of an amateur teleseismograph Also see Keith Payea's version Both accessed 2010-9-29 Morrissey was a professional seismographic instrument engineer. This superior design uses a zero-length spring to achieve a 60 second period, active feedback and a uniquely convenient variable reluctance differential transducer, with parts scavenged from a hardware store. The frequency transform is carefully designed, unlike most amateur instruments. Morrisey is deceased, but the site remains up as a public service.
• USGS evaluation of Streckheisen STS-2 Seismometer models Diarkibkan 2005-09-30 di Wayback Machine- Streckheisen is a common make of research seismometers
• Pacific Northwest Seismograph Network-PNSN is a seimograph network in the northwest USA
• SeisMac Diarkibkan 2010-03-06 di Wayback Machine is a free tool for recent Macintosh laptop computers that implements a real-time three-axis seismograph.
• The Incorporated Research Institutions for Seismology (IRIS) is a principal U.S. seismological instrumentation and data facility, principally supported by the National Science Foundation and the U.S. Department of Energy.
• The Development Of Very-Broad-Band Seismography: Quanterra And The Iris Collaboration discusses the history of development of the primary technology in global earthquake research.
• Video of seismograph atHawaiian Volcano Observatory - on Flickr - retrieved on 2009-06-15.