Проблема заключалась в том, чтобы увеличить период колебаний маятника. Но как добиться этого, не удлиняя нити? Известен и другой способ: уменьшить тяжесть гири[57]. Как это осуществить? Да заменить обычный вертикально подвешенный маятник горизонтальным! И вместе со своими друзьями физиками Юингом и Грейем Милн сконструировал первый сейсмограф.
Рис. 14. Принципы действия горизонтального сейсмографа. Стержень
CD движется вокруг слабо наклонной оси
АВ, регистрируя перпендикулярные толчки.
Принцип, на котором основана конструкция сейсмографа с горизонтальным маятником, очень прост. Представьте себе дверь, ось которой не совсем вертикальна, а слегка наклонна. В этом случае дверь сама перемещается в вертикальную плоскость и чувствительна к любому толчку, перпендикулярному этой плоскости. Прибор состоит из горизонтального кронштейна CD (рис. 14), несущего на конце тяжелую массу D (весом несколько сот килограммов). Эта масса может свободно колебаться вокруг слегка наклонной оси АВ. Малейшее сотрясение каменной станины отражается соответствующим перемещением тяжелой массы D. В результате получаем период колебания, равный 15 и даже 20 секундам.
Как же пользоваться этим прибором для записи колебаний грунта? Разумеется, нет ничего проще, как прикрепить острие к тяжелой массе и поместить перед этим острием закопченную поверхность (например, разматывающуюся бумажную ленту, как это и делали вначале). Но Милн решил добиваться коренных усовершенствований: запись на закопченной поверхности он заменил фотографической регистрацией. Для этого он прикрепил к тяжелой массе не иглу, а зеркальце, и направил на него луч света; зеркальце отражает этот луч на разматывающуюся ленту фотографической бумаги. При разматывании бумажной ленты зеркальце оставалось неподвижным и на фото получалась прямая линия до тех пор, пока не происходило сотрясений грунта. При толчках на ленте записывались зигзаги, отражающие движения зеркальца. Так была получена подлинная сейсмограмма, читая которую, специалисты могли установить, когда началось землетрясение и его продолжительность, так как эта запись доверялась маятнику и электромагниту.
Сейсмограф, усовершенствованный после смерти Милна (1913) ученым Шоу, широко применяется и по сей день. Им пользуются не менее 20 обсерваторий. Однако эксплуатация этого прибора обходится дорого с учетом затрат на фотографическую бумагу. А ее расходуется 8 миллиметров за одну минуту. Сейсмограф Милна оставляет желать лучшего и в отношении точности.
Этим объясняется, что после Милна многие сейсмологи в свою очередь пытались изобрести другие приборы. В 1900 году немец Вихерт заменил горизонтальный маятник вертикальным астатическим маятником.
Рис. 15. Горизонтальный сейсмограф Вихерта. Равновесие этого большого волчка, поставленного на острие, нарушается при малейшем толчке.
Сейсмограф Вихерта представляет собой не что иное, как огромный волчок (рис. 15), балансирующий на острие. Хотя равновесие этого волчка поддерживается двумя пружинами R и R' малейший толчок заставляет его отклоняться то в одну, то в другую сторону. Легко усилить и зарегистрировать это Движение, снабдив волчок пером и пропуская под ним ленту закопченной бумаги.
Прибор Вихерта очень экономичен, по обратной стороной медали здесь выступает механическая регистрация, которая вызывает трение, а это нельзя не учитывать. Чтобы преодолеть трение, вес массы волчка значительно увеличивали. Вес 1 тысяча килограммов — обычен для сейсмографа Вихерта. Столько весит этот прибор в обсерватории Сен-Морского парка. Но более мощные станции пользуются еще более тяжелым волчком. В институте Физики Земли в Страсбурге волчок весит не менее 19 тонн!
Читатель, вероятно, заметил, что все эти сейсмографы регистрируют только горизонтальные компоненты землетрясения. Чтобы записать вертикальную компоненту, пользуются другим прибором, состоящим в основном из тяжелой массы, подвешенной на спиральной пружине. Чтобы масса как можно меньше зависела от грунта, выбирается слабая пружина. В этом случае решающую роль играет инерция. Будет ли грунт резко прогибаться или подниматься, пружина, связанная через станину с тяжелой массой, растягивается или сжимается, а масса остается неподвижной. Можно, следовательно, заставить ее, как и в горизонтальном сейсмографе, вычертить график на закопченной или фотографической бумаге.
Голицын изобретает современный сейсмографНо большинством этих приборов, как вертикальных, так и горизонтальных, тяжелых, громоздких и неудобных в работе, перестали пользоваться с 1906 года, когда русский физик Б. Б. Голицын изобрел прибор, применяющийся теперь во всех странах мира. Этот ученый начал с того, что сконструировал горизонтальный сейсмограф, подобный тому, который изображен на рис. 14, но уменьшил вес тяжелой массы до нескольких килограммов. К концу маятника он прикрепил индукционную катушку, а сам маятник поместил между двумя магнитами. Не трудно догадаться, что, когда землетрясение вдруг начинает раскачивать маятник в катушке, которая перемещается относительно магнитов, возникает индуцированный переменный ток. Ток замыкается на гальванометре, и его зеркальце отражает синусоиды со светящимися точками, проектируя их на фотографическую бумагу. Так получается сейсмограмма без физической связи с грунтом, причем возможности увеличения практически не ограничены.
Рис. 16. Сейсмограф Голицына. Движения стержня
ОА регистрируются и увеличиваются с помощью электромагнита.
Конструкция вертикального сейсмографа не отличается большей сложностью. Представим себе рычаг ОА (рис. 16), движущийся в вертикальной плоскости вокруг точки О. Он поддерживается пружиной R и несет тяжелую массу М и индукционные катушки В. Когда рычаг, приводимый в движение вертикальным толчком, колеблется, катушки перемещаются между двумя магнитами. Как и в горизонтальном приборе, фотографическое отображение индуцированного тока получается после замыкания на гальванометр. Голицын предложил свои сейсмографы в 1911 году и снабдил ими сеть станций, начиная от Пулковской обсерватории и кончая Владивостоком. Не приходится сомневаться, что Голицын сразу же добился блестящих результатов, поскольку его прибором пользуются почти на всех станциях Советского Союза с усовершенствованиями, внесенными Никифоровым. Специалисты в других странах добились только повышения точности показаний, улучшив некоторые детали прибора Голицына. Это позволило улавливать сейсмические волны различной длины. До изобретения Голицына проблема увеличения амплитуды имела решающее значение. Вспомним, что сейсмические волны, какой бы разрушительной силы они ни достигали, всегда отличаются ничтожной амплитудой (порядка одного миллиметра) и что эти волны не отразились бы на сейсмограмме без их увеличения. Для этого и удлиняли маятники, использовавшиеся в XIX веке в качестве сейсмографов. Именно с этой целью Вихерт применил систему рычагов, которые усиливали ничтожные колебания астатического маятника, но электромагнитное реле Голицына сняло эту проблему. Оно позволило добиться увеличения в тысячу раз, а американский коллега Голицына Бениофф усилил амплитуду в 200 тысяч раз.
Последней новинкой был сейсмограф, сконструированный в Высшей педагогической школе Парижа. Этот прибор благодаря электронным усилителям увеличивает амплитуду в миллион раз. Однако это преимущество не так уж значительно, поскольку прибор пропорционально увеличивает и помехи. Даже шаги случайного прохожего, оказавшегося на расстоянии одного километра от станции, вызывают колебания, которые нарушают сейсмическую запись. Сейсмографы Милна — Шоу, Вихерта, Голицына, Бениоффа, а также приборы, сконструированные Майнка, Омори, Грене, Кервен — Пиккаром и другими, используются теперь на сейсмических станциях одновременно. Можно ли назвать это расточительством? Нет, нельзя! Каждый прибор обладает своими преимуществами: одними удобнее пользоваться для регистрации очень отдаленных, другими — близких толчков. К тому же оснащение станции зависит, несомненно, от весьма прозаических причин, и в первую очередь от щедрости правительства.
Международное сотрудничество сейсмологовВам, вероятно, интересно узнать, сколько же сейсмологических станций существует на земном шаре и как они работают. Разумеется, не может быть и речи, чтобы здесь их перечислить. Даже специалисты не в состоянии этого сделать. В списке, опубликованном в 1953 году Брюссельской обсерваторией, перечисляется 518 станций. Но в этом году не менее 20 станций закрылось, и не исключено, что столько же числилось только на бумаге. В Европе насчитывается около 85 станций, без Советского Союза, в Северной Америке — 130, в том числе 90 в США, в Южной Америке — 15, в Японии — 120, в других странах Азии — 40, в Африке — 18 обсерваторий, в Австралии — 5. После Международного геофизического года[58] несколько станций создано в Арктике и Антарктике.
