Як часто ви відчували і помічали землетруси? Будинки Чернівців – мовчазні свідки плеяди землетрусів з віком понад наші життя. Більше сторіччя тому встановлена перша сейсмічна станція університету Чернівців як відгомін налагодження роботи сейсмічної служби Віденської академії наук після сильного землетрусу у Любляні у 1895 р. На початку ХХ століття – це була одна із 67 сейсмічних станцій світу, дані яких використовувалися для вивчення і прогнозування землетрусів по всьому світу.

Землетруси фіксували і значно раніше, використовуючи найрізноманітніші конструкції – сейсмоскопи та сейсмографи. Найдавніший сейсмоскоп винайдений китайським філософом Чанг Хенгом у 132. р. н. е. Це була велика чаша, на зовнішній стороні якої закріплені вісім голів дракона, спрямованих на головні напрямки горизонту. Під кожною головою дракона розташовувалась жаба з ротом, відкритим до дракона. Коли відбувався землетрус, одна чи декілька з восьми пащ драконів випускали кульку у відкритий рот жаби, що перебувала внизу. Напрямок струсу визначався за випущеною кулькою з голови того чи іншого дракона. У хроніках знаходимо повідомлення, що прилад виявив землетрус за 400 миль, який не відчувався в місці розташування сейсмоскопа. Оскільки такі прилади не збережені, лише припускають, що всередині чаші функціонував якийсь маятник, що активував драконів.

Сейсмоскоп Чан Хенга
Сейсмоскоп Чан Хенга

Найдавніший сейсмоскоп, який визначав напрямок струсу за випущеною кулькою з голови одного з восьми дракона на зовнішній стороні чаші

Історія запису землетрусів не є лінійним або постійним прогресом. Подібні прилади для виявлення руху землі були добре відомі і використовувались як в античності, так і у середньовіччі. Наприклад, примітивний сейсмоскоп побудований за часів римського імператора Адріана – лише через півстоліття після виверження Везувію, яке зруйнувало Помпеї. Подібний пристрій використаний і під час облоги Ексетера в 1549 р. Він застосовувався, щоб визначити місце розташування ворогів, які копали підземні тунелі. Так, у документі того часу згадується : «Почувши шум під землею, він бере посудину з водою і, переносячи її з місця на місце, нарешті знаходить, де копають тунель». Однак жодне застосування подібних конструкцій для запису чи вивчення безпосередньо землетрусу не відоме від епохи Відродження до XVIII століття. Насправді теоретичні та технічні питання на той час були недостатньо розроблені, щоб уможливити запис руху земної поверхні. З цих причин історія розвитку ранніх інструментів – запису землетрусів – це накопичення емпіричних знань шляхом численних спроб і помилок.

До середини XIX століття сейсмоскопи стали поширеними по всьому світу. Їхнє використання, крім Італії та Великобританії, задокументовано в Цинциннаті, США; з причин землетрусів у Новому Мадриді 1811 та 1812 років; в Тебрізі, Ірані, через землетрус 4 жовтня 1856 р.; у Манілі, Філіппіни, завдяки події 20 червня 1857 р.; в кількох місцях у Німеччині 24 червня 1877 р. у зв’язку із землетрусом у Герцогенрат. Однак сейсмоскопи не дають достатньо інформації про природу землетрусів, і в цьому полягає найбільш вірогідна причина сучасної низької актуальності сейсмоскопічних спостережень, оскільки коливання земної кори під час землетрусів приладами не фіксувалися, як і характеристики поширення хвиль на далекі відстані.

Землетрус 1811 р. у Новому Мадриді
Землетрус 1811 р. у Новому Мадриді

Землетруси 1811-1812 рр. – серія інтенсивних внутрішньоплатформних землетрусів магнітудою 7,2–8,2 бала, зафіксованих сейсмоскопом. Вони залишаються найпотужнішими землетрусами у США на схід від Скелястих гір

Лише наприкінці дев’ятнадцятого століття розв’язані ключові завдання щодо записів поштовхів, а також технології інструментального запису внутрішніх рухів Землі, оскільки до цього часу землетруси безпосередньо не фіксували, а лише констатували факт, що стався землетрус. Мова йде про три компоненти, що давали змогу не лише виявляти землетрус, але й записувати самі поштовхи. Перший елемент – перетворювач – пристрій, який трансформує коливання земної кори в якусь іншу змінну (наприклад, напругу), яку можна записати. Другий – це сама система запису – пристрій, що дає змогу візуалізувати і зберігати трансформовані дані для їх подальшої перевірки та аналізу. Нарешті – третій елемент – це система посилення і попередньої обробки сигналу. Перший такий прилад – сейсмограф – сконструйований у 1875 році.

 

Перший сейсмограф
Перший сейсмограф

Сеймограф Чеккі запускав годинник і приводив в рух поверхню для запису, копчену скляну пластинку, під час проходження землетрусу.

Однак у той час винахід залишився непоміченим. На відміну від будь-якого з розглянутих інструментів до цього, очікувалося, що сейсмограф Чеккі зафіксує рух маятника відносно земної поверхні як функцію часу. Він базувався на принципі інерції. Два загальних маятники використовувались для запису горизонтальних коливань, вони рухалися у протилежних напрямках і розміщувалися перпендикулярно один одному. Маса утримувана на спіральній пружині, використовувалася для запису вертикального руху. Прилад не був розроблений для безперервного запису, і Чеккі влаштував так, що сейсмограф запускав годинник і приводив в рух поверхню для запису, копчену скляну пластинку, під час проходження землетрусу. Поверхня запису рухалася під голками зі швидкістю один сантиметр на секунду. Проте, як виявилося, тертя самої системи запису було надто сильним, щоб зареєструвати віддалені землетруси, тому, мабуть, і винахід не зазнав поширення.

Відтоді можна виділити три основні групи або «школи» дизайнерів сейсмографів і навіть присвоїти кожній з них національність: італійці, зі своїми вже давніми традиціями експериментів, де Пальмієрі та Чеккі можна назвати найкращими представниками; англо-японці, з швидко прогресуючим тріо Мілн-Юінґ-Грей, і нарешті німці під керівництвом Ребер-Пашвіца з досвідом фіксації слабких землетрусів у власній країні. Останні зосередились на виявленні мікросейсм на низьких частотах.

Незважаючи на різні підходи, очевидно, що всі винахідники прийняли принцип інерції для конструкції основного інструменту. Були випробувані всі види маятників. Десь у ті часи (можливо, італійський винахід) вже здійснював аналоговий безперервний сейсмічний запис. Елемент запису складався зі спіральної лінії, нанесеної на папір, поміщений на барабан, що обертався гвинтом. У такий спосіб стало можливим отримати 24-годинний запис на унікальному аркуші паперу з визначеними розмірами. Відповідно подальші удосконалення стосуються конструкцій маятників, противаг для подолання тертя підсилювача і механізму запису.

А тепер повернемось до Австро-Угорської монархії на початку 20 століття і познайомимось з Віктором Конрадом, який у 1904 році стає відповідальним за сейсмічний моніторинг на теренах всієї монархії. Принадно, що у 1911 р. його запрошено очолити кафедру комічної фізики у Чернівцях. Дбаючи про розбудову нової кафедри, Віктор Конрад у листах до Міністерства віровизнань та освіти переконливо обґрунтовує необхідність додаткових субсидій для створення сейсмічної станції в університеті Чернівців.

Віктор Конрад (1876-1962)
Віктор Конрад (1876-1962)

Австрійський геофізик, сейсмолог, метеоролог, ім'я якого увічнене у понятті поверхні Конрада

У той час Конраду вдалося встановити на станції один із найпрогресивніших сейсмографів того часу – біфілярний горизонтальний двохкомпонентний сейсмограф з реєстрацією коливань земної поверхні на закопчений папір за авторством Карла Майнка. Такими сейсмографами було обладнано чимало обсерваторій світу. Виготовлялися вони відомим підприємством з дизайну і виробництва І.А. Бош у Страсбурзі – тодішньому центрі сейсмології Німеччини. Сейсмограф Майнка впродовж десятиліть використовувався для вивчення землетрусів в університеті Чернівців у різні періоди – австрійський, румунський, радянський. Він досі зберігається у навчально-науковій геофізичній обсерваторії географічного факультету. Цікаво, що водночас із ним використовувався і сейсмограф власної конструкції Віктора Конрада – маятник Конрада, розрахований на реєстрацію сильних коливань земної поверхні, проте, на жаль, втрачений у роки Другої світової війни.

За румунського часу сейсмічну станцію було обладнано ще одним інноваційним приладом – вертикальним сейсмографом Віхерта. Астатичний маятник Віхерта став еталонним інструментом на довгі роки. Кілька виробників комерціалізували різні версії інструменту і до початку Другої світової війни, понад 100 сейсмічних станцій по всьому світу використовували подібні інструменти. Декілька все ще експлуатуються і використовуються в якості еталонних приладів. На його сейсмограмах уже чітко можна вирізнити поперечні і поздовжні хвилі. Швидкість поперечних хвиль в товщах порід земної кори змінюється від 200 м/с до 1000 м/с, повздовжніх – від 1500 м/с (вода), 2000–2500 м/с (суглинки, глини) до 5000–7000 м/с (кристалічні породи). Така специфіка хвиль дала змогу сербському сейсмологу Андрію Мохоровичичу визначити межу між шарами земної кори та мантії за різницею швидкостей сейсмічних хвиль у кожному шарі після землетрусу 8 жовтня 1908 року поблизу Загреба. Відповідно цю межу назвали за прізвищем автора «Мохо».

Карта світу глибин межі Мохо
Карта світу глибин межі Мохо

Геофізична карта, що показує глибини, на яких проходить межа Мохо, названа в честь сербського сейсмолога Андрія Мохоровичича. Перехід між земною корою і мантією визначений на підставі різної швидкості повздовжніх хвиль за допомогою сеймографічних записів

Подібно до Віхерта, російський князь Борис Голіцин, який керував сейсмічною станцією у Пулково біля Санкт-Пететербурга, був глибоко зацікавлений у вдосконаленні сейсмозапису. Саме йому належить винахід електромагнітного сейсмографа у 1905 році, в якому замість механічного перетворювача, що підсилює рух земної поверхні за допомогою важелів, застосовується вже електромагнітний. Отже, рухи земної поверхні приладом трансформувалися на електричний струм і оптично реєструвалися за допомогою гальванометра на фотопапері.

У нашій геофізичній обсерваторії сьогодні використовується нащадок цього приладу -сейсмограф системи Кірноса. Його основне призначення – реєстрація віддалених землетрусів. Він впевнено приймає землетруси Америки, Африки, Океанії, але геологічна будова території не дає нам змоги реєструвати землетруси, які відбуваються у Західній Європі. У підвальному приміщенні встановлений також менший сейсмограф для реєстрації місцевих землетрусів, які мають інші частоти і магнітуду.

Сильні землетруси із магнітудою більше 5 у Чернівцях фіксують десь раз у 40 років. Натомість лише у 2020 році у світі зареєстровано понад 1800 сильних землетрусів. Так, за останній тиждень лютого в Ісландії зафіксовано 18000 землетрусів різної сили, що, на думку місцевих геофізиків може свідчити про новий період тектонічної і вулканічної активності. Тож на разі прощаюсь з вами з побажаннями лише приємного неспокою як на символічному мості між континентами, що з’єднує Євразійську та Північноамериканську літосферні плити поблизу Гріндавіка в Ісландії.

Міст між континентами
Міст між континентами

Невеликий пішохідний міст, який дає можливість побачити межі двох літосферних плит. Міст був побудований як символ зв'язку між Європою і Північною Америкою

Список використаної літератури:

  1. Сєргєєва Т.М. Невідомі Чернівці: нариси з історії метеорології та сейсмології. Чернівці, 2015. 120 с.
  2. Batlló J. (2014) Historical Seismometer. In: Beer M., Kougioumtzoglou I., Patelli E., Au IK. (eds) Encyclopedia of Earthquake Engineering. Springer, Berlin, Heidelberg. Електронна версія статті
  3. Rosner R. (2009). Scientists and mathematicians in Czernowitz University. Proceedings of the 2nd ICESHS (Cracow, Poland).
  4. Hammerl С., Lenhardt W. (2003). 100 Years Seismological Service of Austria at the Central Institute for Meteorology and Geodynamics in Vienna/ Austria. Електронна версія статті

Візуалізація статті нижче: