Seismograf

Seismograph, Aufzeichnung von Aktivitäten des Vulkans Pinatubo (Philippinen)

Modernes Breitband-Seismometer vom Typ Streckeisen STS-2

Innenleben eines Seismometers

Ein Seismograf bzw. -graph (griech.: σεισμος seismós „Erschütterung“ und γράφω grapho „schreiben“) oder Seismometer (griech.: μετρέω metréo „messen“) ist ein Gerät, das Bodenerschütterungen von Erdbeben und anderen seismischen Wellen registrieren, erkennen und lokalisieren kann. Es besteht im Prinzip aus einer an einer Federaufhängung gelagerten Masse. Während sich die Bodenbewegung auf das Gehäuse des Instrumentes überträgt, bleibt die Masse aufgrund ihrer Trägheit in Ruhe. Die Relativbewegung des Bodens kann damit als Längenänderung im Zeitverlauf gemessen werden.

Funktionsweise

In der ursprünglichen Ausführung als Linienschreiber erzeugt die Bewegung der Umwelt (mitsamt dem Aufzeichnungspapier) relativ zur trägen Seismographmasse bei der Aufzeichnung auf das Messpapier einen Kurvenverlauf (daher Seismograph, von -grápho, „schreiben“). Moderne Geräte messen dagegen die Relativbewegung über eine Induktionsspannung mittels eines elektromechanischen Systems (Spule in einem statischen Magnetfeld). Das Seismometer (von -meter, also „messen“) wandelt diese analogen elektrischen Signale in binäre Daten um. Diese Daten werden anschließend meist lokal auf einem Computer zwischengespeichert; Bearbeiter fordern sie bei Bedarf an.

Ein Seismoskop wiederum konnte ein Erdbeben einer bestimmten Stärke lediglich qualitativ registrieren, ohne es im zeitlichen Verlauf zu messen (einfache „Ist – Ist kein“ -Feststellung).

Nach einer Erschütterung zeigt der Seismograph die seismischen Wellen als eine Art Sinuswellen an. Zuerst kommen die primären P-Wellen (Longitudinalwellen) an, dann die sekundären S-Wellen (Transversalwellen) und zum Schluss die Oberflächenwellen. Das hängt damit zusammen, dass die verschiedenen Wellenarten sich unterschiedlich schnell und auf unterschiedlichen Wegen fortpflanzen.

Je nachdem, wofür das Gerät gebaut ist und wie der Auslöser (engl. Trigger) eingestellt ist, reagiert das Gerät schon auf sehr schwache Erschütterungen oder erst bei starken Erdbeben (Starkbebengerät). Aktuelle Breitband-Stationen (Breitbandseismometer) registrieren kontinuierlich, so stehen auch Daten zur Noise-Analyse, zur Betrachtung von Erdgezeiten und für die Erdspektroskopie zur Verfügung. Kein Gerät ist für alle Bebenstärken oder Schwingungsfrequenzen ausgelegt, sondern nur für seinen Messbereich.

Moderne Breitbandseismometer decken einen großen Frequenzbereich ab. Die längsten Perioden liegen im Bereich von Minuten, die höchsten Frequenzen um 100 Hz. In diesem Bereich haben die Instrumente eine praktisch flache Amplituden- und Phasenantwort. Die Empfindlichkeit liegt im Frequenzbereich von 0.1 bis 10 Hz tiefer als die Stärke des natürlichen Hintergrundrauschens der Erde. Gleichzeitig vermögen diese Instrumente regional Erdbeben bis Magnitude 7 aufzuzeichnen.

Gemessen werden üblicherweise 3 Komponenten, entweder x,y (horizontal) und z (vertikal) oder u,v,w mit 3 identischen Sensoren entlang den Kanten eines auf der Spitze stehenden Würfels.

Auswertung

Ein Netz von Seismographen dient dazu, den genauen Ort und die Zeit von Erdbeben festzustellen. Zur genauen Lokalisierung werden die Zeitunterschiede ausgewertet (Peilungsprinzip). Da seismische Wellen sich im Erdinneren mit Geschwindigkeiten von mehreren Kilometern pro Sekunde ausbreiten, werden Erdbeben über Kontinente hinweg schon nach kurzer Zeit registriert und lokalisiert. Außer natürlichen Erdbeben können auch registriert werden:

• induzierte Beben, z. B. von Talsperren erzeugte Beben
• Mikrobeben, mikoseismische Unruhe
• Sprengungen (z. B. in Steinbrüchen)
• atomare Explosionen
• Verkehrserschütterungen

Aufgezeichnet werden je nach Bauweise des Instruments die

• Beschleunigung
• Geschwindigkeit
• Auslenkung (Bodenbewegung)

Aus den Aufzeichnungen kann man ableiten:

• Magnitude des Erdbebens
• den Ort der Entstehung (Epizentrum und Hypozentrum)
• das Frequenzspektrum
• die zeitliche, räumliche und energetische Verteilung

Ein Seismogramm ist die grafische Aufzeichnung eines Seismographen. Die Bodenbewegungen lassen sich aus dem Seismogramm berechnen. Weitere Auswertung kann u. a. die Eigenschwingungsfrequenz von Bauwerken ermitteln, oder, in einem anderen Frequenzbereich, die von starken Erdbeben ausgelösten Eigenschwingungsfrequenzen der Erde.

Geschichte

Der älteste Seismoskop der Welt stammt aller Wahrscheinlichkeit nach aus dem Kaiserreich China. Er wurde um das Jahr 132 nach Christus von Zhang Heng, kaiserlicher Astronom der Han-Dynastie, erfunden - ungefähr 1.600 Jahre bevor die ersten Seismographen in der westlichen Welt entwickelt wurden. Es handelte sich bei der Vorrichtung um ein bewegungsempfindliches Gefäß aus Bronze, mit acht nach außen gerichteten Drachenköpfen, die in acht verschiedene Richtungen wiesen. Jeder der Drachen hielt eine kupferne Kugel in seinem Maul, die bei Erdbewegungen in Richtung des Bebens ausgespieen wurden. Um die Basis des Gefäßes herum, unter jedem Drachen, hockte ein Frosch aus Porzellan mit weit aufgerissenem Maul. Schon durch leichteste seismische Erschütterungen, wurde ein im Gefäß verborgenes Pendel in Schwingungen versetzt, welche die Kugel aus ihrer Halterung löste. Vom Maul des Drachens fiel die Kugel in das des Frosches und erzeugt einen charakteristischen Klang, aus dem auf die Richtung des Erdbebens geschlossen werden konnte.

Um 1856 entwickelte Luigi Palmieri elektromagnetische Seismographen, bei denen ein Stoß einen elektrischen Kontakt schloss und damit weitere Aktionen wie Festhalten der Uhrzeit oder den Start weiterer Geräte ermöglichte.

Das erste Seismogramm eines Fernbebens wurde 1889 eher zufällig in Potsdam registriert. Der Astronom Ernst von Rebeur-Paschwitz zeichnete die Oberflächenwellen eines Bebens bei Japan mit einer Apparatur auf, die eigentlich für die Messung von Lotabweichungen durch astrophysikalische Einflüsse bestimmt war. Von Rebeur-Paschwitz gilt daher heute als einer der Väter der Seismologie.

Weblinks

• Zhang Hengs Seismograph
• Technik und Geschichte von Seismographen
• Die Wiechert´sche Erdbebenwarte in Göttingen
• Aktuelle Erdbebenerfassung in Baden-Württemberg
• Live-Seismograph der Erdbeben-Station Conrad Observatorium (Österreich)
• Darstellung der aktuellen Erdbeben auf einer Weltkarte (Seismic Monitor des USGS)
• Aktuelle Daten der Stationen Bensberg (BNS) und Laupendahl (LAU) der Erdbebenstation Bensberg, die ein Netz von Seismographen im Erdbebengebiet Kölner Bucht betreibt.
• United States Geological Survey Live Internet Seismic Server [1]