Un sismómetro es un instrumento diseñado para detectar y medir el desplazamiento del suelo y los temblores sísmicos resultantes de terremotos, erupciones volcánicas y explosiones. Normalmente, un sismómetro está integrado con un mecanismo de sincronización y un aparato de registro para constituir un sismógrafo. Los datos resultantes, históricamente documentados en papel o película pero ahora capturados y procesados digitalmente, se denominan sismograma. Estos datos sirven para identificar y caracterizar eventos sísmicos, así como para investigar la composición interna de la Tierra.
Principios fundamentales
Un sismómetro simple, diseñado para detectar movimientos verticales del suelo, puede conceptualizarse como una masa suspendida por un resorte de un marco, donde el propio marco se mueve en respuesta al movimiento del suelo. El movimiento diferencial entre esta masa suspendida y el marco cuantifica el desplazamiento vertical del suelo. En tal configuración, un tambor giratorio fijado al marco y un bolígrafo conectado a la masa registrarían gráficamente el movimiento del suelo como un sismograma.
El movimiento del suelo se traduce directamente en movimiento del marco del sismómetro. Debido a su inercia inherente, la masa suspendida resiste este movimiento. En consecuencia, al cuantificar el desplazamiento relativo entre el marco y la masa, se puede determinar el movimiento preciso del suelo.
Históricamente, los sismómetros empleaban palancas ópticas o enlaces mecánicos para magnificar movimientos diminutos, documentándolos en papel fotográfico o recubierto de hollín. Los instrumentos contemporáneos, sin embargo, integran componentes electrónicos. En ciertos diseños, un circuito electrónico de retroalimentación negativa mantiene la masa en una posición casi estacionaria con respecto al marco. Se detecta el desplazamiento relativo de la masa, lo que hace que el circuito de retroalimentación ejerza una fuerza magnética o electrostática para contrarrestar su movimiento. El voltaje requerido para generar esta fuerza contraria constituye la salida del sismómetro, que luego se registra digitalmente.
Por el contrario, en sistemas alternativos, se permite que la masa se mueva y su desplazamiento induce una corriente eléctrica dentro de una bobina fijada a la masa. Luego, esta corriente atraviesa el campo magnético generado por un imán adherido al marco. Esta configuración particular se emplea con frecuencia en geófonos, instrumentos utilizados en la exploración de petróleo y gas natural.
Los observatorios sísmicos suelen desplegar instrumentos capaces de medir el movimiento del suelo en tres ejes ortogonales: norte-sur (eje y), este-oeste (eje x) y vertical (eje z). Cuando solo se monitorea un eje, generalmente se prefiere el componente vertical debido a sus niveles de ruido más bajos y capacidades de registro superiores para ciertos tipos de ondas sísmicas.
La estabilidad fundamental de una estación sísmica es primordial. En ocasiones, las instalaciones profesionales se anclan directamente sobre el lecho de roca. Las soluciones de montaje óptimas suelen implicar perforaciones profundas, que mitigan las fluctuaciones térmicas, el ruido ambiental del suelo y la inclinación inducida por el clima y las fuerzas de las mareas. Alternativamente, otros instrumentos suelen estar alojados dentro de recintos aislados colocados sobre pequeños pilares enterrados construidos con hormigón no reforzado. La inclusión de varillas y áridos de refuerzo podría introducir distorsiones térmicas en el muelle. Antes de la construcción de un muelle y la instalación de conductos, cada sitio se somete a un estudio exhaustivo del ruido ambiental del suelo mediante una instalación temporal. Históricamente, los sismógrafos europeos se desplegaron en lugares específicos después de eventos sísmicos importantes. Actualmente, su distribución apunta a lograr una cobertura integral para la sismología de movimiento débil o concentrarse en zonas de alto riesgo para la sismología de movimiento fuerte.
Nomenclatura
El término se origina de la palabra griega σεισμός, seismós, que significa sacudida o terremoto, y a su vez deriva del verbo σείω, seíō, que significa 'sacudir'; combinado con μέτρον, métron, que significa 'medir'. Fue acuñado por David Milne-Home en 1841 para caracterizar un instrumento concebido por el físico escocés James David Forbes.
El término sismógrafo también proviene del griego y combina seismós con γράφω, gráphō, que significa 'dibujar' o 'escribir'. Si bien se usa con frecuencia de manera intercambiable con sismómetro, sismógrafo se refiere más precisamente a instrumentos históricos en los que se integraron la medición y el registro del movimiento del suelo, en contraste con los sistemas contemporáneos donde estas funciones son distintas. Ambas categorías de dispositivos producen un registro continuo del movimiento del suelo; esta característica los diferencia de los sismoscopios, que únicamente registran la ocurrencia de movimiento, ofreciendo potencialmente una indicación rudimentaria de su magnitud.
El campo técnico especializado perteneciente a estos instrumentos se denomina sismometría, que constituye una subdisciplina de la sismología.
El principio subyacente de cuantificar las "sacudidas" permite una aplicación más amplia del término "sismógrafo". Por ejemplo, una estación de monitoreo que registra las fluctuaciones en el ruido electromagnético que impacta las transmisiones de radioaficionados puede describirse como un sismógrafo de RF. De manera similar, la heliosismología investiga los "terremotos" que ocurren dentro del Sol.
Historial
El primer sismómetro se originó en China durante el siglo II, concebido por Zhang Heng, un matemático y astrónomo chino. La descripción occidental inicial de tal instrumento apareció en 1703, atribuida al físico y sacerdote francés Jean de Hautefeuille. El sismómetro contemporáneo se desarrolló a lo largo del siglo XIX.
A partir de 1969, se desplegaron sismómetros en la Luna como componentes del Paquete de Experimentos de la Superficie Lunar Apollo. Posteriormente, en diciembre de 2018, el módulo de aterrizaje InSight desplegó con éxito un sismómetro en Marte, marcando la colocación inaugural de un instrumento de este tipo en la superficie de otro planeta.
Período Antiguo
Si bien algunas fuentes secundarias sugieren afirmaciones no verificadas sobre la existencia de dispositivos de detección de terremotos en el Antiguo Egipto, ninguna evidencia histórica definitiva corrobora estas afirmaciones hasta enero de 2026. El sismoscopio más antiguo documentado de manera confiable fue desarrollado en China por Zhang Heng en el año 132 d. C.
En el año 132 d. Didong Yi, que se traduce como "instrumento para medir los vientos estacionales y los movimientos de la Tierra". Según las descripciones encontradas en la Historia de la dinastía Han posterior, el dispositivo consistía en una importante vasija de bronce, de aproximadamente 2 metros de diámetro, adornada con ocho cabezas de dragón colocadas alrededor de su circunferencia superior, cada una sosteniendo una bola de bronce. Ante la actividad sísmica, una de las bocas del dragón se abría, liberando su bola en un sapo de bronce situado en la base, produciendo así una señal audible y supuestamente indicando la dirección del terremoto. En particular, al menos en una ocasión, probablemente durante un terremoto importante en Gansu en el año 143 d.C., el sismoscopio registró actividad sísmica a pesar de que los habitantes locales no percibieron temblores. Los textos supervivientes sugieren que la embarcación contenía una columna central capaz de moverse a lo largo de ocho vías distintas, que se supone que representa un péndulo. Sin embargo, se desconoce el mecanismo preciso que vincula este componente con la apertura selectiva de la boca de un único dragón. El terremoto inicial detectado por este instrumento se habría localizado "en algún lugar del este", y su aparición fue confirmada días después por un ciclista que llegó de esa región.
Primeros diseños sismográficos (1259–1839)
En el siglo XIII, los instrumentos sismográficos estaban presentes en el observatorio de Maragheh en Persia, establecido en 1259. Sin embargo, sigue siendo incierto si estos dispositivos se desarrollaron de forma independiente o derivaron del sismoscopio chino anterior. En 1703, el físico y sacerdote francés Jean de Hautefeuille detalló un diseño de sismoscopio que presentaba un recipiente lleno de mercurio, desde el cual el líquido se derramaría hacia uno de los ocho receptores equidistantes. Sin embargo, ninguna evidencia confirma la construcción real de este dispositivo por parte de Hautefeuille. Posteriormente, Atanasio Cavalli construyó un sismoscopio de mercurio en 1784 o 1785, del que se conserva una réplica en la Biblioteca de la Universidad de Bolonia. Niccolò Cacciatore construyó más tarde otro sismoscopio de mercurio en 1818. A finales de la década de 1790, James Lind también desarrolló un instrumento sismológico, conocido como "máquina sísmica", aunque su diseño preciso y eficacia operativa siguen sin estar documentados.
Al mismo tiempo, se estaban desarrollando instrumentos basados en péndulo. Tras el terremoto de Puglia de 1731, el naturalista napolitano Nicola Cirillo estableció una red de detectores de terremotos pendulares, empleando un transportador para cuantificar la amplitud de su movimiento oscilatorio. En 1751, el monje benedictino Andrea Bina avanzó en este diseño configurando el péndulo para crear marcas en la arena debajo del mecanismo, indicando así tanto la magnitud como la dirección del movimiento del suelo. El relojero napolitano Domenico Salsano creó en 1783 un instrumento de péndulo comparable, que registraba datos con un pincel. Lo designó geo-sismómetro, lo que potencialmente representa el uso más antiguo de un término similar a sismómetro. En 1784, el naturalista Nicolo Zupo concibió un instrumento capaz de detectar simultáneamente perturbaciones eléctricas y terremotos.
En 1796, Ascanio Filomarino desarrolló el primer dispositivo moderadamente eficaz para medir el tiempo de los terremotos. Este instrumento representó una mejora del diseño del péndulo de Salsano, incorporando un lápiz para marcar y un componente parecido a un cabello unido al mecanismo para impedir el volante de un reloj. En consecuencia, el reloj comenzaría a funcionar sólo cuando se produjera un terremoto, lo que permitiría determinar con precisión su tiempo de incidencia.
El 4 de octubre de 1834, tras un terremoto, Luigi Pagani observó que el sismoscopio de mercurio de la Universidad de Bolonia se había derramado por completo, dejándolo ineficaz para la recopilación de datos. Esto lo impulsó a diseñar un dispositivo portátil que empleaba perdigones de plomo para determinar la dirección del terremoto. La granada de plomo caería en cuatro contenedores dispuestos circularmente, indicando así el cuadrante de incidencia sísmica. El desarrollo del instrumento se completó en 1841.
Diseños de sismómetros modernos tempranos (1839–1880)
Tras una serie de terremotos cerca de Comrie, Escocia, en 1839, se creó un comité en el Reino Unido para desarrollar instrumentos mejorados de detección de terremotos. Esta iniciativa llevó a James David Forbes a construir un sismómetro de péndulo invertido, detallado en el informe de 1842 de David Milne-Home. Este dispositivo registró mediciones de la actividad sísmica utilizando un lápiz sobre papel colocado sobre el péndulo. Sin embargo, los informes de Milne indicaron que estos diseños eran ineficaces. A Milne se le atribuye haber acuñado el término sismómetro en 1841 para describir este instrumento. Posteriormente, en 1843, el primer péndulo horizontal se incorporó a un sismómetro, según informó Milne, aunque su papel como inventor original sigue siendo ambiguo. Sobre la base de estos desarrollos, Robert Mallet publicó un artículo en 1848 proponiendo principios de diseño para sismómetros, enfatizando la necesidad de dispositivos para registrar el tiempo, registrar amplitudes horizontales y verticales y determinar la dirección. Aunque su diseño propuesto recibió financiación y se intentó construirlo, el instrumento final no cumplió con sus expectativas, presentando imprecisiones y careciendo de capacidades de autorregistro, similares a los problemas encontrados con el diseño de Forbes.
Entre 1848 y 1850, Karl Kreil desarrolló un sismómetro en Praga. Este instrumento incorporaba un péndulo cilíndrico rígido suspendido en una punta, cubierto de papel y marcado con un lápiz fijo. La rotación diaria del cilindro facilitó la aproximación del tiempo de ocurrencia de un terremoto.
Influenciado por la publicación de Mallet de 1848, Luigi Palmieri inventó en 1856 un sismómetro capaz de registrar los tiempos de los terremotos. Este dispositivo utilizaba péndulos metálicos que, al vibrar, cerraban un circuito eléctrico y posteriormente activaban un electroimán para detener un reloj. Los sismómetros de Palmieri lograron una amplia distribución y un uso sostenido durante un período prolongado.
En 1872, un comité del Reino Unido, presidido por James Bryce, expresó su descontento con los sismómetros existentes, en particular el importante dispositivo Forbes de 1842 que todavía se usaba en la iglesia parroquial de Comrie. Abogaron por un sismómetro que fuera compacto, sencillo de instalar y fácil de interpretar. En 1875, el comité adoptó una versión grande del dispositivo de Mallet, que constaba de una serie de pasadores cilíndricos de diferentes dimensiones, dispuestos perpendicularmente sobre un lecho de arena. El diseño postuló que terremotos más importantes derribarían pines más grandes. Este instrumento se instaló en la 'Casa del Terremoto' cerca de Comrie, reconocida como el primer observatorio sismológico construido expresamente en el mundo. Hasta 2013, ningún evento sísmico ha sido lo suficientemente poderoso como para desalojar ningún cilindro ni en el dispositivo original ni en sus reproducciones.
El Génesis de los sismógrafos (1880-presente)
Los sismógrafos iniciales surgieron durante las décadas de 1870 y 1880. A Filippo Cecchi se le atribuye la producción del primer sismógrafo alrededor de 1875. Este instrumento fue diseñado de manera que un sismoscopio iniciara su función de registro, generando posteriormente una representación gráfica automática de los temblores, conocida como sismograma, en una superficie de registro. Sin embargo, el dispositivo carecía de sensibilidad suficiente y su primer sismograma no se produjo hasta 1887, cuando John Milne ya había exhibido su propio diseño en Japón.
El sismómetro de péndulo horizontal inaugural fue desarrollado en 1880 por un equipo colaborativo formado por John Milne, James Alfred Ewing y Thomas Gray, quienes sirvieron como asesores de gobiernos extranjeros en Japón entre 1880 y 1895. Estos individuos, previamente reclutados por el gobierno Meiji para apoyar la modernización de Japón, posteriormente establecieron la Sociedad Sismológica de Japón después del terremoto de Yokohama el 22 de febrero de 1880. Durante el año siguiente, Ewing diseñó dos instrumentos distintos: un sismómetro de péndulo convencional y el sismómetro pionero que incorpora un péndulo horizontal amortiguado. Este innovador sistema de registro facilitó la primera adquisición continua de datos sísmicos. El 3 de noviembre de 1880, se registró con éxito el sismograma inicial utilizando ambos dispositivos de Ewing. Estos diseños fundamentales influyeron posteriormente en el desarrollo de los sismómetros modernos. A Milne se le reconoce a menudo como el "padre de la sismología moderna", y su diseño de sismógrafo se considera el primer sismómetro moderno.
Este desarrollo permitió la medición inicial efectiva del movimiento horizontal del suelo. Al mismo tiempo, Gray ideó el primer método confiable para registrar el movimiento vertical, logrando así los primeros registros sísmicos efectivos de tres ejes.
Los primeros sismómetros especializados presentaban un péndulo estacionario sustancial equipado con un lápiz en su base. Cuando se produjo el movimiento del suelo, la considerable masa del péndulo mantuvo su estabilidad inercial en relación con el marco del instrumento. En consecuencia, el lápiz inscribió un patrón que se correlacionaba directamente con el desplazamiento de la Tierra. Estos sismómetros de movimiento fuerte utilizaban vidrio ahumado, recubierto con hollín de carbón, como medio de registro. Aunque carecían de la sensibilidad necesaria para detectar eventos sísmicos remotos, estos instrumentos eran capaces de indicar la dirección de las ondas de presión, ayudando así a localizar los epicentros locales de los terremotos. Los instrumentos de este diseño resultaron valiosos en el análisis posterior al terremoto de San Francisco de 1906. Los análisis posteriores realizados en la década de 1980, aprovechando estos registros históricos, facilitaron una identificación más precisa de la ubicación inicial de la ruptura de la falla en el condado de Marin y su propagación predominante hacia el sur.
Posteriormente, los conjuntos de instrumentos profesionales dentro de la red sismográfica estándar global incorporaron dos configuraciones principales: un conjunto calibrado para un período de oscilación de quince segundos y otro para un período de noventa segundos, y cada conjunto proporcionaba mediciones en tres direcciones. Por el contrario, los operadores aficionados u observatorios con recursos limitados normalmente calibraron sus instrumentos más pequeños y menos sensibles en un período de diez segundos. El diseño fundamental de un sismómetro de péndulo horizontal amortiguado funciona según un principio análogo al de una puerta batiente. Una masa sustancial está fijada al vértice de una estructura triangular alargada, de entre 10 cm y varios metros de longitud, que está articulada a lo largo de su borde vertical. Durante el movimiento del suelo, las propiedades inerciales del peso hacen que permanezca estacionario, lo que hace que la "compuerta" gire sobre su bisagra.
Un beneficio principal del diseño del péndulo horizontal es su capacidad para lograr frecuencias de oscilación muy bajas dentro de un espacio compacto para el instrumento. La "puerta" está inclinada intencionalmente, lo que hace que el peso vuelva gradualmente a una posición de equilibrio central. Antes de implementar la amortiguación, el péndulo se calibra para oscilar en períodos de tres o treinta segundos. Los instrumentos de uso general empleados por estaciones más pequeñas u operadores aficionados suelen exhibir un período de oscilación de diez segundos. Para mitigar las oscilaciones, se coloca un cárter de aceite debajo del brazo del péndulo y una pequeña lámina de metal unida a la parte inferior del brazo se sumerge en el aceite, creando una fuerza de arrastre. El nivel de aceite, la posición de la lámina en el brazo y su ángulo y dimensiones se ajustan meticulosamente para lograr una "amortiguación crítica", un estado caracterizado por la casi ausencia de oscilación. El mecanismo de bisagra presenta una fricción extremadamente baja, empleando frecuentemente alambres de torsión, de modo que la fuerza de fricción predominante se origina a partir de la fricción interna del propio alambre. Para minimizar las perturbaciones causadas por las corrientes de aire, los sismógrafos compactos con masas de prueba bajas suelen funcionar en un entorno de vacío.
Ya en 1869, Zollner documentó péndulos horizontales suspendidos torsionalmente, aunque su desarrollo se centró en aplicaciones en gravimetría más que en sismometría.
Los primeros sismómetros inicialmente empleaban sistemas de palancas con cojinetes enjoyados para escribir datos en vidrio ahumado o papel. Posteriormente, los diseños evolucionaron hasta utilizar espejos que reflejaban un haz de luz sobre una placa de grabación directa o un rollo de papel fotográfico. Durante un período intermedio, algunos diseños volvieron a utilizar movimientos mecánicos para lograr rentabilidad. A mediados del siglo XX, los sistemas reflejaban la luz en fotosensores electrónicos diferenciales, conocidos como fotomultiplicadores. El voltaje generado por el fotomultiplicador accionó galvanómetros, cada uno equipado con un pequeño espejo en su eje. Este haz de luz reflejado en movimiento incidiría en la superficie de un tambor giratorio cubierto con papel fotosensible. Sin embargo, el gasto asociado con el desarrollo de papel fotosensible impulsó a muchos observatorios sísmicos a hacer la transición a tinta o papel termosensible.
Después de la Segunda Guerra Mundial, los diseños de sismómetros iniciados por Milne, Ewing y Gray se integraron y adaptaron al sismómetro Press-Ewing, ampliamente adoptado.
Instrumentación moderna
Los instrumentos contemporáneos incorporan sensores electrónicos, amplificadores y dispositivos de grabación avanzados. La mayoría son de banda ancha, capaces de detectar un amplio espectro de frecuencias. Algunos sismómetros pueden medir movimientos del suelo en un rango de frecuencia de 500 Hz a 0,00118 Hz (correspondientes a períodos de 0,002 segundos a 850 segundos por ciclo). La suspensión mecánica para instrumentos horizontales normalmente conserva la configuración de "puerta de jardín". Los instrumentos verticales, por el contrario, utilizan mecanismos de suspensión de fuerza constante, como la suspensión LaCoste, que emplea un resorte de longitud cero para lograr un período prolongado y, por tanto, una alta sensibilidad. Ciertos instrumentos modernos presentan un diseño "triaxial" o "Galperin", donde tres sensores de movimiento idénticos están orientados en el mismo ángulo con respecto a la vertical, pero colocados a 120 grados de distancia horizontalmente. Esta configuración permite calcular los movimientos verticales y horizontales a partir de las salidas combinadas de los tres sensores.
Los sismómetros introducen inherentemente cierto grado de distorsión en las señales que miden; sin embargo, los sistemas diseñados profesionalmente se diseñan con transformaciones de frecuencia cuidadosamente caracterizadas para tener en cuenta esto.
Las sensibilidades de los sismómetros modernos se clasifican en tres rangos principales: geófonos, que ofrecen de 50 a 750 V/m; sismógrafos geológicos locales, que proporcionan aproximadamente 1.500 V/m; y telesismógrafos, utilizados para estudios globales, que producen alrededor de 20.000 V/m. Los instrumentos generalmente se clasifican en tres tipos principales: de corto plazo, de largo plazo y de banda ancha. Si bien los instrumentos de período corto y largo son muy sensibles y miden la velocidad, tienden a "recortar" la señal o salirse de escala durante movimientos del suelo lo suficientemente fuertes como para ser perceptibles por los humanos. Un canal de conversión de analógico a digital de 24 bits ahora es estándar y los dispositivos prácticos exhiben una linealidad de aproximadamente una parte por millón.
Los sismómetros se entregan con capacidades de salida analógica o digital. Los sismógrafos analógicos necesitan un equipo de registro analógico, que puede incluir un convertidor de analógico a digital. Por el contrario, la salida de un sismógrafo digital se puede enviar directamente a una computadora, presentando datos en un formato digital estandarizado (frecuentemente "SE2" transmitido a través de Ethernet).
Telesismómetros
El sismógrafo de banda ancha contemporáneo es capaz de registrar una gama excepcionalmente amplia de frecuencias. Se compone de una pequeña "masa de prueba" que está limitada por fuerzas eléctricas y controlada por una electrónica sofisticada. A medida que la Tierra se mueve, el sistema electrónico intenta mantener la masa en una posición estable a través de un circuito de retroalimentación. Posteriormente se registra la magnitud de la fuerza necesaria para lograr esta estabilidad.
En la mayoría de los diseños, el sistema electrónico mantiene activamente una masa inmóvil en relación con el marco del instrumento. Este dispositivo se denomina "acelerómetro de equilibrio de fuerzas" y mide la aceleración del movimiento del suelo en lugar de su velocidad. Fundamentalmente, la distancia precisa entre la masa y un componente de la estructura se mide utilizando un transformador diferencial lineal variable o, en algunos instrumentos, un condensador diferencial lineal variable.
Esta medición luego se amplifica mediante amplificadores electrónicos integrados en un circuito electrónico de retroalimentación negativa. Una de las corrientes amplificadas de este circuito de retroalimentación impulsa una bobina similar a la que se encuentra en un altavoz. El resultado de este proceso es que la masa permanece casi inmóvil.
La mayoría de los instrumentos miden directamente el movimiento del suelo utilizando un sensor de distancia. El voltaje generado en una bobina sensora sobre la masa por un imán cuantifica directamente la velocidad instantánea del suelo. Por el contrario, la corriente suministrada a la bobina impulsora proporciona una medición sensible y precisa de la fuerza ejercida entre la masa y el marco, midiendo así directamente la aceleración del suelo (basado en el principio F=ma, donde F representa la fuerza, m denota masa y a significa aceleración).
Un desafío persistente para los sismógrafos verticales sensibles implica la flotabilidad de sus masas internas. Las fluctuaciones en la densidad del aire, potencialmente inducidas por cambios de presión impulsados por el viento a través de una ventana abierta, pueden generar señales espurias en estos instrumentos. En consecuencia, la mayoría de los sismógrafos profesionales están encerrados en recintos rígidos y herméticos al gas. Por ejemplo, un modelo típico de Streckeisen presenta una base de vidrio gruesa que requiere la aplicación de adhesivo sin burbujas en su muelle.
Si bien puede parecer lógico utilizar un imán pesado como masa sísmica, esta elección de diseño introduce errores debido a los cambios en el campo magnético de la Tierra. Por lo tanto, los componentes móviles de los sismógrafos están fabricados con materiales que exhiben una interacción mínima con los campos magnéticos. Además, los sismógrafos son susceptibles a las variaciones de temperatura, lo que lleva a la construcción de muchos instrumentos a partir de materiales de baja expansión, como el invar no magnético.
Las bisagras de los sismógrafos suelen ser patentadas, y los diseños suelen evolucionar significativamente cuando caducan las patentes. Los diseños de dominio público más eficaces incorporan bisagras de lámina delgada aseguradas dentro de un mecanismo de abrazadera.
Un requisito crítico es la caracterización precisa de la función de transferencia de un sismógrafo para determinar su respuesta de frecuencia. Esta distinción frecuentemente diferencia los instrumentos de nivel profesional de los de aficionados. La mayoría de los sismógrafos se caracterizan en una mesa vibratoria de frecuencia variable.
Sismómetros de movimiento fuerte
Los sismómetros digitales de movimiento fuerte, también conocidos como acelerógrafos, constituyen una categoría distinta de sismómetros. Los datos adquiridos con estos instrumentos son fundamentales para comprender el impacto de los terremotos en las estructuras de ingeniería, un aspecto central de la ingeniería sísmica. Los registros de estos dispositivos son indispensables para la evaluación del riesgo sísmico en el campo de la sismología de la ingeniería.
Los sismómetros de movimiento fuerte cuantifican la aceleración, que posteriormente puede integrarse matemáticamente para derivar la velocidad y el desplazamiento. Si bien son menos sensibles a los movimientos del suelo que los instrumentos telesísmicos, los sismómetros de movimiento fuerte mantienen la integridad de las mediciones durante las sacudidas sísmicas más intensas.
Los sensores de movimiento fuerte también se emplean en aplicaciones de medidores de intensidad.
Otros formularios
Los acelerógrafos y geófonos con frecuencia consisten en imanes cilíndricos pesados que contienen una bobina montada en un resorte. A medida que la carcasa del instrumento se mueve, la bobina tiende a permanecer estacionaria, lo que hace que el campo magnético cruce los cables e induzca una corriente eléctrica en los cables de salida. Estos dispositivos detectan frecuencias que van desde varios cientos de hercios hasta 1 Hz. Algunos modelos incorporan amortiguación electrónica, lo que ofrece un método rentable para lograr una parte del rendimiento característico de los sismógrafos geológicos de banda ancha y circuito cerrado.
Los acelerómetros de haz de tensión, fabricados como circuitos integrados, se consideraron insuficientemente sensibles para los sismógrafos geológicos en 2002, sin embargo, se utilizan ampliamente en geófonos.
Otros diseños sensibles cuantifican la corriente producida por el flujo de un material no corrosivo. fluido iónico a través de una esponja electreto o un fluido conductor que atraviesa un campo magnético.
Sismómetros interconectados
Los sismómetros dispuestos en una matriz sísmica facilitan la localización tridimensional precisa de la fuente de un terremoto midiendo el tiempo de propagación de las ondas sísmicas desde el hipocentro, que es el punto inicial de ruptura de la falla. El Sistema Internacional de Vigilancia también utiliza sismómetros interconectados para detectar explosiones de ensayos nucleares subterráneos y sistemas de alerta temprana de terremotos. Si bien estos sismómetros se integran con frecuencia en iniciativas gubernamentales o científicas a gran escala, ciertas organizaciones, como Quake-Catcher Network, aprovechan detectores de tamaño residencial integrados en computadoras para la detección de terremotos.
En sismología de reflexión, se utiliza una serie de sismómetros para obtener imágenes de las características del subsuelo. Los datos adquiridos se procesan en imágenes mediante algoritmos análogos a la tomografía. Estas metodologías de reducción de datos se parecen a las empleadas en máquinas de rayos X para imágenes médicas tomográficas asistidas por computadora y en sonares de imágenes.
Una red global de sismómetros permite obtener imágenes del interior de la Tierra mediante el análisis de la velocidad de las ondas y la transmisividad. Estos sistemas utilizan fuentes sísmicas como terremotos, impactos o explosiones nucleares. Las primeras implementaciones de esta metodología se basaron en la reducción manual de datos a partir de cartas sismográficas en papel. Sin embargo, los registros sismógrafos digitales contemporáneos están optimizados para el procesamiento informático directo. La disponibilidad de diseños de sismómetros asequibles y conectividad a Internet ha facilitado incluso el establecimiento de "redes públicas de sismógrafos" por parte de aficionados e instituciones más pequeñas.
Históricamente, los sistemas sismográficos empleados para la exploración de petróleo o minerales utilizaban explosivos y una línea de geófonos desplegados desde un vehículo. Actualmente, la mayoría de los sistemas de corto alcance incorporan "golpes" que impactan el suelo, y algunos sistemas comerciales compactos cuentan con un procesamiento de señal digital avanzado capaz de generar suficiente señal para estudios refractivos de corta distancia con sólo unos pocos golpes de mazo. Ocasionalmente se implementan conjuntos de geófonos cruzados o bidimensionales especializados para obtener imágenes reflectantes tridimensionales de las características geológicas del subsuelo. El software básico de geomapeo refractivo lineal, alguna vez considerado una habilidad arcana, ahora está disponible comercialmente para computadoras portátiles y admite configuraciones con tan solo tres geófonos. Algunos sistemas contemporáneos están integrados en cajas de campo de plástico portátiles de 18 pulgadas (0,5 m), completas con una computadora, pantalla e impresora dentro de la tapa.
Los sistemas de imágenes sísmicas a pequeña escala se han vuelto lo suficientemente económicos para que los ingenieros civiles los empleen para inspeccionar los sitios de cimientos, identificar lechos de roca y localizar agua subterránea.
Cables de fibra óptica como sismómetros
Ha surgido una nueva técnica para la detección de terremotos que aprovecha los cables de fibra óptica. En 2016, un equipo de metrólogos que realizaban experimentos de metrología de frecuencia en Inglaterra observaron ruido que exhibía una forma de onda consistente con las ondas sísmicas generadas por terremotos. Esta observación se correlacionó con datos sismológicos de un terremoto de Mw6,0 en Italia, aproximadamente a 1400 km de distancia. Experimentos posteriores en Inglaterra, Italia y con un cable submarino de fibra óptica que se extendía hasta Malta, detectaron con éxito terremotos adicionales, incluido uno a 4.100 km de distancia y un terremoto ML3,4 a 89 km del cable.
Las ondas sísmicas son detectables porque inducen alteraciones a escala micrométrica en la longitud del cable. Estos cambios de longitud, a su vez, modifican el tiempo necesario para que un paquete de luz atraviese hasta el extremo más alejado del cable y regrese (usando una segunda fibra). Al emplear láseres ultraestables de grado metrológico, estos cambios de tiempo extremadamente pequeños, del orden de femtosegundos, se manifiestan como cambios de fase.
El punto preciso a lo largo del cable perturbado inicialmente por la onda P de un terremoto (esencialmente una onda sonora que se propaga a través de la roca) se puede determinar transmitiendo paquetes de luz bidireccionalmente a través de un par de fibras ópticas en bucle. La disparidad en los tiempos de llegada del primer par de paquetes perturbados indica la distancia a lo largo del cable. Este punto también representa el lugar más cercano al epicentro del terremoto, que debería estar en un plano perpendicular al cable. La diferencia de tiempo entre las llegadas de las ondas P y S proporciona una distancia (en condiciones óptimas), lo que limita el epicentro a una región circular. Para resolver la ambigüedad de esta solución inicial, es necesaria una segunda detección desde un cable no paralelo. Otras observaciones pueden refinar la ubicación del epicentro del terremoto y potencialmente determinar su profundidad.
Se prevé que esta metodología mejore significativamente la observación de terremotos, particularmente para eventos más pequeños, en vastas extensiones del océano global donde no hay sismómetros, y a un costo sustancialmente menor que los sismómetros tradicionales del fondo del océano.
Aprendizaje profundo
Investigadores de la Universidad de Stanford desarrollaron un algoritmo de aprendizaje profundo, llamado UrbanDenoiser, diseñado para detectar terremotos, especialmente en entornos urbanos. Este algoritmo filtra eficazmente el ruido ambiental de fondo de los datos sísmicos recopilados en áreas urbanas concurridas para aislar e identificar señales de terremotos.
Grabación
Actualmente, el sistema de grabación más utilizado comprende una computadora equipada con un conversor analógico a digital, una unidad de disco y una conexión a Internet; para uso amateur, basta con un ordenador personal con una tarjeta de sonido y el software adecuado. Si bien la mayoría de los sistemas registran continuamente, algunos están configurados para grabar solo al detectar la señal, lo que se indica mediante un aumento a corto plazo en la variación de la señal en relación con su promedio a largo plazo (que puede fluctuar lentamente debido a cambios en el ruido sísmico), un mecanismo comúnmente conocido como disparador STA/LTA.
Antes de la llegada del procesamiento digital de datos sísmicos a finales de la década de 1970, los registros sísmicos se almacenaban en varios medios utilizando distintos métodos. El tambor "Helicorder", por ejemplo, registraba datos en papel fotográfico o mediante tinta sobre papel. Otro dispositivo, el "Develorder", capturó datos de hasta 20 canales en películas de 16 mm, que luego podían verse y analizarse manualmente. Tras la implementación del procesamiento digital, los archivos de datos sísmicos pasaron a cintas magnéticas. Sin embargo, la degradación de estos medios de cinta magnética más antiguos ha hecho que una parte sustancial de las formas de onda archivadas sean irrecuperables.
- Acelerómetro
- Geófono
- Consorcio IRIS
- Red Sísmica del Noroeste del Pacífico
- Red de receptores de terremotos
Referencias
Una descripción histórica del desarrollo temprano de los sismómetros.
- La historia de los primeros sismómetros
- Un artículo de Scientific American que detalla el sismógrafo aficionado de Lehman y señala que su diseño no estaba destinado a mediciones calibradas. Archivado el 4 de febrero de 2009.
- Un diseño profesional para un telesismógrafo aficionado realizado por Sean Morrisey, un ingeniero de instrumentos sismográficos, con una versión comparable de Keith Payea. Este diseño avanzado incorpora un resorte de longitud cero durante un período de 60 segundos, retroalimentación activa y un distintivo transductor diferencial de reluctancia variable construido a partir de componentes reutilizados. Su transformación de frecuencia está meticulosamente diseñada, lo que lo distingue de los típicos dispositivos de aficionados. El recurso sigue estando disponible como servicio público, a pesar del fallecimiento de Morrisey.
- SeisMac, una aplicación gratuita para computadoras portátiles Macintosh contemporáneas, proporciona una función de sismógrafo de tres ejes en tiempo real. Archivado el 6 de marzo de 2010.
- Un artículo titulado "El desarrollo de la sismografía de banda muy ancha: Quanterra y la colaboración de Iris" explora la evolución histórica de tecnologías clave en la investigación global de terremotos. Archivado el 10 de agosto de 2016.
- Un vídeo que muestra un sismógrafo en el Observatorio de Volcanes de Hawái.
- Sismoscopio: Referencias de investigación (2012).
- Iris EDU: una explicación de la funcionalidad del sismómetro.
- USGS: Diferenciación entre sismómetros, sismógrafos y sismogramas, junto con una explicación de sus principios operativos.