Sismómetro

Algunas fuentes secundarias mencionan afirmaciones no verificadas de que pudo haber existido en el Antiguo Egipto un dispositivo parecido a un detector de terremotos, pero hasta enero de 2026, ninguna fuente histórica fiable lo confirma, y ​​el sismoscopio más antiguo bien documentado fue inventado en China por Zhang Heng en el año 132 d. C. ^{[ 12 ]}

En el año 132 d. C. , se dice que Zhang Heng, de la dinastía Han de China, inventó el primer sismoscopio (según la definición anterior), llamado Houfeng Didong Yi (que se traduce como "instrumento para medir los vientos estacionales y los movimientos de la Tierra"). La descripción que tenemos, de la Historia de la Dinastía Han Posterior , dice que era un gran recipiente de bronce, de unos 2 metros de diámetro; en ocho puntos alrededor de la parte superior había cabezas de dragón que sostenían bolas de bronce. Cuando había un terremoto, la boca de uno de los dragones se abría y dejaba caer su bola en un sapo de bronce en la base, produciendo un sonido y supuestamente mostrando la dirección del terremoto. En al menos una ocasión, probablemente durante un gran terremoto en Gansu en el año 143 d. C., el sismoscopio indicó un terremoto aunque no se sintió. El texto disponible dice que dentro del recipiente había una columna central que podía moverse a lo largo de ocho rieles; Se cree que esto se refiere a un péndulo, aunque no se sabe con exactitud cómo se vinculaba a un mecanismo que abría solo la boca de un dragón. El primer terremoto registrado por este sismoscopio fue supuestamente "en algún lugar del este". Días después, un jinete del este informó de este terremoto. ^{[ 9 ] [ 13 ]}

En el siglo XIII, existían dispositivos sismográficos en el observatorio de Maragheh (fundado en 1259) en Persia, aunque no está claro si estos fueron construidos de forma independiente o basados ​​en el primer sismoscopio. ^{[ 14 ]} El físico y sacerdote francés Jean de Hautefeuille describió un sismoscopio en 1703, ^{[ 10 ]} que utilizaba un recipiente lleno de mercurio que se derramaría en uno de los ocho receptores igualmente espaciados alrededor del recipiente, aunque no hay evidencia de que él realmente construyera el dispositivo. ^{[ 15 ]} Un sismoscopio de mercurio fue construido en 1784 o 1785 por Atanasio Cavalli , ^{[ 16 ]} una copia del cual se puede encontrar en la Biblioteca Universitaria de Bolonia, y otro sismoscopio de mercurio fue construido por Niccolò Cacciatore en 1818. ^{[ 15 ]} James Lind también construyó una herramienta sismológica de diseño o eficacia desconocidos (conocida como máquina de terremotos) a finales de la década de 1790. ^{[ 17 ]}

Los dispositivos de péndulo se desarrollaban simultáneamente. El naturalista napolitano Nicola Cirillo instaló una red de detectores de terremotos de péndulo tras el terremoto de Puglia de 1731, donde la amplitud se detectaba utilizando un transportador para medir el movimiento oscilatorio. El monje benedictino Andrea Bina desarrolló aún más este concepto en 1751, haciendo que el péndulo creara marcas en la arena bajo el mecanismo, proporcionando así la magnitud y la dirección del movimiento. El relojero napolitano Domenico Salsano fabricó un péndulo similar que registraba la actividad mediante un pincel en 1783, denominándolo geosismómetro , posiblemente el primer uso de una palabra similar a sismómetro . El naturalista Nicolo Zupo ideó un instrumento para detectar perturbaciones eléctricas y terremotos al mismo tiempo (1784). ^{[ 15 ]}

El primer dispositivo con un éxito moderado para detectar la hora de un terremoto fue ideado por Ascanio Filomarino en 1796, quien mejoró el instrumento de péndulo de Salsano, utilizando un lápiz para marcar y un cabello unido al mecanismo para inhibir el movimiento del volante de un reloj. Esto significaba que el reloj solo se pondría en marcha una vez que ocurriera un terremoto, lo que permitía determinar la hora de ocurrencia. ^{[ 15 ]}

Tras el terremoto ocurrido el 4 de octubre de 1834, Luigi Pagani observó que el sismoscopio de mercurio de la Universidad de Bolonia se había desbordado por completo y no proporcionaba información útil. Por ello, ideó un dispositivo portátil que utilizaba perdigones de plomo para detectar la dirección del terremoto. El plomo caía en cuatro recipientes dispuestos en círculo, lo que permitía determinar el cuadrante de incidencia sísmica. Completó el instrumento en 1841. ^{[ 15 ]}

En respuesta a una serie de terremotos cerca de Comrie en Escocia en 1839, se formó un comité en el Reino Unido para producir mejores dispositivos de detección de terremotos. El resultado fue un sismómetro de péndulo invertido construido por James David Forbes , presentado por primera vez en un informe de David Milne-Home en 1842, que registraba las mediciones de la actividad sísmica mediante el uso de un lápiz colocado sobre papel encima del péndulo. Los diseños proporcionados no resultaron efectivos, según los informes de Milne. ^{[ 15 ]} Fue Milne quien acuñó la palabra sismómetro en 1841 para describir este instrumento. ^{[ 4 ]} En 1843, se utilizó el primer péndulo horizontal en un sismómetro, reportado por Milne (aunque no está claro si fue el inventor original). ^{[ 18 ]} Tras estos inventos, Robert Mallet publicó en 1848 un artículo donde proponía ideas para el diseño de un sismómetro, sugiriendo que dicho dispositivo debería registrar el tiempo, las amplitudes horizontal y verticalmente, y determinar la dirección. Su diseño propuesto recibió financiación y se intentó su construcción, pero el diseño final no cumplió con sus expectativas y adolecía de los mismos problemas que el diseño de Forbes: era impreciso y no registraba automáticamente los datos. ^{[ 18 ]}

Karl Kreil construyó un sismómetro en Praga entre 1848 y 1850, que utilizaba un péndulo cilíndrico rígido suspendido de un punto y cubierto de papel, sobre el cual se dibujaba con un lápiz fijo. El cilindro giraba cada 24 horas, lo que proporcionaba una hora aproximada para un terremoto determinado. ^{[ 15 ]}

Luigi Palmieri , influenciado por el artículo de Mallet de 1848, ^{[ 18 ]} inventó en 1856 un sismómetro capaz de registrar la hora de un terremoto. Este dispositivo utilizaba péndulos metálicos que, mediante vibración, cerraban un circuito eléctrico , el cual a su vez accionaba un electroimán para detener un reloj. Los sismómetros de Palmieri se distribuyeron ampliamente y se utilizaron durante mucho tiempo. ^{[ 19 ]}

En 1872, un comité del Reino Unido, liderado por James Bryce, expresó su descontento con los sismómetros disponibles, que aún utilizaban el gran dispositivo Forbes de 1842 ubicado en la iglesia parroquial de Comrie, y solicitó un sismómetro compacto, fácil de instalar y de leer. En 1875, optaron por un gran ejemplar del dispositivo Mallet, que consistía en una serie de clavijas cilíndricas de diversos tamaños instaladas en ángulo recto entre sí sobre un lecho de arena, donde los terremotos más fuertes derribarían las clavijas más grandes. Este dispositivo se construyó en la "Casa del Terremoto" cerca de Comrie, considerada el primer observatorio sismológico construido específicamente para tal fin en el mundo. ^{[ 18 ]} Hasta 2013, ningún terremoto había sido lo suficientemente fuerte como para provocar la caída de ninguno de los cilindros, ni en el dispositivo original ni en sus réplicas.

Los primeros sismógrafos se inventaron en las décadas de 1870 y 1880. El primero fue fabricado por Filippo Cecchi alrededor de 1875. Un sismoscopio activaba el dispositivo para que comenzara a registrar los datos, y una superficie de registro producía automáticamente una representación gráfica de los temblores (un sismograma). Sin embargo, el instrumento no era lo suficientemente sensible, y el primer sismograma producido por él data de 1887, cuando John Milne ya había presentado su diseño en Japón . ^{[ 20 ]}

En 1880, el primer sismómetro de péndulo horizontal fue desarrollado por el equipo de John Milne , James Alfred Ewing y Thomas Gray , quienes trabajaron como asesores del gobierno extranjero en Japón, de 1880 a 1895. ^{[ 3 ]} Milne, Ewing y Gray, todos contratados por el Gobierno Meiji en los cinco años anteriores para ayudar en los esfuerzos de modernización de Japón , fundaron la Sociedad Sismológica de Japón en respuesta a un terremoto que tuvo lugar el 22 de febrero de 1880 en Yokohama (terremoto de Yokohama). Ewing construyó dos instrumentos durante el año siguiente: uno era un sismómetro de péndulo común y el otro era el primer sismómetro que utilizaba un péndulo horizontal amortiguado. El innovador sistema de registro permitió un registro continuo, siendo el primero en hacerlo. El primer sismograma se registró el 3 de noviembre de 1880 en ambos instrumentos de Ewing. ^{[ 20 ]} Los sismómetros modernos eventualmente derivarían de estos diseños. A Milne se le ha llamado el "padre de la sismología moderna" ^{[ 21 ]} y su diseño de sismógrafo ha sido denominado el primer sismómetro moderno. ^{[ 22 ]}

Esto produjo la primera medición efectiva del movimiento horizontal. Gray produciría el primer método confiable para registrar el movimiento vertical, lo que produjo las primeras grabaciones efectivas de 3 ejes. ^{[ 20 ]}

Un sismómetro primitivo de propósito especial consistía en un péndulo grande y fijo , con un estilete en la parte inferior. Cuando la Tierra comenzaba a moverse, la gran masa del péndulo tenía la inercia suficiente para permanecer inmóvil dentro del marco . Como resultado, el estilete dibujaba un patrón que correspondía al movimiento de la Tierra. Este tipo de sismómetro de movimiento fuerte registraba la actividad sísmica sobre un vidrio ahumado (vidrio con hollín de carbono ). Si bien no era lo suficientemente sensible como para detectar terremotos distantes, este instrumento podía indicar la dirección de las ondas de presión y, por lo tanto, ayudar a encontrar el epicentro de un terremoto local. Dichos instrumentos fueron útiles en el análisis del terremoto de San Francisco de 1906. En la década de 1980 se realizó un análisis más exhaustivo utilizando estos primeros registros, lo que permitió determinar con mayor precisión la ubicación inicial de la ruptura de la falla en el condado de Marin y su posterior propagación, principalmente hacia el sur.

Posteriormente, los conjuntos profesionales de instrumentos para la red sismográfica estándar mundial contaban con un conjunto de instrumentos sintonizado para oscilar a quince segundos y otro a noventa segundos, midiendo cada conjunto en tres direcciones. Los aficionados u observatorios con recursos limitados sintonizaban sus instrumentos, más pequeños y menos sensibles, a diez segundos. El sismómetro básico de péndulo horizontal amortiguado oscila como la puerta de una cerca. Un peso pesado se monta en el vértice de un  triángulo largo (de 10 cm a varios metros), articulado en su borde vertical. A medida que el suelo se mueve, el peso permanece inmóvil, haciendo oscilar la "puerta" sobre la bisagra.

La ventaja de un péndulo horizontal es que logra frecuencias de oscilación muy bajas en un instrumento compacto. La compuerta está ligeramente inclinada, de modo que el peso tiende a regresar lentamente a una posición central. El péndulo se ajusta (antes de instalar el amortiguador) para que oscile una vez cada tres segundos, o una vez cada treinta segundos. Los instrumentos de uso general de estaciones pequeñas o radioaficionados suelen oscilar una vez cada diez segundos. Se coloca una bandeja de aceite debajo del brazo, y una pequeña lámina de metal montada en la parte inferior del brazo arrastra el aceite para amortiguar las oscilaciones. El nivel de aceite, la posición en el brazo, el ángulo y el tamaño de la lámina se ajustan hasta que la amortiguación sea "crítica", es decir, casi se produce la oscilación. La bisagra tiene una fricción muy baja, a menudo mediante alambres de torsión, por lo que la única fricción es la interna del alambre. Los sismógrafos pequeños con masas de prueba bajas se colocan en el vacío para reducir las perturbaciones causadas por las corrientes de aire.

Zollner describió los péndulos horizontales suspendidos por torsión ya en 1869, pero los desarrolló para la gravimetría en lugar de la sismometría.

Los primeros sismómetros contaban con un sistema de palancas sobre cojinetes de rubí para rayar vidrio ahumado o papel. Posteriormente, los espejos reflejaban un haz de luz hacia una placa de registro directo o un rollo de papel fotográfico. Brevemente, algunos diseños volvieron a los mecanismos mecánicos para ahorrar costes. En los sistemas de mediados del siglo XX, la luz se reflejaba hacia un par de fotosensores electrónicos diferenciales denominados fotomultiplicadores. El voltaje generado en el fotomultiplicador se utilizaba para accionar galvanómetros con un pequeño espejo montado en su eje. El haz de luz reflejado, en movimiento, incidía sobre la superficie del tambor giratorio, que estaba recubierto de papel fotosensible. El elevado coste del revelado del papel fotosensible provocó que muchos observatorios sísmicos optaran por la tinta o el papel termosensible.

Tras la Segunda Guerra Mundial, los sismómetros desarrollados por Milne, Ewing y Gray se adaptaron para dar lugar al sismómetro Press-Ewing, de amplio uso .

El sismógrafo moderno de banda ancha puede registrar un amplio rango de frecuencias . Consiste en una pequeña masa de prueba, confinada por fuerzas eléctricas y controlada por sofisticados sistemas electrónicos . A medida que la Tierra se mueve, la electrónica intenta mantener la masa estable mediante un circuito de retroalimentación . La fuerza necesaria para lograrlo se registra posteriormente.

En la mayoría de los diseños, la electrónica mantiene una masa inmóvil con respecto al marco. Este dispositivo se denomina "acelerómetro de equilibrio de fuerzas". Mide la aceleración en lugar de la velocidad del movimiento del suelo. Básicamente, la distancia entre la masa y alguna parte del marco se mide con gran precisión mediante un transformador diferencial variable lineal . Algunos instrumentos utilizan un condensador diferencial variable lineal .

Esa medición se amplifica mediante amplificadores electrónicos conectados a partes de un circuito de retroalimentación negativa . Una de las corrientes amplificadas del circuito de retroalimentación negativa acciona una bobina similar a un altavoz . Como resultado, la masa permanece prácticamente inmóvil.

La mayoría de los instrumentos miden directamente el movimiento del suelo mediante un sensor de distancia. El voltaje generado en una bobina sensora sobre la masa por el imán mide directamente la velocidad instantánea del suelo. La corriente que llega a la bobina de excitación proporciona una medición precisa y sensible de la fuerza entre la masa y el marco, midiendo así directamente la aceleración del suelo (mediante la fórmula f=ma, donde f=fuerza, m=masa y a=aceleración).

Uno de los problemas persistentes de los sismógrafos verticales sensibles es la flotabilidad de sus masas. Las variaciones de presión causadas por el viento que incide sobre una ventana abierta pueden alterar fácilmente la densidad del aire en una habitación, lo suficiente como para que un sismógrafo vertical muestre señales erróneas. Por ello, la mayoría de los sismógrafos profesionales están sellados en carcasas rígidas herméticas. Por ejemplo, este es el motivo por el que un modelo común de Streckeisen tiene una base de vidrio grueso que debe pegarse a su soporte sin que queden burbujas en el adhesivo.

Podría parecer lógico usar un imán pesado como masa, pero esto expone al sismógrafo a errores cuando el campo magnético terrestre se desplaza. Por esta razón, las partes móviles del sismógrafo están construidas con un material que interactúa mínimamente con los campos magnéticos. Un sismógrafo también es sensible a los cambios de temperatura, por lo que muchos instrumentos se construyen con materiales de baja expansión, como el invar no magnético .

Las bisagras de un sismógrafo suelen estar patentadas, y para cuando la patente expira, el diseño ya ha sido mejorado. Los diseños de dominio público más exitosos utilizan bisagras de lámina delgada en una abrazadera.

Otro aspecto importante es que la función de transferencia de un sismógrafo debe caracterizarse con precisión para conocer su respuesta en frecuencia. Esta suele ser la diferencia crucial entre los instrumentos profesionales y los de aficionados. La mayoría se caracterizan en una mesa vibratoria de frecuencia variable.

Otro tipo de sismómetro es el sismómetro digital de movimiento fuerte, o acelerógrafo . Los datos de este instrumento son esenciales para comprender cómo un terremoto afecta a las estructuras construidas por el hombre, a través de la ingeniería sísmica . Los registros de estos instrumentos son cruciales para la evaluación del riesgo sísmico , a través de la sismología de ingeniería .

Un sismómetro de movimiento fuerte mide la aceleración. Esta se puede integrar matemáticamente más tarde para obtener la velocidad y la posición. Los sismómetros de movimiento fuerte no son tan sensibles a los movimientos del suelo como los instrumentos telesísmicos, pero mantienen su precisión durante los temblores sísmicos más intensos.

Los sensores de movimiento robustos se utilizan en aplicaciones de medición de intensidad.

Los acelerógrafos y geófonos suelen ser imanes cilíndricos pesados ​​con una bobina montada sobre un resorte en su interior. A medida que la carcasa se mueve, la bobina tiende a permanecer inmóvil, por lo que el campo magnético corta los cables, induciendo corriente en los cables de salida. Reciben frecuencias desde varios cientos de hercios hasta 1  Hz. Algunos cuentan con amortiguación electrónica, una solución económica para obtener un rendimiento similar al de los sismógrafos geológicos de banda ancha de circuito cerrado.

Los acelerómetros de haz de deformación construidos como circuitos integrados son demasiado poco sensibles para los sismógrafos geológicos (2002), pero se utilizan ampliamente en geófonos.

Otros diseños sensibles miden la corriente generada por el flujo de un fluido iónico no corrosivo a través de una esponja de electreto o un fluido conductor a través de un campo magnético .

Los sismómetros distribuidos en una red sísmica también pueden utilizarse para localizar con precisión, en tres dimensiones, el origen de un terremoto, midiendo el tiempo que tardan las ondas sísmicas en propagarse desde el hipocentro , el punto de inicio de la ruptura de la falla (véase también Localización de terremotos ). Los sismómetros interconectados también se utilizan, como parte del Sistema Internacional de Vigilancia, para detectar explosiones de pruebas nucleares subterráneas , así como en sistemas de alerta temprana de terremotos . Estos sismómetros suelen emplearse en proyectos gubernamentales o científicos a gran escala, pero algunas organizaciones, como la Red Quake-Catcher , también utilizan detectores domésticos integrados en ordenadores para detectar terremotos.

En la sismología de reflexión , una red de sismómetros genera imágenes de las estructuras del subsuelo. Los datos se transforman en imágenes mediante algoritmos similares a los de la tomografía . Los métodos de reducción de datos se asemejan a los de las tomografías computarizadas (TC) o los sonares de imágenes .

Una red mundial de sismómetros puede obtener imágenes del interior de la Tierra en términos de velocidad y transmisividad de las ondas. Este tipo de sistema utiliza eventos como terremotos, impactos o explosiones nucleares como fuentes de ondas. Los primeros intentos con este método emplearon la reducción manual de datos a partir de gráficos sismográficos en papel. Los registros sismográficos digitales modernos se adaptan mejor al uso directo por computadora. Gracias a los diseños de sismómetros económicos y al acceso a internet, aficionados y pequeñas instituciones incluso han formado una "red sismográfica pública". ^{[ 25 ]}

Los sistemas sismográficos utilizados para la exploración de petróleo u otros minerales históricamente empleaban un explosivo y un cable con geófonos desplegado detrás de un camión. Actualmente, la mayoría de los sistemas de corto alcance utilizan percutores que golpean el suelo, y algunos sistemas comerciales pequeños cuentan con un procesamiento de señal digital tan avanzado que unos pocos golpes de martillo proporcionan suficiente señal para estudios refractivos de corta distancia. En ocasiones, se utilizan matrices bidimensionales o cruzadas de geófonos para realizar imágenes reflectivas tridimensionales de las características del subsuelo. El software básico de geomapeo refractivo lineal (que antes era un arte complejo) está disponible comercialmente y se ejecuta en computadoras portátiles, utilizando cadenas de tan solo tres geófonos. Algunos sistemas ahora vienen en una caja de plástico de 0,5 m (18") con una computadora, una pantalla y una impresora en la tapa.

Actualmente, los sistemas de imágenes sísmicas de pequeño tamaño son lo suficientemente económicos como para que los ingenieros civiles los utilicen para inspeccionar emplazamientos de cimentación, localizar el lecho rocoso y encontrar agua subterránea.

Se ha descubierto una nueva técnica para detectar terremotos mediante cables de fibra óptica . ^{[ 26 ]} En 2016, un equipo de metrólogos que realizaba experimentos de metrología de frecuencia en Inglaterra observó ruido con una forma de onda similar a las ondas sísmicas generadas por terremotos. Se encontró que esto coincidía con las observaciones sismológicas de un terremoto de magnitud M _w 6.0 en Italia, a unos 1400 km de distancia. Experimentos posteriores en Inglaterra, Italia y con un cable de fibra óptica submarino a Malta detectaron terremotos adicionales, incluyendo uno a 4100 km de distancia y un terremoto de magnitud M _L 3.4 a 89 km del cable.   

Las ondas sísmicas son detectables porque provocan cambios a escala micrométrica en la longitud del cable. A medida que cambia la longitud, también lo hace el tiempo que tarda un paquete de luz en recorrer el cable de ida y vuelta (utilizando una segunda fibra). Mediante láseres de precisión metrológica ultraestables, estos cambios de tiempo extremadamente pequeños (del orden de femtosegundos ) se manifiestan como cambios de fase.

El punto del cable perturbado inicialmente por la onda P de un terremoto (esencialmente una onda sonora en la roca) se puede determinar enviando paquetes en ambas direcciones a través del par de fibras ópticas en bucle; la diferencia en los tiempos de llegada del primer par de paquetes perturbados indica la distancia a lo largo del cable. Este punto es también el más cercano al epicentro del terremoto, que debería estar en un plano perpendicular al cable. La diferencia entre los tiempos de llegada de las ondas P y S proporciona una distancia (en condiciones ideales), lo que permite delimitar el epicentro a un círculo. Se requiere una segunda detección en un cable no paralelo para resolver la ambigüedad de la solución resultante. Observaciones adicionales permiten precisar la ubicación del epicentro del terremoto y, posiblemente, determinar su profundidad.

Se espera que esta técnica sea de gran utilidad para observar terremotos, especialmente los de menor magnitud, en vastas zonas del océano mundial donde no existen sismómetros, y a un coste mucho menor que el de los sismómetros instalados en el fondo oceánico.

Investigadores de la Universidad de Stanford crearon un algoritmo de aprendizaje profundo llamado UrbanDenoiser que puede detectar terremotos, particularmente en ciudades urbanas. ^{[ 27 ]} El algoritmo filtra el ruido de fondo del ruido sísmico recopilado en ciudades concurridas en áreas urbanas para detectar terremotos. ^{[ 27 ] [ 28 ]}