Seismoskoobist seismograafini

Maailma esimese seismoskoobi olevat konstrueerinud Hiina tolleaegses pealinnas Luoyangis elanud õpetlane Chang Heng 132. aasta paiku eKr. Tema aparaat kujutas endast tõelist kunstiteost, mida hakati nimetama „maavärina tuulelipuks”. Seismoskoop oli ehitatud nii, et ta võis ligikaudu näidata ka seda, mis ilmakaares maavärin toimus. Meie päevadeni on kahjuks säilinud ainult selle aparaadi üksikasjalik väline kirjeldus…

Tegemist oli umbes 2-meetrise läbimõõduga metallvaasiga, mille välispinnale oli kinnitatud kaheksa draakonit, näoga peamiste ilmakaarte poole. Iga draakoni pea all istus konn, avatud suu draakoni pärani lõugade poole. Iga draakoni hammaste vahel oli kuul, mida hoidis kinni sisemine kangisüsteem. Kahjuks mehhanismi kirjeldus puudub, nii et me võime selle tööprintsiipi ainult oletada. Maavärina mõjul hakkas sisemine mehhanism (tõenäoliselt massiivne pendel) liikuma, mille tagajärjel kuul kukkus konnale suhu, kusjuures draakon näitas maavärina toimumise suunda. Ürikutes on kirjas, et aparaat olevat vähemalt kord reageerinud kaugel toimunud maavärinale. Ühel rahulikul päeval 138. aastal kukkus üks kuul konna suhu, kuigi kohalikud elanikud ei olnud mingit maa-alust tõuget tundnud. Chang Hengi kuulsus kasvas järsult, kui mitu päeva hiljem saabus linna ratsanik, kes teatas umbes 900 km kaugusel asuvas koduprovintsis toimunud tugevast maavärinast. Paraku pole maavärinate tabelis seda maavärinat kirjas.
Tegelikult oli Chang Hengi aparaat maavärina detektor, kuid liikuvate osade hõõrdumise tõttu ei saanud ta olla kuigi tundlik. Ka ei olnud sellel leiutisel mingit mõju kaasaegsete seismograafide arengule. Isegi Hiinas vajus Chang Hengi seismoskoop ajapikku unustusehõlma. Alles palju sajandeid hiljem loodi ülitundlikud aparaadid, mis võimaldasid registreerida maavärinaid mistahes maakera punktis.
Esimesed teated maavärinat registreerivate aparaatide kohta Euroopas pärinevad 18. sajandist, kui detektoritena kasutati pendleid. Sel viisil mõõtis Nicholas Cirrillo 1731. aastal tervet seeriat Napolit raputanud maa-aluseid tõukeid. Ent progress sel alal oli vaevaline ning varasemad detektorid ei fikseerinud maavärina saabumise aega ega andnud ka ettekujutust selle tugevusest.
19. sajandi keskel ehitas itaallane Luigi Palmieri Vesuuvi vulkaaniobservatooriumis seismoskoobi, mis registreeris ka maavärina algusaja. Palmieri 1856. aastal konstrueeritud sismografo elettro-magnetico registreeris liikuva massi ja spiraalvedru abil vertikaalseid tõukeid ning U-kujulisse torru valatud elavhõbeda abil horisontaalseid tõukeid. Kuigi Palmieri instrument ja ka teised tolleaegsed leiutised ei olnud seismograafid tänapäevases mõistes, näitasid need siiski maavärina toimumise suunda, intensiivsust ja kestust ning reageerisid nii vertikaalsetele kui horisontaalsetele tõugetele.

Seismograafi täiendamisel tehti suur samm edasi 1892. aastal, kui Jaapanis külas olev inglise professor John Milne (1850–1913) koos oma kolleegide James Ewingi ja Thomas Grayga Kuninglikust Ülikoolist konstrueerisid aparaadid, mis kellamehhanismiga ühendatult registreerisid maavärina kulgu ning märkisid lained üles fotopaberil. Seeläbi vähenes märksa hõõrdumine. Ühtlasi võttis Milne kasutusele liikuva registreerimislindi, millele lainetega samaaegselt märgiti automaatselt ka kellasignaalid. Seega täiustus tunduvalt aja fikseerimine. Kuid kahjuks ei liikunud lint küllalt kiiresti, mistõttu aja märkimine sellel ei olnud eriti täpne.
Kuna need seadmed olid küllaltki kompaktsed ja lihtsalt käsitsetavad, võeti need võeti kasutusele paljudes riikides. 1897. aastal pandi Ewingi seismograaf üles California ülikooli astronoomiaobservatooriumi. Kuigi hilisemad seismograafid on palju tundlikumad, on nende tööprintsiip jäänud samaks. See printsiip on järgmine:
Vabalt rippuvad esemed püüavad paigale jääda, kui maapind kõikuma hakkab. Seega annab rippuva pendli inerts – omadus paigale jääda – meile liikumatu või peaaegu liikumatu punkti, millest mõõtmist alustada. Enamik seismograafe ongi ehitatud selle printsiibi järgi. Pendelseismograafid on ammu tuntud, kuid esialgu ei olnud nad eriti täpsed, sest olid vaid mehaanilised. Nende tundlikkus ja täpsus kannatas tublisti selle tõttu, et pendlile tuli lisada kirjutusvahend, mis paberile joone tõmbas. Kaugete maavärinate nõrkade võngete mõõtmisel ei andnud nad kuigi häid tulemusi. Et seda puudust kõrvaldada, hakati tegema üha raskemaid pendleid. See jätkus senikaua, kuni seismoloogid tüdisid hooplemast oma aparaatide tohutu kaaluga. Kahekümnetonnised seismograafid muutusid üsna tavaliseks nähtuseks. Kuid paraku puudus ka neil küllaldane tundlikkus.
Füüsik ja geofüüsik, leedu vürst Boriss Golitsõn (1862–1916) leidis seismiliste aparaatide täiustamiseks parema tee. Tema idee seisnes selles, et ta kinnitas pendli külge peene mähisega pooli ja paigutas selle magnetpooluste vahele. Seega vabastati pendel täielikult mehaanilisest koormast, mida tal seni võngete registreerimisel kanda oli tulnud. Maapinna kõikudes jäi pendel rahulikult paigale, liikuv magnet aga tekitas poolis nõrga elektrivoolu. Golitsõni idee aluseks oli kuulus magnetilise induktsiooni printsiip, mille 19. sajandi keskel avastas Faraday ja mida tänapäeval kasutatakse kõikides elektrigeneraatorites. Vool, mis tekkis Golitsõni süsteemis, pani liikuma tundliku elektriindikaatori, mida nimetati galvanomeetriks, ja lained said täpselt üles kirjutatud.

Pendelseismograaf registreerib ainult ühesuunalisi võnkeid, suutmata anda tervikpilti erisuunalistest lainetest. Et seda puudust kõrvaldada, on kõik kaasaegsed seismilised jaamad varustatud aparaatidega, mis registreerivad eraldi mistahes suunas kulgevaid laineid.
Teatavasti reageerivad seismograafid igale maapinna võnkumisele. Nad registreerivad suuri torme mere kohal, murdlaineid rannikul, kuid ka tänavaliiklusest põhjustatud maapinna vibratsiooni. Selliseid taustvärinaid nimetatakse mikroseismideks. Ka kõige rahulikumal päeval on seismogrammi joon siksakiline. Võimaluse korral paigutatakse seismograafid kohtadesse, kus mikroseismid on minimaalsed. Üks kuulsamaid seismoloogiajaamu USA-s asus aastatel 1964–1984 Jamestowni lähedal ühe mahajäetud kaevandusšahti põhjas. Jaam asus kaugel rannikust ning inimtegevusega seotud paikadest, nii et mikroseismide mõju oli seal minimaalne. Igasuguste taustvõngete mõju puudumine võimaldas registreerida isegi teisel pool maakera toimunud suhteliselt nõrku maavärinaid.
Maavärinad erinevad üksteisest tohutult oma tugevuse poolest. Kui seismograafiga registreerida kõige tugevamat ja kõige nõrgemat maavärinat, osutuks esimene miljoneid kordi teisest tugevamaks. Vajadus maavärinate tugevuse skaala järele tekkis juba ammu, kuid selle loomine oli üsna keeruline.
Itaalia õpetlane Pignataro, kes arvas, et ta on avastanud maavärinate sõltuvuse Kuu asendist taevavõlvil, kavandas maavärinate mõõteskaala juba 1785. aastal. Sama tegi saksa teadlane P. Egen ligi pool sajandit hiljem, kuid rahuldavat astmikku luua ei õnnestunud kummalgi ja nende skaalad ei leidnud üldist kasutamist. 1878. aastal kavandasid kaks uurijat, itaalia õpetlane De Rossi ja Šveitsi teadlane Forel, küllaltki sobiva mõõteskaala. Rossi-Foreli skaalat kasutatakse siin-seal tänapäevalgi. See skaala kujutab endast maavärinate mitmesuguste tagajärgede kirjeldust, kusjuures arvesse on võetud tunnused, mida vaatlejad võivad märgata ja hinnata, nagu näiteks korstnate ümberkukkumine või seinte pragunemine.

Teine itaalia õpetlane Mercalli, kes oli tõsiselt uurinud maavärinaid, mis leidsid aset ajavahemikus 1883–1901, töötas välja täpsema viisi nende kirjeldamiseks ning koostas 12-pallise skaala. Seda skaalat on hiljem muudetud vastavalt kohalikele tingimustele. Ühel või teisel kujul kasutavad seda tänapäeval insenerid ja muud asjamehed, kes nii või teisiti on seotud maavärinakahjustuste uurimisega. Nii mõnigi seismoloog on nimetanud seda skaalat primitiivseks, sest selle järgi on võimalik hinnata maavärina tugevust vaid kaudselt.
Astronoomid kasutavad juba ammu tähtede suuruse mõõtmiseks skaalat, mis rajaneb tähe suhtelise heleduse mõõtmisel teleskoobi abil. California tehnoloogiainstituudi teadlased Beno Gutenberg ja Charles Richter töötasid 1935. aastal välja analoogilise süsteemi maavärina võimsuse mõõtmiseks.
Nii loodigi logaritmiline võimsusskaala, mida tuntakse Richteri skaala nime all ja mis näitab maavärina ajal vabanenud energia hulka. Teadlased lähtusid lihtsast tõsiasjast, et seismiliste lainete intensiivsus sõltub suurel määral maavärina energiast. Tugevamad maavärinad kutsuvad esile tugevamaid laineid. Mida tugevamad on lained, seda märgatavamad on nende jäljed seismogrammidel. Kuna võngete amplituud muutub kauguse suurenedes väiksemaks, tegi Richter ettepaneku võtta standardiks amplituudi suurus 100 km kaugusel maavärina epitsentrist. Definitsioon oleks selline: kui Wood-Anderseni seismograaf 100 km kaugusel maavärina epitsentrist joonistab üles 1-sentimeetrise amplituudi, on maavärina võimsus 4 magnituudi.
Erinevalt Mercalli modifitseeritud skaalast puuduvad Richteri võimsusskaalal astmed. See on numbriline skaala, kus numbrid on energiaga seotud kiiresti kasvavas progressioonis. See tähendab, et maavärina võimsuse kasvuga ühe magnituudi (võimsuse ühiku) võrra kaasneb 62 korda suurem energiahulk.

Maavärin, mille võimsus on 7 magnituudi (väga võimas maavärin), on 62 korda tugevam 6-magnituudisest värinast. Nagu näha, kasvavad niisugusel skaalal numbrid kiiresti nullist kuni väga suurte arvudeni. Maavärinate võimsuse väljendamiseks selle skaala järgi ei kasutata üksnes täisarve; maavärina võimsus võib olla näiteks 6,5 või 7,2 magnituudi. Pärast seismograafide kasutuselevõtmist on sel sajandil ainult mõned maavärinad saavutanud tugevuseks 8,5 või rohkem.
Richteri skaalat kasutatakse maavärinate klassifitseerimiseks. 2-magnituudist või väiksemat maavärinat nimetatakse mikrovärinaks ja seda inimene ei taju. Maavärin võimsusega 6 magnituudi on keskmise tugevusega, kuigi võib põhjustada suurt kahju, kui toimub tihedalt asustatud piirkonnas. Maavärinat võimsusega 7,1 magnituudi (näiteks Loma Prieta maavärin 1989. aastal) klassifitseeritakse aga raskeks. Maavärin võimsusega 8 magnituudi või rohkem vabastab tohutu hulga energiat ning seda klassifitseeritakse väga tugevaks maavärinaks.

 

Modifitseeritud maavärinaskaala – Intensiivsus Mercalli-Siebergi järgi – võimsus (magnituudides) Richteri järgi (arvudes)

1. Märkamatu. Seda märgivad ainult kõige tundlikumad aparaadid.
2. Väga nõrk. Märgivad kõik riistad. Tuntav vaid vähestele ülemistel korrustel viibijatele, ent ka ainult siis, kui nad istuvad või lamavad rahulikult. Vabalt rippuvad esemed võivad õõtsuda. 3,0
3. Nõrk. Kõikumised on vaevu tajutavad, kuid neid kaugeltki mitte kõigi poolt. Hirmu ei tunta. Seisvad autod võivad kergelt kõikuda. 3,0–3,9
4. Mõõdukas. Uksed ja aknad värisevad kergelt. Mõned toas rippuvad esemed kõiguvad nõrgalt. Lauanõud ja aknad klirisevad, seinad nagisevad. Enamik hoonetes viibivaid inimesi tunneb tõukeid. On tunne, nagu oleks möödasõitev auto maja rappuma pannud. Seisvad autod kõiguvad märgatavalt. 4,0–4,9
5. Tuntav. Hoonetes ja ka mõned väljas viibivad inimesed tunnevad maapinna kõikumisi. Magajad ärkavad. Uksed sulguvad ja avanevad. Rippuvad esemed kõiguvad. Kinnitamata esemed kukuvad ümber. Ülesriputatud kellukesed helisevad. Pendelkellad võivad seisma jääda. Hoonetes mõraneb üksikutes kohtades krohv. Mõnikord täheldatakse puude, postide ja teiste kõrgete esemete kõikumist. 5,0–5,9
6. Tugev. Tunnevad kõik. Paljud jooksevad ehmunult majadest välja. Esemed toas kukuvad. Krohv variseb. Hooned saavad kohati kahju. Paiguti langeb krohv alla või varisevad korstnad. Purustused väikesed.
7. Väga tugev. Hirm. Inimesed põgenevad. Tornikellad helisevad. Korstnad purunevad. Laed ja seinad pragunevad. Halvasti ehitatud hoonetes suured purustused. 6,0–6,9
8. Purustav. Paanika. Mõned majad purunevad täielikult. Palju inimohvreid. Paneelseinad langevad sõrestikkonstruktsioonidest välja. Varisevad korstnad, sambad, monumendid, seinad. Raske mööbel paisatakse ümber. Kaevudes muutub veetase.
9. Laastav. Paljude hoonete täielik häving. Osa maju muutub elamiskõlbmatuks. Palju surmajuhtumeid. Ehitised nihkuvad alusmüüridelt. Maapind lõheneb. Maa-alused kommunikatsioonid purunevad. 7,0–7,9
10. Äärmiselt laastav. Enamik kivi- ja sõrestikehitisi puruneb koos alusmüüridega, maapind lõheneb tugevasti. Raudteerööpad kõverduvad. Jõgede kallastel ja järskudel nõlvadel toimuvad märgatavad maalihked. Liiva- ja mudavoolud. Palju purustusi ja ohvreid. Lõhed maakoores. Varisemised mägedes.
11. Katastroofiline. Enamiku kiviehitiste, sildade, paisude ja tammide täielik häving. Palju lõhesid, maalihkeid. Kaljude varisemine. 8,0–8,9
12. Äärmiselt katastroofiline. Maapind lainetab. Maastik muutub tundmatuseni. Esemed paiskuvad õhku. Kõikide, mitte ainult kivi-, vaid ka puitehitiste häving. Palju varisemisi mägedes ja vajumisi tasastel kohtadel, suurte alade nihked maakoores. 9,0

© Peter Hagen