Bau und Organisation einer Schulseismographenstation mit digitaler Fernabfrage und Konstruktion eines Lehrseismographen

2. Bau und Organisation der Seismographenstation

2.1 Allgemeine Funktionsweise eines Seismographen

Um ein Erdbeben aufzeichnen zu können, braucht man eigentlich nur einen "absolut ruhenden Punkt", welcher sich bei einem Erdbeben nicht mit der Erde mitbewegt. An diesem Punkt würde man eine Induktionsspule befestigen. Ferner braucht man einen Magneten, der fest auf der Erde, nahe der Spule sitzt. Bei einem Erdbeben wird sich dann der Magnet relativ zur Spule bewegen und in ihr eine elektrische Spannung induzieren, die man messen kann. Leider gibt es einen solchen "Archimedischen Punkt" nicht und damit sind wir bereits beim Prinzip unseres Seismographen: die Spule und eine Masse wird an einem Pendel befestigt, welches eine sehr lange Schwingungsdauer hat und aufgrund seiner Trägheit den Erdbebenwellen immer hinterherhinkt. Mit einem Fadenpendel lässt sich eine große Schwingungsdauer nur schwer realisieren: z.B. müsste ein Fadenpendel mit 20s Schwingungsdauer länger als 100m sein. Deshalb haben wir uns für ein Horizontalpendel nach dem "Gartentorprinzip" entschieden, mit dem leicht eine Schwingungsdauer von 20s erreicht werden kann. [4]

Ein seismographisches Pendel muss beachtlich gedämpft sein, denn ungedämpft würde das Pendel nach einem Erdstoß ungehindert weiterschwingen, wodurch der weitere Verlauf des Bebens "verschluckt" würde. Bei einer geeigneten Dämpfung ist das Verhältnis zweier aufeinanderfolgender Maximalauslenkungen etwa 23:1, da ab dieser Dämpfung das Pendel nicht mehr in Resonanz geraten kann.

Bei einem Fernbeben gehen die Erdbebenwellen einerseits direkt durch die Erde hindurch, andererseits pflanzen sie sich an der Erdoberfläche fort; währenddessenen wird das am Erdbebenherd sehr kurze Signal (typisch <40 Sek.) zeitlich gespreizt: das Erdbebensignal kann dann - je nach Entfernung - beim Empfänger sogar länger als eine Stunde dauern. Eine geeignete Schwingungsdauer des Pendels für Fernbeben liegt bei mindestens 20s.

Abb. 2.1: Prinzip des Seismographen

Abbildung 2.1 zeigt den prinzipiellen Aufbau unseres Horizontalseismographen: Der Pendelkörper m wird nach oben hin von einem im Punkt P an der Hauswand befestigten Stahldraht der Länge L gehalten. Zur Seite hin ist der Pendelkörper an einer Stange der Länge b befestigt, deren anderes Ende drehbar nahe an der Hauswand gelagert ist. Durch Änderung des Abstandes von P zur Wand ändert sich der Neigungswinkel β und somit die Schwingungsdauer des Pendels: Für β=0 befindet sich das Pendel im indifferenten Gleichgewicht mit unendlich großer Schwingungsdauer.

Für die Schwingungsdauer des Seismographen gilt:

g·tan β = reduzierte Erdbeschleunigung (Astasierung). Bei unserem Pendel ist b ≈ 0,5m und β ≈ 0,24�.

2.2 Bau und Organisation der Seismographenstation

Zur Bestimmung von Herdzeit (Ausbruch des Bebens), Herdentfernung und der Stärke des Bebens reicht ein Seismograph aus. Für die Lokalisation eines Bebens mit Hilfe einer einzigen Seismographenstation benötigt man die Aufzeichnung der Erdschwingung in allen drei Raumrichtungen: dazu sind zwei Horizontalseismographen (für Nord-Süd- bzw. Ost-West-Bewegung) und ein Z-Seismograph (Bodenbewegung in vertikaler Richtung) nötig.

Bei unserer Station im Keller des Gymnasiums, der als Luftschutzbunker geplant wurde, ergaben sich beste Voraussetzungen für das Aufstellen der Seismographen - massive Wände stehen auf einem sehr stabilen Fundament, das direkt auf Fels (rheinisches Schiefergebirge) gründet. Zur Befestigung des Magneten mit der Erde haben wir zwei schwere Betonklötze fest mit dem Boden vergossen. Da wir seinerzeit ziemliche Laien auf dem Gebiet des Seismographenbaus waren, war dies auch vorteilhaft, da die Seismographen dann nicht auf dem Boden, sondern in angenehmer Arbeitshöhe standen. Die Aufhängungen des Nord-Süd Seismographen wurden an einer Außenwand des Kellers befestigt, hinter der sich ein Erdwall befindet. Der Ost-West Seismograph wurde an einer inneren Wand aufgehängt. Leider beobachteten wir starke Störsignale in den Aufzeichnungen dieses Seismographen, die durch windbedingte Gebäudeschwankungen entstanden. Diese Störung haben wir dadurch behoben, indem wir die Aufhängung von der Wand entkoppelten: Auf den Betonsockel wurden hochkant zwei quaderförmige Marmorsteine gestellt; an dem größeren wurden die Aufhängungen erneut angebracht, (vgl. Abb. 2.2). Beim Lehrseismographen ergeben sich diese Probleme nicht, da dieser nur an den Boden gekoppelt ist.

Abb. 2.2: Raumplan der Seismographenstation im St.-Michael-Gymnasium und ihre geographische Lage. Die Abweichungen der Schwingungsrichtungen von der Außenmauerrichtung sind übertrieben dargestellt.

Dank der Unterstützung durch die Landvermesser Herrn Mertens (Monschau- Konzen) und Herrn Honke (Fa. Tutthas und Meyer, Bochum) ist γ bekannt (γ=8,38�). über Triangulation haben wir θ und δ₂ bestimmt, θ=89,7� und δ₂=90,4� (vgl. Kap. 3.2.3)