320px|miniatura|Sismógrafo da Kinemetrics
Um sismógrafo é um sistema usado para detectar e registrar o movimento do solo causado por sismos, erupções vulcânicas, explosões e outras fontes de ondas sísmicas. O componente sensor do sistema é o sismômetro, que responde ao movimento do solo. O sismômetro é combinado com sistemas de temporização, aquisição e registro de dados para produzir um sismograma. Os termos sismógrafo e sismômetro também são usados como sinônimos, especialmente quando o sensor e o sistema de registro são tratados como um único instrumento. O registro produzido pelo sistema, antes feito em papel ou filme e depois armazenado e processado digitalmente, é um sismograma. Esses dados são usados para localizar e caracterizar sismos e para estudar a estrutura interna da Terra.
Princípios básicos Um sismômetro simples, sensível aos movimentos verticais da Terra, pode ser representado por uma massa suspensa por uma mola em uma estrutura presa ao solo. Quando a estrutura se move, a inércia faz com que a massa responda de maneira diferente. O movimento relativo entre a massa e a estrutura pode então ser usado para determinar o movimento do terreno.
miniatura|Sismógrafo básico de movimento horizontal. A inércia da massa circular tende a manter a caneta quase imóvel enquanto a base se move para a frente e para trás.
Nos antigos sismógrafos mecânicos, um tambor giratório podia ser preso à estrutura enquanto uma caneta era ligada à massa. O deslocamento relativo produzia diretamente o traçado de um sismograma.
Em um modelo simples formado por uma massa e uma mola, a frequência natural do sistema é dada por
em que é a constante elástica da mola e é a massa. A resposta do sismômetro depende da relação entre a frequência do movimento do solo e a frequência natural do conjunto. A suspensão e o amortecimento são escolhidos de acordo com a faixa de períodos que se pretende medir.
Os primeiros sismômetros usavam alavancas ópticas ou ligações mecânicas para amplificar os pequenos movimentos envolvidos e faziam o registro sobre papel coberto de fuligem ou papel fotográfico. Instrumentos eletrônicos substituíram esses sistemas em grande parte das redes sísmicas. Em muitos sismômetros de banda larga, a posição de uma massa inercial é medida eletronicamente e um circuito de realimentação negativa aplica uma força magnética ou eletromagnética para mantê-la próxima de sua posição de equilíbrio. A força de realimentação fornece informação sobre o movimento aplicado à massa. A eletrônica do instrumento pode configurar a resposta final para que a saída seja proporcional, por exemplo, à velocidade do solo dentro da banda de operação.
Em sensores eletromagnéticos passivos, como muitos geofones, o movimento relativo entre uma bobina e um ímã induz uma tensão elétrica. Na faixa de funcionamento acima da frequência natural do instrumento, essa tensão é aproximadamente proporcional à velocidade relativa do movimento.
Observatórios sísmicos costumam registrar três componentes ortogonais do movimento, duas horizontais, normalmente norte-sul e leste-oeste, e uma vertical. A combinação permite reconstruir o movimento do solo em três dimensões.
A instalação da estação afeta diretamente a qualidade dos dados. Sismômetros de banda larga são protegidos de variações de temperatura, inclinação superficial, vento, precipitação e ruído próximo. Instalações rasas podem ser feitas em abrigos enterrados com uma base acoplada ao terreno. Locais sobre rocha matriz costumam apresentar níveis menores de ruído que sedimentos superficiais pouco consolidados, e instalações em perfurações podem reduzir algumas formas de ruído superficial. A localização das estações também depende do objetivo da rede. Redes destinadas a movimentos fracos procuram cobertura espacial adequada, enquanto redes de movimento forte concentram instrumentos em regiões sujeitas a abalos intensos.
Nomenclatura A palavra sismômetro vem do grego σεισμός, seismós, "abalo" ou "sismo", derivado do verbo σείω, seíō, "sacudir", e μέτρον, métron, "medida". O termo foi criado por David Milne-Home em 1841 para designar um instrumento projetado pelo físico escocês James David Forbes.
Sismógrafo é outro termo de origem grega, formado a partir de seismós e γράφω, gráphō, "desenhar" ou "escrever". A palavra é usada com frequência como sinônimo de sismômetro, embora se ajuste melhor aos sistemas nos quais o sensor é acompanhado pelo equipamento de temporização e registro. Nos instrumentos antigos, essas funções faziam parte do mesmo aparelho. Os dois termos são usados de maneira parcialmente intercambiável na literatura sismológica.
Os sismoscópios diferem dos sismógrafos porque indicam a ocorrência de movimento sísmico sem produzir necessariamente um registro contínuo da forma de onda.
A disciplina técnica dedicada aos instrumentos e às suas medições é chamada sismometria, um ramo da sismologia.
A palavra "sismógrafo" também pode ser usada figurativamente para aparelhos que registram outras formas de variação. Uma estação que acompanha alterações no ruído eletromagnético capaz de afetar ondas de radioamador, por exemplo, pode ser chamada de "sismógrafo de RF". A heliossismologia estuda oscilações do Sol por métodos relacionados aos usados no estudo das ondas sísmicas terrestres.
História O primeiro detector sísmico bem documentado foi um sismoscópio construído na China no século II por Zhang Heng, matemático, astrônomo e funcionário da dinastia Han. A primeira descrição europeia conhecida de um aparelho para indicar a direção de um sismo foi feita pelo físico e sacerdote francês Jean de Hautefeuille em 1703. Instrumentos capazes de registrar continuamente a forma das ondas sísmicas foram desenvolvidos no século XIX.
Sismômetros foram instalados na Lua a partir de 1969 como parte do Pacote de Experimentos da Superfície Lunar da Apollo. Em dezembro de 2018, o módulo de pouso InSight instalou um sismômetro em Marte, a primeira colocação de um instrumento desse tipo na superfície de outro planeta.
Antiguidade miniatura|Réplica do sismoscópio Houfeng Didong Yi, de Zhang Heng
Em 132, Zhang Heng teria construído o sismoscópio chamado Houfeng Didong Yi, expressão traduzida como "instrumento para medir os ventos sazonais e os movimentos da Terra". A descrição preservada no Livro de Han Posterior fala de um grande recipiente de bronze com cerca de 2 metros de diâmetro. Em oito pontos ao redor da parte superior havia cabeças de dragão segurando esferas de bronze. Quando ocorria um sismo, uma das esferas caía na boca de um sapo de bronze situado abaixo, produzindo um som e indicando uma direção.
Em pelo menos uma ocasião, provavelmente durante um grande sismo em Gansu em 143, o aparelho teria indicado um abalo que não fora sentido no local. O texto antigo menciona uma coluna central capaz de se mover no interior do recipiente. A reconstrução exata do mecanismo permanece incerta, e diferentes projetos modernos foram propostos para explicar como apenas uma esfera seria liberada.
Primeiros projetos, 1703–1839 O físico e sacerdote francês Jean de Hautefeuille propôs um sismoscópio em 1703. O projeto empregava uma tigela cheia de mercúrio. O movimento faria o líquido transbordar para um de oito recipientes dispostos ao redor da tigela, mas não há comprovação de que Hautefeuille tenha construído o aparelho.
Um sismoscópio de mercúrio foi construído em 1784 ou 1785 por Atanasio Cavalli. Uma cópia encontra-se na biblioteca da Universidade de Bolonha. Outro aparelho de mercúrio foi construído por Niccolò Cacciatore em 1818. James Lind também construiu, no fim da década de 1790, um aparelho conhecido como "máquina de terremotos", cujo projeto e desempenho são pouco documentados.
Aparelhos com pêndulos avançavam na mesma época. O naturalista napolitano Nicola Cirillo montou uma rede de detectores de sismos com pêndulos depois do sismo da Apúlia de 1731. A amplitude era determinada por um transferidor que media a oscilação. O monge beneditino Andrea Bina modificou a ideia em 1751, fazendo o pêndulo deixar marcas na areia situada sob o mecanismo. As marcas permitiam estimar a amplitude e a direção do movimento. O relojoeiro napolitano Domenico Salsano criou em 1783 um pêndulo semelhante que registrava com um pincel. Ele o chamou de geo-sismometro, uma das primeiras utilizações de uma palavra próxima de sismômetro. O naturalista Nicolo Zupo projetou em 1784 um instrumento destinado a detectar perturbações elétricas e sismos.
O primeiro aparelho com algum êxito na determinação do horário de um sismo foi concebido por Ascanio Filomarino em 1796. Ele modificou o pêndulo de Salsano e empregou um mecanismo que liberava o balanço de um relógio quando ocorria o abalo. O relógio começava a funcionar no início do evento e permitia estimar seu horário.
Depois de um sismo em 4 de outubro de 1834, Luigi Pagani constatou que o sismoscópio de mercúrio da Universidade de Bolonha havia derramado todo o conteúdo. Ele projetou um aparelho portátil que usava pequenas esferas de chumbo para indicar a direção do movimento. As esferas caíam em quatro recipientes dispostos em círculo, permitindo determinar o quadrante de incidência. O instrumento ficou pronto em 1841.
Primeiros projetos modernos, 1839–1880 Depois de uma sequência de sismos perto de Comrie, na Escócia, em 1839, foi criado no Reino Unido da Grã-Bretanha e Irlanda um comitê encarregado de desenvolver detectores melhores. O resultado foi um sismômetro de pêndulo invertido construído por James David Forbes e apresentado num relatório de David Milne-Home em 1842. Um lápis colocado sobre papel acima do pêndulo registrava o movimento. Os aparelhos não alcançaram a precisão esperada. Milne-Home criou a palavra seismometer em 1841 para designar o instrumento.
Em 1843 foi empregado um pêndulo horizontal em um sismômetro relatado por Milne-Home, embora não esteja claro quem criou o arranjo. Robert Mallet publicou em 1848 propostas para novos sismômetros. O aparelho deveria registrar o horário, medir amplitudes nas direções horizontal e vertical e determinar a direção do movimento. Seu projeto recebeu financiamento e chegou a ser construído, mas não apresentou a precisão pretendida e não produzia um registro contínuo.
Karl Kreil construiu em Praga, entre 1848 e 1850, um sismômetro com um pêndulo cilíndrico rígido suspenso por um ponto e recoberto de papel. Um lápis fixo desenhava sobre o cilindro, que girava uma vez a cada 24 horas e fornecia uma estimativa do horário do abalo.
Luigi Palmieri projetou em 1856 um aparelho no qual movimentos sísmicos fechavam circuitos elétricos e acionavam mecanismos de registro. Entre suas funções estava o registro do horário dos abalos. Aparelhos de Palmieri foram instalados em observatórios, inclusive no Japão.
Em 1872, um comitê britânico chefiado pelo geólogo James Bryce manifestou insatisfação com os instrumentos disponíveis. Em 1875, o grupo escolheu uma versão de um dispositivo proposto por Mallet, formada por pinos cilíndricos de tamanhos diferentes instalados sobre um leito de areia. Sismos mais fortes derrubariam pinos maiores. O aparelho foi instalado na "Earthquake House", perto de Comrie, um dos primeiros edifícios construídos especificamente para observações sismológicas. Até 2013, nenhum sismo havia sido forte o bastante para derrubar os cilindros do aparelho original ou de suas réplicas.
Primeiros sismógrafos, desde 1875