Del sismoscopio al sismómetro
Caridad Cárdenas Monroy
Un recorrido por la evolución tecnológica de estos instrumentos, desde los primeros aparatos que avisaban cuando estaba temblando hasta los modernos sismómetros que registran en tres dimensiones los movimientos del suelo
Todo indicaba que aquel sería otro intenso día de combate bajo el sol, como todos desde que el emperador de China ordenara la conquista de la nación de Miao. El enemigo retrocedía y la victoria parecía inminente. El general Xiahou, comandante de la invasión, se sentía cansado pero satisfecho. Iba a cumplir los deseos del emperador, pues este triunfo fortalecería sus dominios. De repente, a mitad del combate, el suelo teñido en sangre se estremeció con tal violencia que costaba trabajo mantenerse en pie.
El terremoto causó más conmoción que la misma guerra. La tremenda sacudida tomó a todos por sorpresa y los soldados, confundidos, abandonaron sus puestos, poniendo fin a una batalla legendaria que ocurrió aproximadamente en el siglo xx antes de nuestra era, hace unos 4000 años. Se trata de una época tan lejana que de ella se conservan muy pocos documentos históricos, pero ese fuerte temblor en la antigua China impresionó tanto al general Xiahou que dejó plasmado el hecho en un libro de bambú, uno de los pocos que se conservan hasta hoy.
El libro de Xiahou es uno de los testimonios más antiguos que existen de un terremoto —desde luego hubo muchos terremotos antes, pero no hay documentos que los mencionen—. Los registros en bambú como ese forman parte de los primeros escritos que se conocen en la historia de China.
Poco más de 2000 años después de ese terremoto histórico, un estudioso de los temblores llamado Zhang Heng inventó el primer aparato para detectarlos.
No digas “trepidatorio”…
La mayoría de los equipos sísmicos actuales registran el movimiento del suelo en tres direcciones: la componente vertical y dos componentes horizontales, norte-sur y este-oeste. Todos los sismos producen movimiento tanto horizontal como vertical, por lo que los términos “oscilatorio” y “trepidatorio” ya no se usan para clasificar sismos.
El sismoscopio
El aparato que construyó Zhang Heng en el siglo i d.C. consistía en un jarrón adornado con ocho cabezas de dragón. Cada uno sostenía en las fauces una pelotita en equilibrio precario y debajo de él había una rana con la boca abierta. Cuando el jarrón se movía a causa de un temblor, una o varias pelotitas caían en las bocas abiertas de las ranas. Para determinar la dirección del movimiento telúrico era necesario orientar el jarrón de manera que cada dragón quedara dirigido hacia uno de los ocho puntos cardinales (norte, sur, este, oeste, suroeste, sureste, noreste y noroeste). La dirección se determinaba observando de qué lado caían las bolitas.
El jarrón tenía un simbolismo encantador, pues hacía referencia al dios de la meteorología, representado por el dragón, que alimentaba a la rana, el animal de la buena suerte en la mitología china. Era un aparato hermoso, pero no bastaba para describir el movimiento del suelo, porque los sismos hacen vibrar la tierra en todas direcciones, incluyendo la vertical. Los artefactos como éste se llaman sismoscopios y son capaces de detectar un temblor en el momento en que ocurre, pero no pueden dejar un registro de su comportamiento. Desde luego, nadie sabía por qué ocurrían los sismos, que se atribuían a alteraciones cósmicas o climáticas que hoy sabemos no tienen ninguna relación con las sacudidas de la tierra.
Mucho tiempo después, en 1703, y del otro lado del mundo, el abad francés Jean de Hautefeuille construyó un sismoscopio similar pero que funcionaba con mercurio, quizá para emular al físico italiano Evangelista Torricelli, que unos años antes usó ese metal líquido en la fabricación de un barómetro. El mecanismo se basaba en un pequeño cuenco de madera lleno de mercurio. Tenía ocho canales que se orientaban en las direcciones cardinales y ocho tazas en las que se vertía el mercurio derramado por un sismo.
Los sismoscopios posteriores fueron radicalmente distintos, pues consistían en péndulos simples con algún objeto en la punta que trazaban el movimiento que el sismo le imprimía al mecanismo. Uno de los primeros de este estilo probablemente fue el que construyó el geólogo Andrea Bina en Italia en 1751. Su aparato consistía en una larga cuerda de cuyo extremo colgaba una pesada roca. Una punta metálica atada a la roca se hundía ligeramente en un recipiente de arena, de tal manera que al oscilar, el péndulo trazaba el movimiento. Con el péndulo de Andrea Bina comienza la transición del sismoscopio al sismógrafo, aparato que no sólo detecta el temblor sino que registra el movimiento, aunque en este caso se tratara de un efímero rastro en la arena.
Alertar o no alertar
A finales del siglo xviii un relojero italiano de nombre Ascanio Filomarino concibió la genial idea de adaptar un reloj de modo que detectara el momento en el que comenzaba a oscilar el péndulo, para así determinar la hora del sismo; se le ocurrió la idea después de que los terremotos que acompañaron una espectacular erupción del volcán Vesuvio en 1794 destruyeron la ciudad de Torre del Greco. El reloj incluso hacía sonar unas campanillas para avisar que estaba temblando. En la industria relojera ya se fabricaban mecanismos con alarmas muy eficaces, algunas de tipo gong, o los bonitos y famosos relojes de cucú. Filomarino aplicó el mismo tipo de sistema para la alarma de su péndulo sísmico. Ésta es una de las primeras alertas sísmicas que se conocen, aunque no se trataba de una alerta temprana sino de una que sonaba al mismo tiempo que empezaba el temblor. Filomarino fue asesinado en el tumulto provocado por la entrada a Nápoles de un ejército invasor francés, en 1799. La turba incendió su palacio y así se perdieron pinturas, libros, rocas, mecanismos de relojería y los instrumentos que construyó. El problema con los instrumentos de péndulo como el de Ascanio Filomarino era que seguían oscilando aun cuando el terremoto ya había terminado y el dibujo que trazaban no representaba fielmente el desplazamiento producido por el sismo.
Primeros sismógrafos en forma
En 1844 el físico escocés James David Forbes diseñó un instrumento con el que esperaba representar de manera más realista el movimiento del suelo durante un sismo. A Forbes le encantaba el montañismo, deporte que despierta el amor y la curiosidad por la naturaleza. Se interesó por los fenómenos relacionados con la geología y concibió un aparato de péndulo, pero invertido, para registrar temblores. El diseño de su instrumento empleaba una varilla metálica flexible con una masa esférica cuya posición podía ajustarse. Un alambre que se podía tensar apretando un tornillo sostenía la varilla para que el movimiento del péndulo variara con la rigidez del alambre o la altura de la masa. En la prolongación de la barra, un lápiz dibujaba sobre un papel pegado a un casquete esférico encima del péndulo.
El aparato de Forbes con su péndulo invertido era más estable que los de péndulo común. Lo notable es que Forbes acompañó las especificaciones de su instrumento con la teoría matemática de su funcionamiento. Fue el primero en describir matemáticamente el comportamiento de un instrumento sísmico.
Alerta sísmica
Los sismos no se pueden predecir, sólo registrar en el momento en que ocurren. Pero las ondas sísmicas que parten del epicentro en todas direcciones como el clamor de un alarido tardan cierto tiempo en llegar a lugares apartados. Propagándose a entre 6 y 10 kilómetros por segundo (dependiendo de las propiedades del subsuelo), las ondas sísmicas provenientes de las costas de Michoacán pueden tardar hasta 100 segundos en llegar a la Ciudad de México, por ejemplo. En cambio, una señal de radio, viajando a la velocidad de la luz (300 000 kilómetros por segundo), recorre el mismo trayecto en una milésima de segundo. Esta diferencia es el principio de funcionamiento de la alerta sísmica.
El Sistema de Alerta Sísmica Mexicano (operado por el Centro de Instrumentación y Registro Sísmico) consiste en 97 sensores distribuidos en la costa del Pacífico (donde se origina la mayoría de los sismos que afectan el centro del país), desde bahía de Banderas hasta el istmo de Tehuantepec, más estaciones distribuidas por Puebla, Guerrero y Oaxaca. Los sensores pueden detectar sismos en un radio de 90 kilómetros de donde están instalados. Si dos o más estaciones detectan movimiento de cierta intensidad, el sistema calcula automáticamente un primer estimado de la magnitud y envía la señal de alerta si el cálculo supera cierto umbral (magnitud 5). Que la recibas en tu ciudad dependerá de esta estimación y también de la distancia a la que te encuentres del origen del sismo: sismo leve o ciudad distante no amerita alerta porque las ondas llegarán muy atenuadas para causar daños. En general, la alerta sísmica te dará entre 20 y 120 segundos para tomar precauciones antes de la llegada de las ondas sísmicas a tu ciudad.
En Italia, entre tanto, el ingenio fl orecía. En 1856 Luigi Palmieri, vulcanólogo napolitano conocido por sus estudios del Vesubio, instaló en el volcán su sismógrafo “electromagnético”, que en realidad era un conjunto de sismoscopios que podían detectar el movimiento horizontal y el vertical, a diferencia de los aparatos anteriores, que en su mayoría sólo detectaban el movimiento horizontal.
En la maquinaria de Palmieri el movimiento vertical se detectaba mediante una masa cónica amortiguada suspendida sobre una palangana de mercurio. Al moverse, esta masa tocaba la lisa superficie metálica, lo que cerraba un circuito eléctrico que detenía un reloj a la hora del sismo. El movimiento horizontal se observaba por medio de péndulos comunes, pero éstos también cerraban un circuito eléctrico al moverse. Un lápiz presionaba un papel y se detenía cuando los péndulos dejaban de oscilar; así se sabía la duración del movimiento.
Durante años Palmieri utilizó este instrumento para registrar los sismos provocados por el volcán Vesubio, orgullo de los napolitanos. Sin embargo, no pudo detectar los que se sintieron en la ciudad de Nápoles. Con todo, en la segunda mitad del siglo xix se usaron copias del aparato de Palmieri en Japón, donde sí detectaron muchos movimientos telúricos.
En otros países también se desarrollaron aparatos para detectar temblores e intentar describir el movimiento que le imprimían a la tierra. El problema hasta entonces era que, al analizar los trazos plasmados por los instrumentos después del sismo, resultaba casi imposible saber hacia dónde se había movido primero y hacia dónde después.
El primer registro sísmico que puede llamarse en rigor sismograma se obtuvo en Moncalieri, Italia, en 1887. Un sismograma es la gráfica del movimiento sísmico en función del tiempo. El sismógrafo que lo produjo fue construido por el clérigo Filippo Cecchi y, a diferencia de todos los instrumentos mencionados, constaba de una superficie para registrar el movimiento y un reloj que marcaba el inicio del sismograma. Aunque debemos reconocer a Cecchi por el primer sismograma de la historia, su instrumento no tuvo gran impacto entre sus colegas. Casi al mismo tiempo un grupo de científicos británicos que trabajaba en Japón desarrolló instrumentos sísmicos similares, y el sismógrafo de Cecchi cayó en el olvido.
Entre esos sismólogos británicos destacan John Milne, Thomas Gray y James Alfred Ewing, que se dedicaron a estudiar la sismicidad de Japón tras un fuerte terremoto en Yokohama en 1880. Su sismógrafo fue el primero en graficar sismogramas de las componentes horizontal y vertical del movimiento.
Años después, en 1896, Milne conoció a John Johnson Shaw, otro entusiasta de la sismología, y la colaboración entre ambos dio origen a una máquina bautizada como sismógrafo de Milne-Shaw, que era más precisa debido a que amortiguaba la oscilación del péndulo libre. John Milne fundó la primera sociedad sismológica del mundo en Japón e insistió en la necesidad de instalar instrumentos sísmicos por todo el orbe para obtener más y mejores sismogramas, que en el futuro servirían para escudriñar las entrañas del planeta.
El éxito del sismógrafo Milne- Shaw impulsó la fabricación de otros aparatos a los que se les incorporaron diversos mecanismos para trazar sismogramas más claros y fáciles de interpretar. Por ejemplo, Fusakichi Omori, discípulo y colega de Milne en Japón, diseñó en 1899 un sismógrafo de péndulo horizontal que comercializó la compañía J. A. Bosch de Estrasburgo. Estos instrumentos fueron mundialmente conocidos como sismógrafos Bosch-Omori y se instalaron en todo el mundo, incluso en México.
Casi al mismo tiempo que Omori construía su sismógrafo, en Alemania el físico Emil Wiechert, de Gotinga, desarrollaba el suyo. Consistía en un péndulo libre invertido amortiguado por resortes y capaz de oscilar en cualquier dirección horizontal. En la descripción del equipo, publicada en 1904, se especificaba que el péndulo llevaba una masa de una tonelada y su movimiento se amplificaba 200 veces por medio de un sistema de palanca mecánica.
Wiechert desarrolló otros sismógrafos con masas de diferentes pesos, entre ellos el magnífico sismógrafo de 17 toneladas que durante años fue el instrumento más preciso del mundo para registrar terremotos, incluso los originados a cientos de kilómetros de distancia. Incluía un reloj con el cual se hacían marcas de tiempo cada minuto en el papel donde se dibujaba el sismograma. En el Museo de Geofísica de la UNAM, en la Ciudad de México, hay uno de estos aparatos que todavía funciona a la perfección.
Sismómetros en la Luna
Los astronautas de las misiones Apolo instalaron sismómetros y otros instrumentos en la superficie de la Luna. Esta red de instrumentos operó hasta el 30 de septiembre de 1977, cuando se suspendieron las operaciones por falta de presupuesto.
En la Tierra usamos las estaciones sismográficas para determinar el epicentro y la magnitud de los temblores, pero también para sondear el interior del planeta. Las estructuras internas de la Tierra hacen rebotar y desviarse las ondas sísmicas. Estos rebotes y desviaciones se pueden identificar en la superficie y a partir de ellos podemos construir una imagen de las entrañas de la Tierra como si le hiciéramos un ultrasonido. Así también los sismómetros de la Luna han permitido construir modelos del interior de nuestro satélite.
De ”Gran salto para la ciencia”,
Sergio de Régules, ¿Cómo ves?, núm. 248.
Sismógrafos electromagnéticos y sismómetros
Los años siguientes fueron testigos de un vertiginoso avance tecnológico en los sismógrafos, y los aparatos grandes y pesados dieron paso a otros más pequeños con componentes electromagnéticos.
Boris Galitzin fue un noble ruso que llegó a ostentar el título de príncipe, lo que le permitió procurarse una excelente educación científica en Estrasburgo. Mientras estudiaba fenómenos electromagnéticos, en 1887, ocurrió un terremoto devastador que destruyó la ciudad de Verny, en Kazajistán. Galitzin concibió la idea de construir un verdadero sismógrafo electromagnético, que materializó en 1906. Su aparato producía una señal a partir de una masa envuelta en una bobina de alambre rodeada por un imán. El diseño electromagnético de Galitzin cambió para siempre los sismógrafos: al moverse la bobina en el campo magnético del imán se generaba por inducción electromagnética una señal eléctrica que se transfería mecánica u ópticamente a un sistema de registro, de modo que el sismograma ya no tenía que dibujarse en el aparato. Había quedado atrás la época de los sismómetros puramente mecánicos.
Los mecanismos electromagnéticos fueron la base para los sismómetros que, a diferencia de los sismógrafos, son instrumentos que registran el movimiento del suelo, pero no necesariamente producen gráficas. Los sismómetros convierten el movimiento del suelo en algún tipo de señal que es proporcional a la velocidad del movimiento y que se puede transmitir por teléfono, radio o satélite para graficarla en otro dispositivo, que puede estar a kilómetros de distancia.
Hoy, en pleno siglo xxi, los sismómetros digitales dominan el panorama. Algunos son de unos cuantos centímetros, se instalan fácilmente y transmiten la señal sísmica por internet; así, los datos se grafican con herramientas web y pueden compartirse entre instituciones internacionales. La señal y los datos pueden ser digitales, pero la forma de detectar el movimiento del suelo es mecánica: todos consisten en uno o más pesos suspendidos en resortes. Al moverse el suelo, la inercia de los pesos los mantiene relativamente inmóviles mientras el resto del aparato se zarandea con el sismo. El sismómetro registra el movimiento relativo de los pesos respecto al aparato en tres dimensiones.
Con las nuevas tecnologías es posible enterarse de un sismo casi en tiempo real. Cuando nos toca un temblor corremos a compartir la experiencia en las redes sociales. Queremos platicarle a nuestros familiares y amigos si se sintió fuerte, si nos asustamos, si tuvimos que interrumpir nuestras actividades. Compartir vivencias con nuestros semejantes y dejarlas registradas para la posteridad es un instinto humano muy profundo, el mismo que impulsó hace 4000 años al legendario general Xiahou a compartir su propia experiencia en un libro de bambú.
- Centro Nacional de Prevención de Desastres, Sismo, UNAM, en: https://www.cenapred.unam.mx/es/Publicaciones/archivos/221-CARTELSISMOS.PDF.
- Servicio Sismológico Nacional, UNAM, en: http://www.ssn.unam.mx/acerca-de/historia/.
- Espíndola, Víctor Hugo y María Lulisa Santillán, Medición sísmica a través del tiempo: A 30 años del gran sismo, Ciencia UNAM, UNAM, 2015, en: https://ciencia.unam.mx/contenido/galeria/140/medicion-sismica-a-traves-deltiempo- a-30-anos-del-gran-sismo.
Caridad Cárdenas Monroy estudió ingeniería geofísica en la Facultad de Ingeniería de la UNAM y la maestría en sismología y física del interior de la Tierra en el posgrado en ciencias de la Tierra de la UNAM. Desde 2006 trabaja en el Servicio Sismológico Nacional, donde tiene a su cargo el programa de divulgación que consiste principalmente en talleres, visitas guiadas y material para redes sociales.
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