[科普]用Raspberry Shake檢測地震
基于樹莓派的地震儀甚至能夠檢測到遠(yuǎn)處的地震。
我只感受過一次地震，那是1985年紐約北部發(fā)生的4級地震。看到新聞報(bào)道時(shí)，我才意識到凌晨6點(diǎn)將我搖醒的實(shí)際上是一次小地震。
從那之后，有許多次地震引起我腳下的地面震動。只是這些震動沿地球傳播了很遠(yuǎn)，（很幸運(yùn)地）太小了，以至于感覺不到。不過，如果有一個靈敏的地震儀，我就能夠測量這些地震。
最近我決定嘗試一下。在網(wǎng)上搜索后，我發(fā)現(xiàn)有不少自制地震儀的資料?；旧隙际菍⒋朋w附著在一個重物上，并在附近布置拾波線圈。重物是懸掛的，當(dāng)?shù)孛嬲饎訒r(shí)，它能基本保持靜止。地震動會使線圈振動，基于線圈在磁鐵的磁場中的相對運(yùn)動產(chǎn)生感應(yīng)電壓。問題是，我看到的自制地震儀設(shè)計(jì)都是又大又笨重的裝置，因此我想是否可以用地震檢波器制作一個小巧的地震儀。
這臺以樹莓派為基礎(chǔ)的地震儀有一個防水外殼可免受惡劣天氣的影響。
地震檢波器通常用于石油和天然氣行業(yè)的地震勘測，用人工生成的地震波來探測地下的情況。在陸地上，通常使用震源工程車來完成這項(xiàng)工作。它們產(chǎn)生的地震波從巖石層反射回來，用地震檢波器來拾取這些地震波。
在eBay上，地震檢波器的價(jià)格并不高。我很快意識到，問題是地震檢波器并不是設(shè)計(jì)用于拾取遠(yuǎn)處地震的低頻遠(yuǎn)震波的。這些遠(yuǎn)震波的頻率范圍大約為每秒一個周期（1赫茲）到幾秒一個周期。大多數(shù)地震檢波器都設(shè)計(jì)用于測量10赫茲以上的頻率，最低頻率的型號一般可達(dá)到4.5赫茲。
不過，進(jìn)一步的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，順利獲得一些巧妙的電子信號調(diào)理，可以將地震檢波器的測量范圍擴(kuò)展到較低頻率。發(fā)現(xiàn)有人先我一步時(shí)，我準(zhǔn)備開始實(shí)施這一策略。實(shí)際上，大多數(shù)業(yè)余地震學(xué)家群體都在使用一種名為Raspberry Shake的設(shè)備，該設(shè)備以樹莓派為基礎(chǔ)，是2016年位于地質(zhì)構(gòu)造活躍的巴拿馬的一個團(tuán)隊(duì)開發(fā)的。Raspberry Shake的應(yīng)用已經(jīng)拓展到全球共享地震數(shù)據(jù)的用戶，甚至一些專業(yè)的地震學(xué)家也會使用Raspberry Shake，因?yàn)樽鳛榈卣饍x，它們的價(jià)格低廉。
Raspberry Shake系列給予了多種配置。我花了大約175美元買了一個最基本的套裝。該套裝包括一個地震檢波器和一個可連接樹莓派的傳感器板。我用的是樹莓派Model 3B+。
所需的電子器件包括一個地震檢波儀(左上)、一個信號調(diào)理和A/D版(中上)、一個Wi-Fi適配器(右上)和一個樹莓派Model3B+(底部)。
我將該設(shè)備放在了一個防水外殼里，我在外殼上安裝了穿板連接器，一個用于連接5伏電源，另一個作為USB連接器，這樣我就可以插入一個與樹莓派物理分離的Wi-Fi適配器。（使用Raspberry Shake時(shí)，建議不要使用3B+型號的內(nèi)置Wi-Fi，因?yàn)樗赡軙a(chǎn)生數(shù)據(jù)毛刺。）
和大多數(shù)樹莓派項(xiàng)目一樣，設(shè)置Raspberry Shake時(shí)，我遇到了“Linux之神 ”的一些“魔咒”。在這里，實(shí)際上只有兩個挑戰(zhàn)。一是準(zhǔn)備一個帶有操作系統(tǒng)和Raspberry Shake軟件的SD卡。我使用安裝文檔中描述的第一種方法，失敗了，但它給予的另一種方法系統(tǒng)運(yùn)行良好。
第二個挑戰(zhàn)是安裝Wi-Fi適配器。我購買的第一個適配器，據(jù)說適用于Linux，但失敗了。好在我手頭的一個舊適配器還可以使用。由于擔(dān)心Wi-Fi問題，我第一次在客廳測試了Raspberry Shake，直接連接到了路由器。Raspberry Shake采用了所謂的無頭配置，即不需要顯示器，可以遠(yuǎn)程使用SSH或順利獲得漂亮的Web界面與其連接。因此，我很快就看到了Raspberry Shake正在記錄的數(shù)據(jù)。
它在記錄人們在我家周圍走動引起的震動時(shí)，奇怪地出現(xiàn)了數(shù)據(jù)丟失。檢查后，我發(fā)現(xiàn)問題出在我使用的電源適配器上，它給予的電流不夠大。更換了電源適配器后，數(shù)據(jù)中斷問題就消失了。
此時(shí)，我將設(shè)備安裝在了我家獨(dú)立車庫的水泥地上，我認(rèn)為這個位置不會出現(xiàn)有人在房子周圍走動的信號。然后，我讓它采集數(shù)據(jù)，直到世界上某地報(bào)告一次大到可能被探測到的地震。
2023年8月29日，Raspberry Shake的發(fā)源地巴拿馬發(fā)生了5.5級地震。我在一個網(wǎng)頁中查閱了北卡羅來納州我家附近的一個科學(xué)級地震站記錄的數(shù)據(jù)。這表明，這次地震的微弱信號到達(dá)了我所在的地區(qū)。
但是，我查看了Raspberry Shake記錄的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)它沒有顯示匹配的信號。我很失望，但也并不意外，畢竟5.5級不是很強(qiáng)的震級，而且這次地震發(fā)生在近3000公里之外。
我調(diào)查了其他一些聯(lián)網(wǎng)Raspberry Shake記錄的這次地震數(shù)據(jù)。距離巴拿馬最遠(yuǎn)且記錄良好信號的地方是波多黎各。巴拿馬地震的地震波顯然太小，美國大陸的Raspberry Shake無法測量到。
那次以后，智利發(fā)生了更大的地震（6.2級）。地震震級采用的是對數(shù)，因此它的振幅是巴拿馬5.5級地震的5倍。不過此次地震的距離要遠(yuǎn)得多（約7400公里）。我的Raspberry Shake也沒有記錄到這次地震的震動。
利用Raspberry Shake的Web界面查看記錄的數(shù)據(jù)很方便，可呈現(xiàn)地震學(xué)家所說的可見記錄格式。這部分?jǐn)?shù)據(jù)包括2023年9月6日智利一次中等規(guī)模地震的遠(yuǎn)震波到達(dá)記錄地點(diǎn)的數(shù)據(jù)，時(shí)間約為協(xié)調(diào)世界時(shí)時(shí)間23:59，如綠色軌跡(底部)中14分鐘標(biāo)記所示。不過在這一點(diǎn)，作者沒有看到明顯的地震信號。
因此我還在等一次較大的地震。很幸運(yùn)的是，在我所在的東海岸，我只能看到車庫地震儀上的信號，而不是街上的一堆瓦礫。
作者：David Schneider
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