Clube

O início

A estruturação da atividade do Clube teve como ponto de partida a instalação de uma estação sísmica na escola sede do Agrupamento de Escolas Fernão do Pó, para deteção, registo, análise e divulgação de registos sísmicos. Para alcançar este objetivo, além da preparação do espaço físico e criação das condições mínimas necessárias (computador, software, ligação à rede, sistema de aquisição de dados, etc...), foi necessário tomar uma primeira decisão: adquirir um modelo escolar de sismómetro (em kit ou já pronto a utilizar) ou construir um.

Tomada a decisão de construção de um modelo de sismómetro (independentemente da possibilidade de, mais tarde, poderem vir a ser usados modelos escolares), seguiu-se todo o trabalho de preparação necessário. Pesquisa de informação sobre tipos de sismómetros e sua construção; seleção do tipo de sismómetro a construir; pesquisa de tutoriais de construção e dos materiais necessários; pesquisa de materiais necessários e aquisição dos mesmos.

Durante parte deste período, o Clube teve em funcionamento um Geofone de 4.5 Hz, modelo comercial, cedido temporariamente. Assim, podemos dizer que primeiro sismómetro a funcionar na estação sísmica foi um Geofone de 4.5 Hz! Dada a sua elevada frequência natural (4.5 Hz), um geofone com estas características apenas permite o registo de vibrações locais, uma vez que apenas reproduz bem sinais com frequências acima da sua frequência natural. Não permite "caçar" sismos, mas regista bem as vibrações próximas, devidas à atividade no edifício da escola ou nas suas proximidades (por ex. trânsito).

O geofone esteve em funcionamento até meados de outubro de 2020, altura em que o sismómetro omnidirecional o substituiu. O sismómetro omnidirecional registou o seu primeiro sismo (o primeiro registado na estação) no 22 de outubro de 2020, um sismo de magnitude 3.8 com epicentro localizado aproximadamente a 50 km a Oeste-Noroeste do Cabo Mondego, a cerca de 118 Km do Bombarral.

Atividade na escola e proximidades. Ruído

Qualquer sensor sísmico capta "ruído" durante a maior parte do tempo em que está em funcionamento. Se o objetivo for "caçar sismos", então o geofone que esteve instalado no Clube, apenas captou "ruído". Mas o ruído (captado pelo geofone, sismómetro omnidirecional ou AS-1) contém muita informação, incluído uma componente sobre o local de instalação do aparelho e atividades que aí se desenvolvem.

Desde que a estação entrou em funcionamento, a atividade da escola e da sua envolvente está a ser permanentemente registada, sendo possível distinguir claramente os períodos de atividade dos períodos de ausência de atividade (dias e noites; dias da semana e fins de semana; período de atividades letivas e período de férias) ou mesmo, em alguns momentos, os períodos letivos dos intervalos.

Verifica-se que nos períodos de ausência de atividade o registo é dominado pelo ruído ambiente (menor à noite do que durante o dia). No entanto, registam-se esporadicamente alguns pulsos de maior energia. Estes pulsos de energia são mais frequentes durante as horas de dia do que durante a noite ou madrugada, pelo que deverão ter origem antropogénica. (passagem de veículos na estrada mais próxima?). É curioso notar que alguns destes pulsos aparecem repetidamente, sensivelmente no mesmo horário, o que significa tratar-se de uma atividade regular (recolha de lixo?).

À parte a existência de alguns sinais de curta duração, que podem estar associados a atividade junto ao sensor ou nas suas proximidades (ex. passagem de veículos), as características mais visíveis do período de atividade da escola são o aumento do nível de ruído de fundo e a existência de períodos de alguns minutos com um nível de ruído mais acentuado. Estas características do registo estão ausentes do período noturno ou dos dias de fim de semana, pelo que a sua origem deve-se, sem dúvida, à atividade escolar. Os sinais de maior duração e maior amplitude repetem-se de dia para dia às mesmas horas, genericamente coincidentes com períodos de intervalos entre aulas. Esta associação é mais forte no período da manhã, período em que se concentram as aulas no edifício.

Apresentam-se abaixo os registos de alguns dias, onde se ilustram alguns dos aspetos aqui referidos. Para aceder aos registos com a melhor resolução clicar nas imagens. Os registos de outros dias podem ser acedido aqui.

Para um estudo mais detalhado do significado do ruído é necessário fazer uma análise mais aprofundada dos sinais, em termos da forma do sinal, da distribuição de frequências ou frequências dominantes. Esta análise pode ser feita observando as formas de onda em mais detalhe ou usando outras representações dos sinais, como espetros, espetrogramas ou gráficos de densidade espectral de potência, PSD (Power Spectral Density), preferível quando se pretende analisar as características espectrais de sinais de muito longa duração.

A forma, duração e amplitude dos sinais produzidos por diferentes fontes deverá variar em função da sua origem. Por exemplo, o sinal devido à passagem de um veículo nas proximidades do sensor será diferente do registo dum veículo que passa por um buraco. No primeiro caso, a forma típica seria uma subida gradual da amplitude do sinal com a aproximação do veículo e uma descida posterior igualmente gradual. No segundo caso, o sinal deverá ser bastante mais complexo, formado por vários pulsos de energia. Também a passagem de um veículo pesado deverá produzir um sinal mais longo e de maior amplitude do que a passagem de um veículo ligeiro.

O bater de uma porta ou uma pancada junto ao sensor, deverão produzir sinais curtos e bastante intensos, enquanto o "ruído" provocado pelo movimento dos alunos nos intervalos, produz um sinal mais prolongado e de menor amplitude.

Os sábados e domingos são períodos sem ruído antropogénico assinalável e são por isso períodos onde será mais fácil encontrar evidências de outras formas de ruído, como o ruído eletrónico gerado no próprio sismómetro ou o ruído gerado pelo vento ou pela agitação marítima, embora o sensor não pareça ser sensível aos períodos/frequências em que o ruído oceânico é mais forte (período entre 5 a 7 segundo, ou seja, frequência de cerca 0.2 Hz). A ação do vento poderá ser, no entanto, verificada para frequências superiores a 1 Hz.

Espetrogramas de semanas inteiras: de 29/10 (5ªf.) a 4/11 (4ªf.) (em cima) e de 5/11 (5ªf.) a 11/11 (4ªf.) (em baixo).

Os dias da semana encontram-se bem diferenciados nos espetrogramas relativamente aos fins de semana. Durante o período de aulas observa-se energia pulsada de forma regular, com dois pulsos de maior energia que se exprimem também nas baixas frequências, por volta das 10h e das 12h.

As setas vermelhas assinalam períodos onde há uma sugestão de ruído com frequência inferior a 2 Hz, que deverá ter origem no vento. Nos dias 3 e 4/11 (figura de cima) e 5 e 8/11 (figura de baixo) verificou-se a existência de ruído de baixa frequência. A consulta da página Weather Underground mostra que a estação meteorológica do aeroporto da Portela, Lisboa, registou nos dias identificados (ver registos do mês de novembro de 2020 aqui), a ocorrência de máximos de vento superiores aos dias vizinhas. Dada a distância entre Lisboa e o Bombarral, esta sugestão necessita de confirmação pela comparação com informação de vento obtida numa estação meteorológica mais próxima do Bombarral.

Espetrograma do dia 2 de novembro de 2020 (2ª feira).

O detalhe deste espetrograma relativamente aos espetrogramas de uma semana (figuras acima) mostra a diferença na amplitude e na frequência dos 2 períodos de maior atividade relativamente aos restantes.

O espetrograma mostra também a existência de um sinal de frequência constante (assinalado pela seta), entre as 8h e as 11h, com uma frequência constante de 10.5 Hz. Fica por esclarecer a origem deste sinal. Funcionamento de uma máquina?

Caça aos sismos

A monitorização da atividade sísmica implica o acompanhamento regular da estação. Como saber se foi registado um sismo? Nem sempre a consulta da imagem enviada para a Web fornece a informação necessária. Há registos sísmicos inconfundíveis, mas outros são facilmente confundidos com "ruído" proveniente de diversas fontes. Durante o período de atividade da escola, o "ruído" de origem antrópica "contamina" a maioria dos possíveis registos sísmicos, razão pela qual os melhores registos são obtidos fora do período de atividade da escola (noites, fins de semana ou interrupções escolares).

A consulta dos sismos registados pelas diversas redes sísmicas, e respetivos dados paramétricos (hora de origem do sismo, localização, magnitude, profundidade), fornecidos por diferentes agências (IPMA; IGN; EMSC; IRIS, USGS, etc.) é de fundamental importância no processo de identificação dos possíveis registos sísmicos feitos numa estação escolar (ver Recursos). IPMA (Portugal continental, ilhas dos Açores e da Madeira e regiões envolventes), IGN (Península Ibérica, Canárias e regiões envolventes) e EMSC (região euro-mediterrânica), são as melhores fontes para consulta de dados paramétricos sobre sismos mais próximos (principalmente sismos locais e regionais). Os grandes sismos mundiais são disponibilizados por diversas agências, incluindo EMSC, IRIS e USGS.

O caminho de "caça aos sismos" pode ser feito em dois sentidos. Em algumas situações, tendo sido obtido um registo na estação que parece corresponder a um registo sísmico, verifica-se nas fontes adequadas se ocorreu algum sismo que possa corresponder ao registo efetuado. A hora de ocorrência do sismo, a sua magnitude e a distância do epicentro à estação permitirão, em primeira aproximação, verificar (ou não) a correspondência a algum sismo reportado pelas agências. Noutras situações, é a informação de ocorrência de determinado sismo, cujos dados paramétricos indicam ser de possível deteção, que conduz à procura do registo na estação. Para este processo poderá ser importante o conhecimento do background do(s) sismómetro(s) instalado(s) para perceber que magnitude mínima vs. distância epicentral é expectável ser detetada com determinadas condições de ruído.

Existem atualmente várias aplicações para smartphone (ver Recursos) que fornecem variadas informações sobre sismos. Quando devidamente configuradas usando os filtros adequados (região, magnitude mínima, distância máxima, etc.), algumas aplicações enviam notificações em tempo quase real sobre a ocorrência de sismos que se enquadrem nos parâmetros de configuração. Tratando-se de grandes sismos mundiais é possível, em muitos casos, receber a notificação do sismo antes de as ondas sísmicas chegarem à estação, o que possibilita o acompanhamento do registo sísmico em direto!

Localização de sismos

A comparação entre os registos sísmicos obtidos na estação escolar e os dados paramétricos de sismos registados pela rede sísmica instalada (hora de origem do sismo, localização, magnitude, profundidade), fornecidos por diferentes agências (IPMA; IGN; EMSC; IRIS, USGS, etc.), sendo de fundamental importância no processo de identificação dos registos sísmicos feitos numa estação escolar (ver Recursos), apenas permite a sua provável identificação, o que, para uma estação escolar, pode ser suficiente.

No entanto, para a efetiva identificação dos sismos registados, é necessário proceder à localização da fonte sísmica, o que implica a análise e tratamento da(s) forma(s) de onda dos registos sísmicos obtidos na estação escolar e a sua comparação com os registos obtidos noutras estações. Felizmente a sismologia é hoje uma ciência global e aberta a todos, profissionais e amadores. Graças a software de distribuição livre e à disponibilização de dados sísmicos a nível mundial (incluindo formas de ondas e metadados de estação ou instrumentais) ao público em geral, a localização de eventos sísmicos está acessível a qualquer amador interessado!

Localizar um sismo (ver Sismometria - Localização de sismos) significa localizar o seu foco ou hipocentro (o ponto no interior Terra em que se deu o início da rotura sísmica responsável pela libertação inicial de energia), bem como a hora de origem do sismo (hora do início do processo de rotura). A localização do foco sísmico faz-se determinando as coordenadas geográficas do epicentro (latitude e longitude) e a profundidade focal (distância vertical entre o epicentro e o hipocentro, expressa-se em quilómetros). A profundidade focal é o parâmetro de mais difícil determinação, mesmo a nível profissional (ver Considerações sobre a localização de sismos), pelo que não irá ser considerado.

Os registos feitos na estação AEFP são suficientes para determinar, de forma aproximada, a hora de origem dos sismos e a distância epicentral à estação. Para determinar as coordenadas do epicentro é necessário recorrer a formas de onda registadas em estações da rede sísmica instalada (nacional ou global). Mesmo a nível profissional, usam-se algoritmos que, funcionando de forma automática ou semiautomática, combinam dados de várias estações, para fazer a localização de sismos e determinar a sua magnitude (ver Localização de sismos com múltiplas estações).

A distância epicentral a uma estação pode ser estimada utilizando a diferença entre o tempo de chegada das ondas S e o tempo de chegada das ondas P. Existem diferentes pacotes de software, de uso livre, que permitem fazer a marcação de fases num sismograma, calculam o tempo entre as fases marcadas e, usando um determinado modelo de propagação das ondas sísmicas, permitem estimar as distâncias epicentrais. Para este efeito, têm sido usados o jAmaSeis, o SeisGram2K e o Waves. Adicionalmente, o jAmaseis (apenas para formas de onda em formato SAC) e o Waves, permitem localizar o epicentro do sismo, combinando distâncias a várias estações (pelo menos 3 com distribuição geográfica adequada). O portal IRIS dispõe também de uma ferramenta Web (Earthquake Triangulation) que permite efetuar a localização online do epicentro de um sismo, sem necessidade de descarregar qualquer software (é necessário calcular ou dispor das distâncias epicentrais às várias estações).

É bastante fácil obter dados sísmicos (quer paramétricos, quer de formas de onda e metadados de estação) a partir da Internet. Vários centros de dados espalhados pelo mundo fornecem acesso livre a formas de onda. Referem-se, em particular, o serviço IRIS Wilber 3 (adequado para sismos globais de maior magnitude), o arquivo GEOFON -EIDA (bom para sismos na região europeia) e o serviço Web do IPMA (sismos detetados pelas estações da rede sísmica nacional). Adicionalmente, é possível efetuar o download de dados sísmicos diretamente via Rest API ou através da biblioteca ObsPy, uma ferramenta Python (de código aberto) para a área da sismologia.

Indicam-se abaixo alguns tutorias que poderão ser úteis para fazer o download de formas de ondas a partir da Internet e para a determinação de distâncias epicentrais / localização de sismos. Para mais informações sobre software ou ferramentas Web, consultar Recursos - Software e Recursos - Web Tools.

• Tutorial jAmaSeis (distâncias epicentrais e localização do epicentro)

[autor: prof. Luís Matias, IDL]

• Tutorial SeisGram2K (distâncias epicentrais e hora de início do sismo)

• Tutorial Waves (distâncias epicentrais e localização do epicentro) [em construção]

• Tutorial Earthquake Triangulation (localização do epicentro online)

• Tutorial "Como obter dados sísmicos na Internet" (inclui formas de onda de IRS Wilber 3)

[autor: prof. Luís Matias, IDL]

• Tutorial "Como obter formas de onda do arquivo GEOFON-EIDA"

[Nota: o serviço Web do IPMA usa a mesma plataforma. Seguir o mesmo tutorial para obter formas de onda usando este serviço]