Sismicità
- Come si misura un terremoto?
Le onde sismiche si suddividono in onde di volume (o interne) e onde superficiali. Nelle prime è possibile distinguere le onde longitudinali e le onde trasversali. Le onde longitudinali (o di compressione) sono così chiamate perché al loro passaggio le particelle oscillano in maniera tale che il volume di roccia subisce compressioni e successive dilatazioni nella direzione di propagazione dell'onda stessa; esse sono le più veloci (si muovono nella crosta terrestre con velocità fino a circa 7 km/s) e per questo sono anche dette onde primarie o onde P.
Le onde di taglio o trasversali producono delle oscillazioni ortogonali alla direzione di propagazione dell'onda. Nella crosta terrestre esse viaggiano più lentamente delle onde P (si muovono con velocità fino a circa 4 km/s) e sono chiamate perciò onde secondarie o onde S.
Figura 4 - Onda trasversale (rielaborazione tratta da Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia).
Quando le onde di volume raggiungono la superficie terrestre possono in parte trasformarsi in onde superficiali (onde di Rayleigh e onde di Love). Esse si propagano principalmente in superficie in quanto si attenuano rapidamente con la profondità.
Al propagarsi di un'onda di Rayleigh (indicata in genere con R), le particelle compiono orbite ellittiche retrograde in un piano verticale lungo la direzione di propagazione (come avviene per le onde in acqua).
Al passaggio di un'onda di Love (indicata in genere con L), le particelle oscillano trasversalmente alla direzione di propagazione (come le onde S), ma solo nel piano orizzontale.
Sismografi e sismogrammi
Il sismografo è uno strumento che trasforma il movimento del suolo causato da un terremoto in una registrazione permanente. Esso consente di analizzare opportunamente e di riesaminare in qualunque momento l'insieme delle onde sismiche generate dal terremoto.
Un sismografo si basa sull'inerzia di una massa sospesa che tende a rimanere immobile anche quando il supporto inizia a muoversi insieme al suolo. Un pennino scrivente, solidale con la massa, lascia una traccia su una striscia di carta che ruota per mezzo di un rullo solidale con il suolo: si registrano così le vibrazioni del suolo rispetto alla massa(4).
Mentre un tempo la massa inerte era costituita da un vero e proprio pendolo, oggigiorno le moderne tecnologie e la microelettronica hanno rimpiazzato la meccanica. Il vecchio pendolo ha così ceduto il posto ai moderni sensori e la registrazione del moto del suolo, che un tempo era analogica, è ora digitale. Infatti, i moderni sismografi sono costituiti da un sensore (o sismometro), che trasforma l'informazione del moto del suolo in un segnale elettrico, e da un acquisitore, che registra l'informazione su supporto digitale.
I sensori sismici si suddividono in accelerometri e velocimetri; sono sensori che possono raggiungere elevatissima precisione e sensibilità (in alcuni casi limitata solo dal "rumore di fondo"). Gli accelerometri sono utilizzati per misurare l'accelerazione del moto del suolo, grandezza fisica direttamente correlabile alla forza esercitata dal terremoto su edifici e strutture. I velocimentri sono utilizzati per misurare la velocità del moto del suolo. A causa delle caratteristiche delle due diverse tipologie di sensori, gli accelerometri sono adoperati principalmente per registrare lo strong motion (forti movimenti del suolo generati da grandi terremoti poco distanti dalla stazione sismica), mentre i velocimetri sono utilizzati principalmente per registrare la velocità del moto del suolo generata da terremoti di piccola o moderata entità oppure da grandi terremoti molto lontani (telesismi).
La registrazione del movimento sismico si chiama sismogramma. La prima parte del sismogramma è rappresentata dalle onde P. Seguono le onde S ed infine (coda del sismogramma) le onde superficiali.
L'analisi del sismogramma consente di conoscere le caratteristiche (distanza, entità, etc.) del sisma. Il sismogramma deve dunque rappresentare fedelmente il movimento del suolo oppure le grandezze (accelerazione o velocità) con le quali si può in seguito estrapolare il movimento assoluto del suolo(2).
L'entità di un terremoto può essere misurata mediante la magnitudo o l'intensità macrosismica.
La magnitudo è stata definita nel 1935 dal famoso sismologo statunitense Charles Francis Richter, come misura oggettiva della quantità di energia elastica emessa durante un terremoto.
I mass media si riferiscono impropriamente alla "Scala Richter" quando parlano di magnitudo, però in ambito scientifico esistono diverse scale di magnitudo a seconda dell'osservabile fisico utilizzato per misurarla:
Scala ML = magnitudo locale (o magnitudo Richter)
Scala Ms = magnitudo onde di superficie
Scala Mw = magnitudo momento
Scala Mb = magnitudo onde di volume
La magnitudo può essere calcolata a partire dall'ampiezza delle onde sismiche registrate dai sismografi o dalla stima del momento sismico del terremoto ed è espressa attraverso un numero puro.
Ogni incremento di una unità di magnitudo corrisponde ad un incremento di circa trenta volte dell'energia emessa. I terremoti più piccoli percettibili dall'uomo hanno una magnitudo intorno a 2,5, mentre quelli che possono provocare danni alle abitazioni e vittime hanno generalmente una magnitudo superiore a 5(2).
Grazie allo sviluppo delle tecnologie e alla disponibilità di dati in formato digitale utilizzabili direttamente dai calcolatori elettronici, oggi è possibile stimare la magnitudo di un evento sismico in pochi secondi.
L'intensità macrosismica (o più semplicemente intensità) di un terremoto quantifica e classifica esclusivamente gli effetti provocati sull'ambiente, sulle cose e sull'uomo. A differenza della magnitudo, essa può assumere per uno stesso terremoto valori diversi in luoghi diversi.
L'intensità di un terremoto viene espressa con la Scala MCS (Mercalli-Cancani-Sieberg, più nota come Scala Mercalli, dal nome del sismologo italiano che ha proposto all'inizio del secolo scorso una scala basata sugli effetti dei terremoti) che si compone di dodici gradi.
In genere l'uomo avverte terremoti a partire dal III grado; dal VI all'VIII si verificano danni alle abitazioni; a partire dal IX grado, si possono avere crolli totali e stravolgimenti del paesaggio (deformazioni del suolo, frane, alterazioni del regime idrico).
Dopo anni di studi e raccolta dati, è stato possibile ricavare la relazione tra magnitudo e numero di terremoti per anno che avvengono sulla Terra. Il numero di terremoti decresce in funzione della loro magnitudo, ciò significa che in una data regione sismica e per ogni periodo di tempo il numero di terremoti con bassa magnitudo è sensibilmente maggiore del numero di terremoti con alta magnitudo (Legge di Gutenberg-Richter, Figura 11).
Nella seguente figura è rappresentata la suddetta relazione, oltre a essere indicati alcuni eventi sismici storici e il corrispettivo rilascio di energia equivalente alla magnitudo dell'evento (equivalente in chilogrammi di esplosivo).
Reti sismiche
In base alla distanza tra stazioni contigue e alla copertura del territorio, si definiscono quattro tipologie di reti:
• rete sismica mondiale
• rete sismica nazionale
• rete sismica regionale
• rete sismica locale
Gli scopi di una rete sismica sono molteplici e riguardano aspetti puramente scientifici (es. localizzazione del terremoto, stima della magnitudo, studio del mezzo di propagazione), azioni di protezione civile (es. monitoraggio di aree tettoniche e vulcaniche attive, identificazione di esplosioni) e attività didattiche (educazione e sensibilizzazione alla sismologia in scuole e istituti di formazione).
Le attività di monitoraggio del territorio italiano attraverso reti sismometriche (composta da velocimetri) e accelerometriche sono svolte dal Dipartimento della Protezione Civile. In particolare il monitoraggio sismico del territorio nazionale avviene attraverso la Rete Sismica Nazionale Centralizzata (RSNC) e l'attività di sorveglianza sismica continua (H24) è affidata all'Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV). Attraverso un collegamento internet riservato, l'INGV fornisce al Dipartimento di Protezione Civile informazioni su tutti i terremoti registrati, aggiornate in tempo reale.
Figura 12 - La Rete Sismica Nazionale, Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (rielaborazione tratta da http://www.gm.ingv.it).
La Rete Accelerometrica Nazionale (RAN), acquisita dall'Enel nel 1998 da parte del Dipartimento della Protezione Civile, è stata progressivamente potenziata con strumentazione digitale. Attualmente è costituita da accelerometri installati nelle aree a maggiore rischio sismico del territorio nazionale.
Figura 13 - Rete accelerometrica nazionale (rielaborazione tratta dal sito della Protezione Civile).
I dati accelerometrici sono utilizzati in vari campi quali:
- sismologia, per lo studio dei meccanismi di sorgente dei terremoti;
- ingegneria sismica, ai fini dell'adeguamento della progettazione edilizia e infrastrutturale e del miglioramento della normativa;
- geologia tecnica, per indagini mirate a caratterizzare il comportamento dinamico dei terreni attraverso il confronto tra le registrazioni di stazioni poste su terreni con diverse caratteristiche geologiche.
Dopo un evento sismico, i dati accelerometrici sono utilizzati per una valutazione degli scuotimenti prodotti dal terremoto nelle località in cui le stazioni sono installate e per la costruzione degli scenari di danno, così da indirizzare meglio gli interventi di aiuto e soccorso alla popolazione.
Inoltre, a seguito di eventi sismici di magnitudo ≥ 5 il Dipartimento della Protezione Civile, in coordinamento con l'INGV, è in grado di installare in tempi rapidi reti sismiche (velocimetriche) e accelerometriche mobili nell'area epicentrale, per una migliore definizione dei parametri che descrivono la sequenza sismica in atto.
(1) Casati P., "Scienze della Terra. Elementi di geologia generale", CittàStudiEdizioni, 1996.
(2) Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, "Conoscere il terremoto", 2001.
(3) Aki K. and Richards P. G., "Quantitative Seismology (2nd Ed.)", University Science Books, 2002.
(4) Accordi B., Lupia Palmieri E., Parotto M., "Il globo terrestre e la sua evoluzione", Zanichelli, 1993.
(5) Zollo A. e Emolo A., "Terremoti e Onde", Liguori, 2011.