Come leggere il sismogramma di un terremoto

Quando guardi un sismogramma, ci saranno dappertutto delle linee sinuose. Queste sono tutte le onde sismiche che il sismografo ha registrato. La maggior parte di queste onde sono così piccole che nessuno le percepisce. Questi microsismi possono essere causati da traffico intenso vicino al sismografo, onde che colpiscono una spiaggia, vento e da un gran numero di altre cose che causano un po’ di scuotimento del sismografo. Ma quali sono i segni di un vero e proprio terremoto sul tracciato del sismogramma? E come interpretarli correttamente? In questo articolo daremo una risposta a tali domande.

Chi non si è mai interessato di sismologia di solito ritiene che nulla o quasi accada in un sismografo sino a quando non si verifichi un forte terremoto, e che la successione di segni apparentemente confusa di una registrazione sismografica non sia di alcun interesse. Ma sul tracciato sismografico quelli che, a prima vista, sembrano semplici segni senza significato descrivono, per l’osservatore esperto, una regione costiera che viene sommersa dal mare, oppure il manifestarsi di un lontano uragano, l’attività di un vulcano o, molto più banalmente, una persona di famiglia mentre cammina dalla cucina al soggiorno.

Inoltre, i microsismi tracciano i loro grafici ad ogni ora di ogni giorno, costituendo uno spettacolo continuo. Vi sono, ad esempio, delle registrazioni di microsismi prodotte dalle sia pur impercettibili vibrazioni della Terra per le tempeste sul mare. Talune altre appaiono associate con delle condizioni di bassa pressione presenti nell’atmosfera. Taluni sono gruppi armonici di vibrazioni di origine sconosciuta; altri appaiono fissi, come onde stazionarie; altri ancora si attraversano con percorsi incrociati.

Un tipico esempio di attività microsismica di fondo sul sismogramma.

Lo schema dei loro percorsi è sempre diverso: vi sono onde sismiche che annunciano le condizioni meteorologiche future, altre che registrano il percorso del fronte freddo della scorsa epoca, e vi sono forse altre onde che ancora riflettono la risposta della Terra ad un’era glaciale conclusasi ormai da molto tempo. Il massimo interesse per i sismologi dilettanti e non, però, lo presentano le riverberazioni drammatiche di un terremoto prodottosi, magari, molto lontano sulla Terra.

I tre diversi tipi di onde sismiche: onde P, S e L

L’interpretazione dei sismogrammi è dunque un’operazione estremamente interessante, che si basa sul riconoscimento dei diversi tipi di onde sismiche e dei loro istanti di arrivo. Qui comunque limiteremo la nostra discussione ai soli sismogrammi prodotti dai terremoti, cioè da fenomeni naturali. Qualunque sia la causa scatenante di un terremoto, esso produce un serie di onde che, a seconda del genere di vibrazione trasmessa al mezzo in cui si muovono, si distinguono in tre tipi:

  • onde P, o longitudinali, onde di pressione che fanno semplicemente comprimere e dilatare la roccia lungo la propria direzione di propagazione, a completa somiglianza di quanto avviene con una molla cilindrica che viene dapprima tesa e quindi lasciata andare; le onde di pressione sono analoghe alle onde sonore, in cui lo spostamento concentrico è quello stesso con cui si allontanano dal punto di origine.
  • onde S, o trasversali, onde di stiramento che fanno vibrare la roccia di taglio, cioè lateralmente rispetto alla direzione del loro percorso, in modo analogo a ciò che si verifica quando scuotiamo una fune tesa; queste onde di scuotimento vibrano dunque con direzione esattamente ad angolo retto rispetto al percorso lungo il quale esse avanzano;
  • onde L, o superficiali, in pratica onde lunghe che, a differenza delle onde P ed S – da noi chiamate per semplicità onde di profondità (anche se si dovrebbe parlare, a rigore, di “onde di volume”) – si propagano soltanto in superficie, producendo uno scuotimento orizzontale del terreno (onde di Love) e, nel contempo, oscillazioni ellittiche simili a quelle delle onde marine (onde di Rayleigh); si noti che è proprio il moto orizzontale e verticale prodotto dalle onde superficiali quello maggiormente percepito e devastante nel corso di un qualsiasi terremoto che avvenga sulla Terra.

I tre precedenti tipi di onda viaggiano a differenti velocità e sono pertanto percepite con ritardi temporali diversi alle varie distanze. In pratica, quando avviene un terremoto, le prime onde sismiche ad essere registrate dai sismografi – e più grandi dei piccoli microsismi – sono le onde P (o primarie), che si spostano all’interno della Terra a una velocità relativamente elevata, compresa tra gli 8 e i 14 km/s.

L’arrivo sul sismogramma dei vari tipi di onde sismiche.

Dopo pochi secondi o alcuni minuti, con un ritardo che dipende dalla distanza tra il punto di origine del terremoto e il punto di rilevamento, le onde P cominciano a estinguersi, ma lo spettacolo è tutt’altro che concluso. Infatti, arrivano con violenza analoga le onde S (o secondarie), più lente, che viaggiano a una velocità compresa fra i 3,9 e i 7,5 km/s. La loro minore velocità è accompagnata da una più bassa frequenza di oscillazione e da maggiori ampiezze del moto, cioè da sinusoidi che sono, rispettivamente, più larghe orizzontalmente e di solito più alte verticalmente sul tracciato sismografico.

Poco dopo, infine, giungono le “serpeggianti” onde L (o onde lunghe), ancora più lente, che si originano quando le onde di profondità raggiungono la superficie della Terra. A loro volta, le onde lunghe sono caratterizzate da delle frequenze di oscillazione ancora più basse – donde il loro nome di “lunghe” – e da ampiezze in genere più grandi rispetto a quelle delle onde P ed S. Queste onde concludono la registrazione da parte del sismografo di un singolo terremoto.

Le onde sismiche, oltre a non originarsi tutte – come è il caso, appunto, delle onde L – nel fuoco o ipocentro del terremoto (ovvero nel punto al di sotto della superficie terrestre in cui il fenomeno tellurico ha origine), si propagano in maniera diversa a seconda della loro natura e del mezzo attraversato. Le onde P, per esempio, analogamente alle onde sonore si propagano anche attraverso i liquidi e i gas, mentre le onde S, al contrario, non si propagano nei liquidi.

Figura che illustra l’origine dei vari tipi di onde sismiche.

Questa caratteristica diversità di propagazione delle onde di profondità all’interno della Terra ha permesso di scoprire che il nucleo del nostro pianeta, nella sua parte esterna, è liquido: esso infatti blocca, come un vero e proprio schermo, le onde S che tentano di attraversarlo. Inoltre, la differenza nella velocità di propagazione tra le onde P ed S non è costante, ma in generale cresce leggermente con l’aumentare della profondità, quando ci si muove dalla base della crosta fino alla parte esterna del nucleo.

A parità di tipo di onda, poi, la velocità di propagazione all’interno dei corpi rocciosi è molto variabile in funzione della densità e delle proprietà elastiche del mezzo: le onde P, ad esempio, viaggiano a velocità che arrivano fino a 14 km/s sotto la crosta terrestre (cioè a più di 35 km sotto i continenti, di 6 km sotto gli oceani), con variazioni anche brusche legate alla profondità raggiunta; ma più in superfice, dove si possono incontrare terreni con nette discontinuità o poco compattati, tale velocità può scendere fino a 0,5 km/s.

Il riconoscimento delle fasi in un sismogramma

In un sismogramma tipico si distinguono tre fondamentali treni o gruppi di onde – le cosiddette fasi – attribuibili, rispettivamente, alle onde P, S ed L. Le varie fasi sono sempre nella sequenza PSL, e ci si aspetterebbe che, a una certa distanza dal fuoco esse siano anche ben separate l’una dall’altra. Nella realtà, però, i sismogrammi sono sempre un po’ confusi. Ad es., il treno delle onde S comincia sempre prima che quello delle onde P sia finito.

Un reale sismogramma tipico. La successione delle fasi P, S ed L, caratterizzate da sinusoidi in genere sempre più alte e da una via via più bassa frequenza di oscillazione.

L’ampiezza delle oscillazioni della fase L rispetto alle altre due, poi, ovvero l’altezza raggiunta dalle sinusoidi L sul sismogramma, dipende fortemente dalla distanza del terremoto. Nei tracciati relativi a eventi locali e di forte intensità, le onde L sono di solito mascherate dalla coda della fase S, perché le oscillazioni associate alle onde L sono normalmente piuttosto piccole. Diversamente, la fase L di solito domina come ampiezza delle oscillazioni sulle fasi P e S nei tracciati dei terremoti poco profondi distanti oltre 600 km.

Le ragioni per cui l’ampiezza sismografica della fase L varia con la distanza sono principalmente due. La prima è che le onde superficiali si indeboliscono con la distanza più lentamente delle onde di profondità. La seconda ragione, che è anche la più importante, è invece un po’ più sottile. I vari tipi di onda sono caratterizzati da periodi di oscillazione diversi: il periodo dominante è sugli 0,1-1 secondi per le onde di profondità, e sui 10-100 secondi per le onde superficiali.

D’altra parte, la fisica classica ci insegna che vengono amplificate di più le onde di periodo vicino a quello per cui lo strumento di rilevazione – ovvero il sismografo – è accordato. Di conseguenza, poiché i sismogrammi dei terremoti molto distanti sono di solito ottenuti con dei cosiddetti “sismografi a lungo periodo”, cioè con degli strumenti accordati su periodi intorno ai 20 secondi, il risultato è che con questi strumenti le onde superficiali vengono amplificate molto più che non le onde di profondità.

Variazione delle tre fasi P, S e L sul sismogramma al variare della distanza dell’epicentro.

Alcuni sismogrammi, tuttavia, possono presentare qualche difficoltà di interpretazione per il principiante. Infatti, la presenza o meno delle fasi P ed S sul tracciato di un terremoto dipende dalla sua distanza dall’osservatore. Per i sismi che si verificano entro circa 11.000 km dalla stazione di osservazione è possibile rivelare entrambe le fasi P ed S, e ovviamente la fase L.

Oltre gli 11.000 km, le onde del sisma scompaiono quasi completamente (le S sono assenti, le P diventano estremamente deboli), almeno finché le lente onde superficiali L non spuntano, letteralmente, all’orizzonte: siamo nella cosiddetta “zona d’ombra” per le onde P ed S, essendo le prime rifratte, e le seconde assorbite, dalla parte esterna liquida del nucleo terrestre. Poiché le onde S si spostano solo quando attraversano materiali solidi, ciò fa capire che la Terra ha un nucleo liquido.

A distanze più grandi, che vanno da circa 15.500 km fino alla parte opposta del globo, arrivano, sia pure ritardate, alcune onde P che attraversano il nucleo esterno (chiamate anche, in gergo, PKP, o P’, dove si designano con P’ proprio le onde sismiche che giungono al sismografo dopo aver attraversato il nucleo liquido della Terra) e le solite onde L, ma di nuovo non le onde S, per le quali la zona d’ombra permane, come è illustrato dalla figura qui mostrata.

Le zone del pianeta dove è possibile percepire le onde P ed S e le relative zone d’ombra per un osservatore, dovute alla presenza di un nucleo esterno liquido (in giallo).

Tutto ciò si riflette, naturalmente, sui tracciati dei relativi sismogrammi. In pratica, se non ci sono onde S presenti sul tuo sismogramma, dunque, probabilmente significa che il terremoto è accaduto dall’altra parte del pianeta. Le onde S non possono viaggiare attraverso gli strati liquidi della terra, per tale motivo queste onde non sono mai arrivate al tuo sismografo.

Le onde L (onde di Love e di Rayleigh) sono spesso le onde più grandi presenti sul sismogramma. In particolare, per i terremoti superficiali (terremoti con il fuoco vicino alla superficie della terra), queste onde superficiali possono essere le onde più grandi registrate dal sismografo. Spesso sono le uniche onde registrate a lunga distanza da terremoti di media grandezza.

I movimenti tellurici hanno tipicamente origine negli strati superficiali della crosta terrestre, sono comunque stati registrati anche movimenti e vibrazioni provenienti da livelli inferiori, sino a 600 e più chilometri di profondità. I movimenti molto profondi si possono in pratica riconoscere dall’assenza, nelle registrazioni strumentali che determinano, di onde di tipo L e dalla presenza di treni di onde che sono stati riflessi dalla superficie della Terra.

La simulazione al computer di un sismogramma

È possibile generare al computer dei semplici sismogrammi “sintetici” di terremoti locali con l’aiuto di un foglio di calcolo Excel e di un semplice modello per le onde delle fasi P ed S. In pratica, sia l’onda P che l’onda S sono descritte da altrettante onde sinusoidali (tramite una semplice funzione seno) di diversa ampiezza che decadono nel tempo (con una legge esponenziale decrescente).

Un simulatore di sismogrammi sintetici realizzato a scopo didattico con Excel.

Inoltre, al tempo è stata aggiunta una costante per simulare l’aumento dell’intervallo temporale (SP) con l’aumentare della distanza fra l’epicentro del terremoto e il sismografo. Il risultato è il tracciato di un sismogramma sintetico che mostra in ascissa il tempo e in ordinata l’ampiezza dell’oscillazione misurata. Scaricando il relativo file Excel da qui, è interessante vedere come varia il sismogramma al variare della distanza del terremoto, iniziando ad esempio da un terremoto locale.

Nella realtà, Il forte movimento del terreno costituito da un terremoto è seriamente influenzato dagli effetti di propagazione delle onde causati dai cambiamenti a causa di assorbimento, riflessione e rifrazione ai confini delle strutture geologiche. In particolare, la struttura geologica del sottosuolo è di fondamentale importanza in questo contesto. Poiché non esiste un modo semplice per tenere conto degli effetti di propagazione delle onde, un programma di simulazione può risultare assai utile.

In effetti, oggi esistono numerosi strumenti software che sono stati progettati con l’obiettivo di fornire all’utente un ambiente amichevole che consentono, ad esempio, la simulazione di un forte movimento del terreno mediante simulazione sintetica di sismogrammi di accelerazione e la stima del carico sismico in una determinata area. Simili software di simulazione, essendo affidabili e versatili, risultano preziosi anche per la progettazione di edifici antisismici e per la pianificazione del territorio.

Un esempio di simulazione del sismogramma (in alto) di un terremoto e dello spettro di risposta (in basso) con un software di livello professionale.

Tutti i terremoti hanno infatti origine dal rapido rilascio di energia elastica. Nelle simulazioni professionali, le necessarie equazioni alle derivate parziali per l’equazione d’onda elastica tridimensionale (3-D) possono essere risolte numericamente usando il metodo pseudo-spettrale del dominio di Fourier, che è parallelizzabile sulle schede di elaborazione grafica (GPU), rendendo così il calcolo più veloce rispetto alla piattaforme di calcolo tradizionali basate su CPU.

Leave a Reply