Come studiare i precursori sismici: un’introduzione

La sismologia dilettantistica può offrire, di per sé, una quantità di soddisfazioni a coloro che decidano di dedicarsi a questo affascinante hobby attraverso la costruzione di un piccolo sismografo semi-professionale. Molti, però, ignorano che un apparato del genere permette anche a un semplice appassionato di compiere ricerche pionieristiche nel campo importantissimo dei precursori sismici. Se si considera che raramente nella scienza di oggi i dilettanti possono svolgere un ruolo determinante nel progresso di una disciplina, si capisce bene come questa sia un’occasione da non perdere.

I precursori sismici sono delle variazioni, rispettivamente, delle proprietà fisiche (ed in tal caso si oarla di precursori fisici), chimiche (precursori chimici) o di altro tipo che riguardano, tipicamente, l’ambiente dove avverrà il sisma. Il terremoto tettonico, che è di gran lunga il più diffuso, avviene per lo scorrimento di due blocchi di litosfera che s’affacciano su una faglia oppure perché, a causa delle forze che sollevano la litosfera, quest’ultima si frantuma creando nuove faglie.

Come precursori sperimentati nella litosfera sottoposta allo sforzo dei moti tettonici sono stati riconosciuti l’emissione acustica delle rocce, le variazioni del campo geomagnetico o della resistività elettrica o delle correnti elettriche tettoniche, le variazioni delle proprietà chimiche dell’acqua, l’emissione di gas dal sottosuolo, le variazioni della velocità delle onde sismiche, le deformazioni del suolo (Caputo, 1987; Mognaschi, 1998). Tutti questi segni premonitori sono da ricondurre alla variazione dello stato di sforzo nella litosfera, come spiegato dalla cosiddetta teoria della dilatanza.

La composizione dell’acqua di falda è uno dei possibili precursori sismici.

Pertanto, la variazione del campo di sforzi nella crosta terrestre causa un insieme di mutamenti che possono essere osservati e considerati come eventuali precursori sismici. È inoltre dimostrato che molti animali domestici o da cortile (cani, gatti, galline, etc.), in genere più sensibili dell’uomo nel tatto e nell’udito, segnalano, agitandosi poco tempo prima del sisma, i precursori fisici dei terremoti, ma non si sa se questi segnali premonitori siano percepiti per via meccanica (attraverso il contatto delle zampe col suolo) o per via elettromagnetica (grazie a qualche organo sensibile alle emissioni in RF).

Le prime ricerche sistematiche coordinate per giungere alla previsione dei terremoti sono cominciate soltanto nell’ultimo quarantennio. I progressi, in questo periodo di tempo, sono stati rilevanti ma, nonostante alcune previsioni indovinate, si è ancora ben lontani dalla capacità di fare previsioni vere e proprie, nel senso di poter stabilire con anticipo e con precisione di interesse pratico la magnitudo, l’epoca e la localizzazione dei terremoti (Barsanti, 1997; Mognaschi, 1998).

I metodi di previsione dei terremoti proposti e provati nel corso del tempo sono stati naturalmente numerosi, ma si possono distinguere sostanzialmente in due grossi gruppi: i metodi sperimentali, rivolti allo studio dei precursori sismici, e i metodi statistici, rivolti per lo più allo studio dei cataloghi dei terremoti e di sciami di piccoli terremoti che precedono i grandi sismi.

La mappa italiana dei terremoti storici. Si noti come la distribuzione degli epicentri superficiali segua la catena appenninica.

Il fallimento di molte ricerche sui precursori sismici svolte, soprattutto in passato, dai professionisti è dovuto a una vasta serie di cause, come l’imprecisa definizione del precursore, l’insufficienza dei procedimenti usati per rivelarlo, la scarsezza di adeguate verifiche e conferme, l’impossibilità di tenere conto di tutti i parametri rilevanti e, infine, la carenza di un’esperienza essenziale: aver fatto molti rilievi di precursori nella zona sismicamente sospetta, o già nota come sismicamente attiva, per un periodo abbastanza lungo prima dello scatenarsi del sisma (Caputo, 1987).

È importante aggiungere che l’esperienza ha mostrato che il volume di litosfera interessato alla preparazione di un grande terremoto interessa una regione della superficie terrestre con un diametro che può raggiungere le centinaia di chilometri e quindi, per l’osservazione dei segnali precursori, si ha a disposizione una zona relativamente vasta. Anche se ciò limita la precisione di un’eventuale previsione dell’epicentro, tuttavia in molti casi si è trovato che all’avvicinarsi del sisma i segnali precursori tendono a concentrarsi nella zona epicentrale, segnalandone l’ubicazione.

Il Seismic Monitor dell’USGS aiuta a monitorare i terremoti su tutto il globo.

La presenza di precursori sismici è in alcuni casi difficile da spiegare sul piano teorico e da dimostrare sul piano sperimentale. Un sisma è l’evento culminante di una serie di concause dirette o indirette che coinvolgono alcuni meccanismi in parte ancora sconosciuti, i quali possono operare per mesi o per anni prima che il sisma stesso si manifesti in tutti i suoi macroscopici e spesso devastanti effetti. I segni premonitori “classici” vanno dalla deformazione della superficie terrestre alla variazione della resistenza elettrica delle rocce e della velocità delle onde sismiche fino all’aumento del contenuto di radon nelle sorgenti. Ma negli ultimi anni vi sono state in questo campo delle interessanti novità.

Approccio 1: La fonosismologia

Un approccio decisamente nuovo allo studio dei precursori sismici si è rivelato l’analizzare i file sismici in audio accelerato. Si tratta di un’idea estremamente semplice (menzionata perfino nel film Caccia a Ottobre Rosso), e tale linea di ricerca è stata battezzata fonosismologia dagli italiani Mauro Mariotti e Andrea Cellini, che nel 1999 cominciarono a catalogare, primi in Italia e forse anche al mondo, i “rumori” captati dalla loro stazione sismica privata (Cellini et al., 2000).

Il metodo si basa sull’accelerazione dei segnali sismici registrati in forma digitale in modo da portarli nell’intervallo uditivo umano (15 Hz – 20.000 Hz) e sulla ricerca sistematica di possibili precursori con una paziente e accurata analisi retrospettiva: ciò sia tramite l’ascolto dei file da parte di un orecchio “esperto”, sia attraverso l’elaborazione degli spettri audio con opportuni programmi (Gram, Cool Edit, etc.), a caccia di variazioni spettrali anomale ed eventualmente ripetitive.

Spettrogramma, o grafico tempo-frequenza, che mostra in basso un precursore a carica di condensatore. Il sisma è rappresentato dalla banda verticale (Mariotti, 2002).

Il grande vantaggio della fonosismologia è che, attraverso l’ascolto di file accelerati, si può supplire al deficit uditivo degli umani rispetto agli animali e, più in generale, si riesce ad analizzare una grossa quantità di dati in pochissimo tempo: se per esempio si ha una giornata di registrazioni sismiche, ascoltandole in audio (24 ore in 3 minuti), l’eventuale relazione tra gli eventi diventa molto più chiara.

Inoltre, l’ascolto di file sismici accelerati risulta essere assai interessante a prescindere dalla ricerca dei precursori dei terremoti, in quanto con un po’ di pratica si capisce subito se una determinata traccia sismica è dovuta a un evento lontano o vicino, a del rumore, a un disturbo atmosferico, a una mareggiata, a un’automobile, a un’esplosione, etc. (Dombois, 2001; Dunegan, 1996).

Accelerazione di 400 volte del file sismico del terremoto di Sumatra per portarlo nel range audio, dove lo puoi ascoltare cliccando qui. (dal sito InfoEQ di M. Mariotti)

Finora, proprio grazie all’approccio fonosismologico sono stati trovati vari tipi di precursori sismici (Mariotti, 2002), sebbene solo per una piccola parte dei terremoti siano stati scoperti dei precursori e non si sappia ancora quale correlazione esista tra tipo di precursore e caratteristiche sismogenetiche di un evento.

Approccio 2: La radiosismologia

L’esistenza di precursori sismici associati ad alcuni terremoti – non necessariamente agli stessi eventi che mostrano precursori attraverso la fonosismologia – ha trovato conferma in recenti studi di radiosismologia effettuati da dilettanti e professionisti nelle ULF (Ultra Low Frequency).

Ad esempio l’ELFRAD (Extremely Low Frequency Research and Development), un gruppo di appassionati soprattutto europei e americani che si occupa di anomalie elettromagnetiche a bassissima frequenza, riconosce che dei segnali caratteristici sono presenti prima e dopo un sisma: vari di loro hanno scoperto in maniera indipendente che talvolta si rilevano segnali ULF, nell’intervallo di frequenze 0,01-0,04 Hz, in stretta vicinanza a linee di faglia sismica alcune ore o giorni prima di un terremoto.

Precursori elettrici e attività sismica nella banda 0,02-0,04 Hz relativi al terremoto di Tonga dell’1/8/2000 (cortesia ELFRAD).

Questi segnali, che si irradiano attraverso l’atmosfera (ma decrescono di intensità logaritmicamente con la distanza), possono essere captati con appositi ricevitori e antenne da qualsiasi appassionato di sismologia che mastichi anche un po’ di radiotecnica. In effetti, queste e altre esperienze simili (Hellferich, 1990) rendono lecito presumere che nella fase preparatoria di alcuni movimenti tellurici vi sia una generazione naturale di onde elettromagnetiche, dovuta a una grande varietà di cause.

Ciò specie nella banda delle frequenze molto basse (VLF, Very Low Frequency, 300 Hz-30 KHz), delle frequenze extra-basse (ELF, Extra Low Frequency, 30-300 Hz) e delle frequenze ultra-basse (ULF, 0-30 Hz), tutte bande radio che si collocano a frequenze ben inferiori alle più familiari onde lunghe (LF, Low Frequency, 30 KHz-300 KHz) e onde medie (MF, Medium Frequency, 300 KHz-3 MHz).

Precursori elettrici e attività sismica nella banda 0,02-0,04 Hz relativi al terremoto del Nord del Cile dell’1/8/2000 (cortesia ELFRAD).

Altre esperienze sul campo effettuate nei primi anni Novanta da ricercatori professionisti italiani suggeriscono la possibilità che possa verificarsi un fenomeno in un certo senso inverso a quello appena descritto: che le particolari condizioni instauratesi nella fase preparatoria di un sisma possano alterare in modo notevole la propagazione delle onde radio a bassa frequenza (Manno, 2000).

Approccio 3: La radiogeofonia

Dunque, un altro approccio assai interessante allo studio dei precursori sismici è rappresentato da quella che il giovane Adriano Nardi ha definito radiogeofonia, cioè lo studio approfondito dei fenomeni sismici locali, e dunque anche dei precursori, basato sul rilevamento di emissioni elettromagnetiche a bassissima frequenza (ULF-ELF-VLF) che si possono manifestare in associazione a un terremoto.

Schema del radiogeofono sviluppato da Adriano Nardi. (fonte: Radiogeofonia di A. Nardi)

In Italia, precursori elettromagnetici relativi, in particolare, al terremoto dell’Umbria del 1997 sono stati rivelati dallo stesso Nardi, come egli racconta nell’ottimo sito “Radiogeofonia” frutto della sua tesi di laurea sull’argomento, e da Marco Eleuteri, un radioamatore di Todi (Mognaschi, 1998; Nardi, 2001). Non posso naturalmente escludere che vi siano anche studi più recenti di cui non sono a conoscenza.

La radiogeofonia – che potremmo dire si differenzia dalla più generale radiosismologia perché si concentra sullo studio dei fenomeni sismici locali e applica all’analisi dei dati le tecniche della fonosismologia (ascolto in cuffia, eventuale moltiplicazione della frequenza per ascoltare meglio il segnale e, sempre, ricerca di variazioni spettrali anomale) – rappresenta quindi un interessante metodo alternativo al rivelamento classico con i sismografi dell’evento sismico, ma costituisce anche e soprattutto un ulteriore nuovo approccio allo studio dei fenomeni precursori dei terremoti.

Si noti, comunque, che la maggior parte dei segnali elettromagnetici a bassissima frequenza captabili sulla Terra con opportuni rivelatori, e che costituiscono la cosiddetta Radio Naturale, sono associati a fenomeni assai interessanti, ma di natura non sismica: ad esempio fulmini, temporali, caduta di meteore, attività solare, passi di persone, etc. (Romero 2002, Paniccia & Recchia, 2002).

Va detto inoltre che le radioonde ULF-ELF-VLF, poiché hanno una frequenza che cade nell’intervallo uditivo umano, sono ascoltabili in cuffia senza necessità di demodulare il radiosegnale, come avviene invece in un normale apparecchio radio; si lavora, inoltre, nelle stesse frequenze dello spettro acustico e non vi è necessità di una sintonia vera e propria, che viene effettuata in fase di analisi con il filtraggio audio del segnale, selezionando l’intervallo di frequenze che interessa.

Gli spettri radio, sismico e acustico a confronto. I segnali radio e sismici sono ascoltabili direttamente o con la moltiplicazione della frequenza. (cortesia A. Nardi)

I legami fra segnali radio e terremoti

Nella letteratura scientifica, il primo riferimento ad emissioni nello spettro radio associate alle fratture delle rocce si trova in un lavoro di J. W. Warwick, C. Stoker e T. R. Meyer, i quali, riesaminando dopo circa venti anni le registrazioni di segnali radio acquisiti il 16 maggio 1960 da diversi radiotelescopi, molto lontani tra di loro, ma tutti negli Stati Uniti, formularono l’ipotesi che un segnale anomalo, ricevuto il 16 maggio 1960, fosse dovuto a microfratture indotte dagli sforzi accumulati nella faglia del Cile e che portarono al grande terremoto cileno del 22 maggio 1960 di magnitudo 8.3.

I radiotelescopi erano quelli di Boulder, Colorado; Lake Angelus, Michigan; Sacramento Peak, New Mexico e Makapuu Point, Hawaii. Tutti erano in quel momento sintonizzati a 18 MHz, con una larghezza di banda di 100 kHz per un programma di studio del rumore radio di origine cosmica. Gli autori non furono in grado di stabilire un nesso di causalità tra il segnale radio ed il terremoto, ma suffragarono la plausibilità della loro ipotesi con l’osservazione in laboratorio di segnali elettromagnetici emessi da campioni di granito, la roccia che costituisce le montagne cilene, sottoposto a compressione sino alla rottura (Mognaschi, 1998).

I radiosservatori (nella foto quello di Medicina, vicino Bologna) possono fornire un utilissimo contributo allo studio dei precursori elettromagnetici. Peccato che non lo facciano!

Negli Stati Uniti un gruppo di ricercatori, guidati da A. C. Fraser-Smith della Stanford University, studia da anni il rumore elettromagnetico a bassa frequenza in ULF (tra 0.01 e 10 Hz) ed in ELF/VLF (tra 10 Hz e 32 kHz) in prossimità degli epicentri della costa californiana e non ha trovato precursori elettomagnetici in ELF/VLF, mentre i dati in ULF hanno mostrato anomalie che potrebbero essere fenomeni precursori.

Ricerche di radiosismologia nel campo dei precursori elettromagnetici sono in corso anche altrove, ma sono svolte sempre a livello nazionale e spesso anche solo locale. In Italia, un gruppo di ricerca attivo all’Università di Roma tenta di trovare una correlazione tra le variazioni nella propagazione di onde radio di superficie nella banda delle onde lunghe ed i terremoti nel centro Italia e studia anche il rumore radio nelle bande 0.3-3 kHz, 3-30 kHz e 30-300 kHz (Mognaschi, 1998).

Lo spettrogramma dinamico del campo elettromagnetico terrestre registrato il 18 agosto 2016 tra le 24:00 UTC e le 07:30 UTC dalla stazione di monitoraggio dell’ambiente elettromagnetico del Progetto Emissioni Radio, situato ad Albano Laziale (RM), Italia. Nel mezzo dell’immagine, all’interno della linea tratteggiata rossa, è stata registrata un’anomalia radio che precede il forte terremoto italiano dell’Umbria del 24/8/2016, di magnitudo M6.2. La strana emissione radio è comparsa alle 02:47 UTC ed è scomparsa alle 06:21 UTC. Le etichette nella parte superiore dello spettrogramma (in blu chiaro) indicano stazioni radio note, principalmente antropogeniche. (fonte: Straser et al.)

Il grande contributo dei sismoamatori

Purtroppo, a livello professionale non vengono svolte analisi continuative dei segnali fono/radiosismici su un lungo intervallo di tempo, soprattutto se ci si riferisce a un vero monitoraggio planetario. Infatti, gli osservatori professionali non dispongono di solito delle registrazioni continue di un intero mese di attività sismica (24 ore al giorno x 30 giorni x 60 minuti l’ora x 60 secondi).

I loro strumenti hanno un buffer circolare di 3 o 7 giorni che viene continuamente “ripulito” eliminando le registrazioni del giorno più vecchio. Di conseguenza, andare a ripescare il precursore di un terremoto non osservato immediatamente risulta impossibile. Un altro verosimile motivo per cui non c’è una vera ricerca sui precursori fono/radio a livello mondiale è che tutte le tecniche di indagine necessarie hanno delle importanti applicazioni militari, oltre a quelle civili.

Le reti sismografiche, infatti, sono potenzialmente in grado di rivelare eventuali test nucleari effettuati in violazione ai trattati che da anni li bandiscono, e la tecnica dell’accelerazione in frequenza permette di rivelare perfino i sommergibili dell’arsenale strategico quando sono in immersione, come nel film Caccia a Ottobre Rosso (essa era usata persino in Vietnam, con dei sismometri che aiutavano gli americani a sentire i soldati nemici in avvicinamento “ascoltando” il tracciato sismico).

I sommergibili dell’arsenale strategico possono venire individuati analizzando i dati sismici e comunicano nella banda delle onde radio a bassissima frequenza. (fonte US Navy)

Inoltre le onde radio a bassissima frequenza sono proprio quelle usate dai militari per le comunicazioni segrete con i sommergibili in immersione durante le loro missioni di routine e non per gli oceani di mezzo mondo. Per giunta, si tratta di svolgere una ricerca interdisciplinare che richiede la collaborazione di figure professionali diverse, cosa che anche nel mondo accademico non è facile come sembra.

Quindi non c’è, in generale, grande interesse da parte dei Paesi più avanzati a mettere a disposizione di altre nazioni o della comunità scientifica internazionale dati sismici, o comunque a favorire progetti comuni nello studio dei precursori fono/radiosismici; e, d’altra parte, i militari non sono per niente interessati, come si può facilmente capire, alla previsione dei terremoti…

 

Bibliografia

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