Sismologia “rotazionale”, nuovi sensori installati a Stromboli

di Thomas Braun

Quando la terra si scuote, a causa di terremoti, eruzioni vulcaniche, ma anche del movimento degli oceani (microsismi oceanici) o di forti perturbazioni dell’atmosfera, si osserva che essa non effettua esclusivamente movimenti lineari lungo i tre assi cartesiani, ma viene sottoposta anche a movimenti rotazionali. I movimenti rotazionali possono essere meglio immaginati comparandoli, per esempio, con i movimenti di una barca, che effettua oscillazioni rotazionali intorno ai suoi assi longitudinale, trasversale e verticale, in linguaggio nautico chiamate rispettivamente “rollio” (roll), “beccheggio” (pitch) e “imbardata” (yaw). Il sismometro classico misura la velocità del movimento del suolo e registra tutti i tipi d’onda sismica, incluso le rotazioni e le inclinazioni, mentre un sensore rotazionale è sensibile esclusivamente alle onde trasversali (onde S) e alle onde superficiali (Love e Rayleigh).

Caratterizzare e misurare tutto il campo d’onda originato da una sorgente sismica è da tempo l’obiettivo ambizioso di tanti scienziati teorici, ma il suo raggiungimento fino a oggi è stato ostacolato dalla difficoltà nel misurare i movimenti rotazionali con la necessaria precisione. Tale difficoltà è oggi superata grazie alle installazioni di giroscopi ottici (ring laser) fissi, basati sull’ effetto Sagnac, quali per esempio, in Germania, il ring laser “G” – Gross Ring a Wettzell e il RoMY* a Monaco di Baviera, oppure l’esperimento GINGER(ino)** nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Questi strumenti sono in grado di rilevare angoli di rotazione dell’ordine di 10-11rad/s.

L’applicazione in sismologia nasce quindi dal fatto che è stato sviluppato uno strumento portatile che si basa sulla tecnologia di un “ring laser”,  ma in miniatura, con la recente realizzazione di un giroscopio a fibra ottica, (Fiber Optic Gyroscope – FOG). La ditta francese iXblue, in collaborazione con ricercatori dell’Università di Monaco di Baviera, ha sviluppato un prototipo adatto all’installazione in campagna, specialmente in aree di difficile accesso come i vulcani. Tale strumento è chiamato BlueSeis e deriva dai sensori di navigazione installati sugli aerei, con la differenza che è in grado di effettuare misure con una sensibilità elevata, fino a una velocità angolare di 20 nanorad/s. Per effettuare dei test sul campo con il nuovo prototipo si è cercato un’area particolarmente attiva che potesse avere una sorgente sismica “garantita”. A tal proposito già dal 2016 si è formato un gruppo di lavoro, costituito da ricercatori INGV e dell’università di Monaco, coadiuvati dai tecnici della iXblue, ed è stato scelto il vulcano Stromboli, capace di generare continuamente esplosioni stromboliane di bassa energia che producono segnali sismici (fig. 1).

esplosione Stromboli settembre 2018_low
Figura 1 – Stromboli, settembre 2018 (fotografia di Thomas Braun)

Solitamente, nella determinazione dell’ ipocentro di un terremoto mediante stazioni sismiche a elevata distanza dall’epicentro (installate nel seismic far-field), l’origine dell’evento sismico viene considerata puntiforme. Nel caso di Stromboli, con sismometri installati a poche centinaia di metri di distanza dai crateri attivi, questa approssimazione non è valida. Infatti, per segnali sismici con un periodo di oscillazione di alcuni secondi, l’intera parte sommitale del vulcano si trova all’interno del seismic near-field, e ciò richiede di considerare l’intero volume della sorgente sismica. Infatti, lo spostamento registrato da un sismografo in prossimità della sorgente sismica non è generato dalla propagazione di onde sismiche ma è direttamente legato alle oscillazioni della sorgente stessa ed è quindi proporzionale alla sua variazione volumetrica. Considerando che le componenti orizzontali di un sismometro tradizionale non sono in grado di distinguere tra la reale accelerazione del sottosuolo e le accelerazioni apparenti risultanti da una combinazione di gravità e inclinazione (tilt), l’uso dei sismometri rotazionali riesce a risolvere tale problema.

Stromboli installazione stazione sismica Braun 2_low
Figura 2 – Stromboli. Installazione stazione sismica con sensore rotazionale BlueSeis nell’area sommitale. (fotografia di Laurent Mattio/iXBlue).
Stromboli installazione stazione sismica Braun_low
Figura 3 – Stromboli. Installazione stazione sismica con sensore rotazionale BlueSeis nell’area sommitale. (fotografia di Laurent Mattio/iXBlue).

Grazie alla strumentazione messa a disposizione dai ricercatori dell’Università di Monaco Joachim Wassermann e Felix Bernauer e dalla ditta iXblue, il gruppo di lavoro ha potuto installare (figg. 2 e 3) a fine agosto 2018 tre stazioni sismiche classiche (Nanometrics Trillium Compact) integrate da tre sensori rotazionali BlueSeis sull’area sommitale di “Iddu” (fig. 4), come i locali chiamano Stromboli.

Stromboli
Figura 4 – Stromboli. Ubicazione dei sensori rotazionali BlueSeis

Durante l’esperimento, l’intensa sismicità associata all’attività vulcanica è stata registrata simultaneamente con tre stazioni a sei componenti; ciò darà sicuramente notevoli spunti di studio e di analisi che permetteranno di trarre conclusioni sulla dinamica della sorgente sismica a Stromboli.

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Il 16 marzo 2018 è stato organizzato presso l’INGV di Roma una giornata informativa sulla tema della sismologia rotazionale. Le presentazioni sono consultabili all’indirizzo: ftp://ftp.ingv.it/pub/thomas.braun/RotationalSeismology_20180316/ e sul canale Youtube https://youtu.be/oUcVbZKRQfk.

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* RoMY: Rotational Motions in Seismology è un ring laser (giroscopio ottico) di forma tetraedrica (piramide con lati triangolari lunghi 12 m) installato a Fürstenfeldbruck, presso Monaco di Baviera, e inaugurato nel 2017. (http://www.geophysik.uni-muenchen.de/ROMY.

** GINGER(ino): Gyroscopes IN GEneral Relativity è un sistema triassiale di giroscopi ad elevatissima sensibilità, basati sull’esistente ring laser (giroscopio ottico) di forma quadrata, con un lato di 3.6 m, installato all’interno dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso alla fine del 2014 (http://www.lngs.infn.it/it/ginger).

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