Misurare i terremoti

Eleonora Manenti
Agnese Ospite
Anna Montani
Misurare i terremoti
Si definisce il terremoto (o sisma) come l'evento che ha origine quando lo
scontro tra due zolle causa una rapida vibrazione della crosta terrestre
capace di sprigionare quantità elevatissime di energia. Questa vibrazione
è generata dalle forze di natura tettonica che agiscono costantemente
all'interno della crosta terrestre provocando la liberazione di energia in
una zona interna della Terra detta ipocentro, localizzato sopra fratture
preesistenti della crosta dette faglie. A partire dalla frattura si creano una
serie di onde elastiche, dette "onde sismiche", che propagano in tutte le
direzioni dall'ipocentro, dando vita al fenomeno osservato in superficie. Il
luogo della superficie terrestre posto sulla verticale dell'ipocentro si
chiama epicentro.
Mercalli e Richter
Fin dai primordi della sismologia (dal greco seismòs che significa “scossa”)
la determinazione dell'intensità di un terremoto rappresentò un
problema di non facile soluzione. In un primo momento, nell'impossibilità
di pervenire ad una classificazione oggettiva del fenomeno per mancanza
di adeguati strumenti di misura, la forza dei terremoti veniva determinata
osservando i danni che questi provocavano sulla superficie del terreno e
soprattutto sulle opere realizzate dall'uomo. Questo modo di procedere
era, ovviamente, molto approssimativo e legato a valutazioni personali
che non potevano portare se non ad una stima sommariamente
qualitativa dell’evento sismico. I primi esempi di scale per misurare le
intensità dei terremoti si svilupparono più o meno nello stesso periodo in
Europa e in Giappone, a opera di De Rossi e Forel e dell’Agenzia
Metereologica Giapponese nell’ultimo quarto del XIX secolo. Dalla scala
Rossi-Forel si è poi sviluppata la più nota scala Mercalli che prende il
nome da Giuseppe Mercalli che nel 1897 tentò di dare razionalità e
universalità alla scala dei terremoti basata sugli effetti che questi
producevano. Essa fornisce una misura della gravità dei danni prodotti
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sulla superficie terrestre su persone e su oggetti. Questa scala all'inizio
comprendeva dieci gradi di intensità, ma successivamente fu portata a 12.
Per dare alla classificazione dei terremoti una valenza scientifica fu
indispensabile trovare un sistema per misurare l'energia che si libera al
momento dell’evento sismico. Allo scopo vennero sistemati, in diversi
punti della superficie terrestre, strumenti di registrazione dei terremoti
che si chiamano sismografi (dal greco seismós e graphein che
letteralmente significa “scrivere il terremoto”) e la registrazione che ne
deriva prende il nome di sismogramma.
Un sismografo è formato da una massa
metallica che viene tenuta sospesa,
mediante molle o fili, all’interno di una
intelaiatura in modo che risenta il meno
possibile dei movimenti del terreno.
Quando il telaio di sostegno viene scosso
dalle onde prodotte da un terremoto,
l’inerzia della massa fa sì che essa segua
con ritardo il moto del telaio. Questo
movimento relativo fra la massa del
pendolo e il telaio che la sostiene, viene
registrato da un pennino scrivente su
carta avvolta intorno ad un cilindro
ruotante. Con tale strumento non si
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registra quindi l’effettivo movimento del suolo ma un moto che è il
risultato di due movimenti: il movimento del suolo e quello del pendolo.
Il valore della magnitudo di un terremoto si determina confrontando
l'ampiezza delle oscillazioni registrate dal sismografo e quella prodotta,
sullo stesso strumento, da un terremoto campione. La magnitudo fu
introdotta da Richter nel 1935 sulla base di osservazioni di terremoti
avvenuti in California mediante il sismografo a torsione di WoodAnderson posto a 100 km dall'epicentro con un sismogramma con
oscillazione massima di un millesimo di millimetro (0,001 mm).
Ad esempio un terremoto il cui epicentro si trova a 100 km di distanza
dalla stazione di registrazione e la cui l'ampiezza massima delle
oscillazioni sul sismogramma è di 0,1 mm, il rapporto fra l'ampiezza
massima del terremoto di cui si vuol conoscere l'intensità (0,1 mm) e
quello standard (0,001 mm) è 100. Quindi il terremoto registrato è 100
volte più forte di quello standard. Quello riportato sopra è un caso limite
perché abbiamo immaginato l'epicentro del terremoto proprio a 100 km
di distanza e la registrazione è stata effettuata proprio dal sismografo di
Wood-Anderson. Però per poter confrontare l'ampiezza di un terremoto
qualsiasi con quella del terremoto standard è indispensabile calcolare il
valore di quest'ultimo a distanze dall'epicentro diverse da 100 km e
registrate da sismografi di altro tipo da quello preso a campione. Questi
valori sono stati calcolati tenendo conto che l'attenuazione o
l'accentuazione delle onde che si verificano a varie distanze dalla
sorgente, dipendono anche dal tipo di terreno che attraversano. Ogni
stazione sismica è quindi in possesso di una tabella con i valori del
terremoto campione già determinati in relazione a diverse distanze, al
tipo di terreno e al sismografo operante. Poiché l'ampiezza massima di un
forte sisma, registrata su un sismogramma, può essere anche milioni di
volte maggiore di quella di un terremoto debole, al fine di evitare numeri
molto grandi, Richter propose di ricorrere ai logaritmi di base 10. La
magnitudo di un terremoto può essere quindi definita come la misura
logaritmica dell’energia liberata. Il logaritmo di base 10 del rapporto fra
l'ampiezza massima del terremoto misurata sul sismogramma e
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l'ampiezza che verrebbe prodotta dal terremoto standard alla stessa
distanza rappresenta il valore della magnitudo di quel determinato
evento sismico. Nell'esempio fatto in precedenza in cui il rapporto fra le
ampiezze era 100, la magnitudo sarebbe stata 2. Infatti il logaritmo di
base 10 di 100 è 2.
La magnitudo M di un terremoto può essere ricavata dalla seguente
formula:
M = Log A - Log A0
dove A rappresenta l'ampiezza massima delle onde sismiche relative al
terremoto considerato e A0 indica il valore massimo dell'ampiezza delle
onde sismiche del terremoto campione.
Nella tabella sottostante è riportata una equivalenza a grandi linee tra le
due scale e il valore dell'energia liberata espresso in tonnellate di tritolo
equivalenti supponendo una profondità dell'epicentro attorno ai 10 Km.
Grado
Richter
esplosione equivalente
Grado
Mercalli
0
0.5 Kg TNT
I°
1
15 Kg TNT (scontro camion di 2
tonnellate a 100 Km/h)
I°
2
500 Kg TNT (mina media di una cava)
II-III°
3
15 Tonnellate TNT
III-IV°
4
Atomica di Hiroshima
V°-VI°
5
20 Kilotoni
VII°
6
Bomba all'idrogeno
VIII°
7
20 Megatoni
IX°
8
1000 bombe atomiche all'idrogeno
X°
9
Energia totale consumata negli USA in 1
mese
XII°
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I terremoti più forti
La scala della magnitudo non ha un valore massimo, né minimo, e può
anche assumere valori negativi. Sinora la massima magnitudo registrata è
stata di poco superiore a 9 e si riferisce al terremoto che sconvolse
Valdivia in Cile il 22 maggio 1960. Ma gli strumenti più sensibili sono in
grado di registrare microsismi di magnitudo fino a –3: si tratta di scosse
estremamente deboli che liberano quantità di energia insignificanti.
Poiché la scala delle magnitudo è logaritmica, un aumento di un'unità
nella magnitudo, corrisponde ad un aumento di un fattore 10
nell'ampiezza del movimento del terreno e ad una liberazione di energia
di circa 30 volte maggiore. Così, ad esempio, un terremoto di magnitudo 5
produce vibrazioni 10 volte più ampie di un terremoto di magnitudo 4 e
libera una quantità di energia 30 volte maggiore di questo.
L'energia liberata da un terremoto non è derivabile direttamente dal
valore di M, tuttavia esistono delle formule empiriche che consentono di
correlare l'energia liberata con la magnitudo. Una di queste relazioni, che
si adatta all'Italia, è la seguente:
Log E = 5 + 1,5 M
dove E è l'energia totale espressa in joule e M la magnitudo. Per esempio
un terremoto di magnitudo 6,6, come quello che si verificò in Friuli nel
1976, libera energia pari a circa 1015 joule. Questa corrisponde all'energia
prodotta da 4 bombe atomiche del tipo di quelle sganciate in Giappone
sulle città di Hiroshima e Nagasaki nel 1945. Le esplosioni atomiche
producono molti più danni e soprattutto molte più vittime dei terremoti
perché l’energia che esse liberano è concentrata su aree molto più
ristrette rispetto a quelle che interessano i terremoti.
Il terremoto che colpì il Friuli nel 1976 fu appunti di magnitudo 6,6 e
causò 1000 morti mentre quello che colpì Los Angeles nel 1985 fu della
stessa magnitudo, ma le vittime furono solo 6. I due terremoti avevano
quindi la stessa magnitudo ma, rispetto alla scala Mercalli, intensità molto
diverse. Come si vede non c'è corrispondenza precisa fra l’intensità di un
terremoto e i valori di magnitudo in quanto i danni e le vittime di un
sisma dipendono, oltre che dall’energia liberata, anche da altri fattori
come il tipo di terreno su cui sorgono le costruzioni. In un anno si registra
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più di un milione di terremoti (tremila al giorno) dei quali almeno dieci
sono molto forti. La maggior parte di questi terremoti colpisce aree
disabitate oppure ha epicentro in fondo al mare e lontano dalle coste.
Nonostante la differenza concettuale del modo di valutare i terremoti, è
ragionevole pensare che all'aumentare della magnitudo aumenti anche
l'entità degli effetti. Deve esistere quindi una relazione tra magnitudo e
intensità riferibile almeno alle zone abitate. Per l'Italia centrosettentrionale vale la seguente relazione empirica:
M = 0,45 I + 1,9
in cui M è la magnitudo della scala Richter e I l'intensità massima della
scala Mercalli Modificata (M.M). Il terremoto del Friuli, di magnitudo 6,6
della scala Richter, fu infatti giudicato di intensità compresa fra il X e l'XI
grado della scala M.M.
Secondo i dati dell’INGV Centro Internazionale Terremoti, in Italia negli
ultimi 30 giorni, 3 sono stati i terremoti con magnitudo maggiore (ovvero
la grandezza) di 5.5.
Data
2016-10-30
2016-10-28
2016-10-26
Magnitudo
6.5
5.7
5.9
Provincia/zona
Perugia
Mar Tirreno Meridionale
Macerata
Profondità
9
474
8
La magnitudo momento:
La magnitudo Richter quindi è una misura della grandezza relativa tra
terremoti e non una stima della reale grandezza dei terremoti. Altre scale
di magnitudo sono state elaborate (magnitudo per le onde superficiali,
magnitudo per le onde di volume, magnitudo durata) tra cui la magnitudo
momento:
Mw=⅔LogM0-10,73
dove M0 rappresenta il momento sismico scalare. Il momento sismico
equivale al prodotto tra area di faglia, dislocazione e la resistenza delle
rocce può essere direttamente calcolato dal sismogramma, in particolare
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dalla parte a bassa frequenza (minore di 1Hz) ma la sua determinazione
richiede un certo tempo.
L’ampiezza delle onde sismiche a bassa frequenza, dove viene calcolata la
magnitudo momento (al di sotto di 1 Hz), per forti terremoti è maggiore
dell’ampiezza delle onde sismiche a 1 Hz, dove viene calcolata la
magnitudo Richter, e questo è dovuto alle caratteristiche della sorgente
sismica. Questa particolarità delle onde sismiche dei forti terremoti è alla
base della differenza che si osserva tra magnitudo Richter e magnitudo
momento. Si parla infatti di saturazione della magnitudo Richter per forti
terremoti in quanto l’ampiezza delle onde sismiche a 1 Hz non aumenta
linearmente all’aumentare della magnitudo. La magnitudo Richter è
ancora in uso grazie alla rapidità con la quale viene calcolata, ma la
magnitudo momento è sicuramente la migliore stima della reale
grandezza di un terremoto, essendo direttamente legata alle dimensioni e
alla dislocazione della sorgente sismica.
A.Ospite