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Presunte previsioni di Terremoti

22 Apr

Di Patrizia Esposito

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Torno ad “approfittare” dello spazio che Matteo mi ha concesso sul blog per parlare nuovamente di terremoti. Il titolo dell’articolo che vi presento oggi è il nome di una sezione del forum Psicosi 2012, dedicata alle previsioni “ad capocchiam” dei terremoti, cioè quelle che indicano il giorno e il luogo esatti di un sisma (preferibilmente catastrofico) sulla base dei parametri più bislacchi (apparizioni, profezie, ecc.). L’ultimissima della serie- segnalata da un nostro caro utente- è quella di un tizio che aveva previsto per il 17 aprile scorso niente poco di meno che il Big One in California. Ma magari bastasse la lettura dei tarocchi per prevedere eventi catastrofici e salvare vite umane! La previsione dei terremoti è una materia spinosa e complessa alla quale si dedicano anima e corpo ricercatori scientifici seri. A tal proposito, vorrei illustrarvi qui di seguito uno studio tutto italiano che, a mio avviso, aggiunge un tassello interessante al mosaico della comprensione dei meccanismi che generano i terremoti. Buona lettura a tutti.

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Sul numero di marzo di Le Scienze è stato pubblicato un sunto dello studio condotto da Carlo Doglioni, Salvatore Barba, Eugenio Carminati e Federica Riguzzi. (1) Gli autori hanno analizzato la relazione tra la sismicità e il tasso di deformazione, evidenziando come le aree con terremoti più intensi siano quelle in cui la velocità di deformazione delle rocce è più bassa rispetto alle aree circostanti. Sono partiti dal considerare la crosta terrestre suddivisa in due porzioni: crosta superiore e crosta inferiore. La prima, spessa mediamente 15 km, ha un comportamento fragile ed è influenzata dalla pressione: il carico litostatico, che aumenta con la profondità, esercita una forza di contenimento sulle rocce, rendendole più stabili e aumentandone la resistenza. La crosta inferiore, invece, ha un comportamento duttile ed è influenzata dalla temperatura: il gradiente termico, che diminuisce con la profondità, indebolisce i legami dei reticoli cristallini rendendo le rocce meno stabili. Che cosa significa questo? Significa che le rocce crostali non si deformano tutte allo stesso modo. Infatti, quelle della crosta superiore si deformano “a scatti” attraverso l’attivazione delle faglie, quelle della crosta inferiore, invece, si deformano costantemente nel tempo, senza perdita di coesione, attraverso la distorsione dei reticoli cristallini:

Diverso comportamento meccanico della crosta superiore e della crosta inferiore.

Diverso comportamento meccanico della crosta superiore e della crosta inferiore.

I terremoti sono associati alle deformazione fragili. La transizione tra le due porzioni crostali con diverso comportamento meccanico, detta “transizione fragile-duttile”, corrisponde alla massima resistenza delle rocce, cioè la profondità a cui è necessaria l’energia massima per romperle. Più è profonda questa transizione e più lunga è una faglia, maggiore è il volume di rocce coinvolte nel sisma, quindi maggiore sarà la magnitudo. Per descrivere un evento sismico si utilizzano diversi valori numerici, come la magnitudo momento, la magnitudo locale e l’intensità macrosismica (il fatto stesso che per descrivere un sisma si prendano in considerazione diversi parametri sta ad indicare la complessità del fenomeno).

La legge di Gutenberg-Richter è l’espressione analitica della forza che agisce contemporaneamente sul guscio terrestre e che è responsabile della distribuzione sismica sul pianeta. L’origine di questa forza è ancora nel campo delle ipotesi, tra le quali sono contemplati i moti convettivi nel mantello e gli effetti della rotazione terrestre che spiegherebbero l’attuale deriva verso ovest delle placche litosferiche. La diversa velocità di queste ultime dipende dal grado di disaccoppiamento mantello-litosfera che è funzione della variazione di viscosità nel mantello: maggiore è la viscosità, minore è la velocità della placca.

Funzionamento delle faglie in funzione della transizione “fragile-duttile”.

Funzionamento delle faglie in funzione della transizione “fragile-duttile”.

In figura è illustrato il funzionamento delle faglie in relazione alla transizione fragile-duttile. Nel caso di faglia distensiva la transizione si configura come una zona dilatata in cui si formano delle fratture e dei vuoti che si riempiono di fluidi, in conseguenza all’accomodamento della crosta inferiore in lento ma costante movimento rispetto alla crosta superiore bloccata. Questa zona si espanderà fino a quando non sarà più in grado di sorreggere la parte alta (“tetto” della faglia), a quel punto le rocce si romperanno, il blocco cadrà sotto il suo stesso peso e l’energia potenziale gravitazionale accumulata sarà liberata attraverso le onde sismiche del terremoto. I fluidi presenti saranno espulsi come quando si strizza una spugna e migreranno verso l’alto: ecco perché un evento sismico è accompagnato da una risalita delle falde e da un aumento della portata delle sorgenti. Dopo la scossa principale, il tetto della faglia deve raggiungere una nuova condizione di equilibrio e questo avviene mediante le scosse di assestamento. Nel caso di faglia inversa, invece, la transizione si configura come una fascia in sovrapressione . Le rocce accumulano energia elastica fino al punto di rottura, quando le forze di deformazione superano la resistenza delle rocce e il tetto della faglia viene scagliato verso l’alto, originando il terremoto (possiamo assimilare questo meccanismo ad una molla prima totalmente compressa e poi espansa). Generalmente i terremoti associati a faglie compressive sono più violenti perché occorre più energia per vincere le forze di compressione e perché in questo contesto geodinamico occorre vincere anche la forza di gravità.

Relazione tra tasso di deformazione e magnitudo dei terremoti.

Relazione tra tasso di deformazione e magnitudo dei terremoti.

In figura sono riportati i risultati di osservazioni effettuate sulla sismicità in Italia in un intervallo temporale che va dal 1° gennaio 2007 al 31 dicembre 2011.

In particolare, sono stati messi in relazione i terremoti di magnitudo superiore a 3 con i tassi di deformazione ottenuti in corrispondenza di ciascuno degli epicentri. Il dato più importante è rappresentato dal fatto che i terremoti di magnitudo superiore a 4 sono avvenuti tutti in aree in cui il tasso di deformazione è inferiore a 40 nanostrain per anno (1 nanostrain= 1 mm ogni 1000 chilometri). Cosa significa questo? Significa che le aree che si deformano più lentamente rispetto alle aree circostanti sono le aree crostali “bloccate” che stanno accumulando energia . Anche se l’intervallo di osservazione ha dei limiti temporali, il valore stabilito può essere preso in considerazione come un parametro utile ad individuare aree a sismicità significativa. Sulla mappa della velocità di deformazione si possono sovrapporre le faglie attive note. E’ interessante notare come il terremoto de L’Aquila (2009) e quello in Emilia (2012) siano avvenuti in aree a basso tasso di deformazione. Lo studio condotto si è basato sui dati forniti dalla rete GPS e su modelli numerici. In conclusione: questa nuova idea sui terremoti non serve a sapere con esattezza quando e dove si registrerà un sisma ma può indirizzare gli studi verso aree con maggiore “urgenza” sismica, in cui fare prevenzione attraverso l’adeguamento antisismico degli edifici non a norma e l’educazione al rischio sismico. Vorrei sottolineare ancora una volta come lo studio dei terremoti sia reso complicato dall’impossibilità di investigare il sottosuolo alle profondità di interesse e quella di riprodurre perfettamente in laboratorio le condizioni di stress a cui sono sottoposte le rocce in profondità. Di certo un approccio multidisciplinare può migliorare i metodi di previsione.

Ad ogni modo, diffidate da tutte le previsioni “ad capocchiam” di cui è piena la rete!!

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

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Le forze di marea

13 Ago

Nella sezione:

Hai domande o dubbi?

E’ stata posta una nuova domanda molto interessante e che credo sia il caso di discutere subito. Prima di cominciare, vi ricordo che questa sezione e’ stata appositamente creata per far si che chiunque possa richiedere argomenti specifici che, qualora non ancora trattati, verranno poi affrontati negli articoli al fine di stimolare una discussione costruttiva tra tutti i lettori.

Premesso questo, la domanda riguarda le cosiddette “forze mareali” o “di marea”.

Di cosa si tratta?

Partiamo, al solito, da quello che e’ noto a tutti: i pianeti dell’universo ruotano intorno al Sole grazie alla forza di gravita’ che li tiene uniti. Allo stesso modo, a distanze minori, molti pianeti del sistema solare presentano dei satelliti orbitanti intorno a loro. Ovviamente, anche questi sono tenuti insieme dalla forza di gravita’.

Ecco un primo risultato interessante e che spesso passa inosservato. Lo studio e la formulazione matematica della forza di gravita’, fatta per la prima volta da Newton, prende il nome di “teorie della gravitazione universale”. L’aggettivo “universale” non e’ assolutamente messo li per caso, ma sta ad indicare come la validita’ di questa legge sia vera a scale estremamente diverse tra loro. Se noi rimaniamo attaccati alla Terra e perche’ c’e’ la forza di gravita’. Se la Terra ruota intorno al Sole e’ perche’ c’e’ la forza di gravita’. Allo stesso modo, la rotazione del sistema solare intorno al centro della Galassia, cosi’ come il moto della Galassia stessa e’ possibile grazie alla forza di gravita’. Detto questo, capite bene perche’ viene attribuito l’aggettivo universale a questa legge.

Dal punto di vista fisico, due qualsiasi masse poste ad una certa distanza si attraggono secondo una forza direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. Come anticipato questo e’ vero per due qualsiasi masse estese nello spazio.

Per andare avanti, concentriamoci pero’ sulla domanda fatta e dunque parliamo di forze di marea. Come e’ noto, l’innalzamento e l’abbassamento del livello delle acque sulla Terra e’ dovuto alla Luna, anche se, come vedremo, anche il Sole ha il suo contributo.

Alla luce di quanto detto prima, se la Terra attrae la Luna, ed e’ vero il viceversa, come mai i due corpi non vanno uno verso l’altro finendo per scontrarsi?

Il segreto della stabilita’ delle orbite e’ appunto nel moto di rotazione della Luna intorno alla Terra. Questo movimento genera una forza centrifuga diretta verso l’esterno che stabilizza il moto. Questo e’ lo stesso effetto che trovate per qualsiasi corpo in rotazione nell’universo. Per essere precisi, due corpi in rotazione tra loro, ruotano intorno al centro di massa del sistema. Nel caso di Terra e Luna, la differenza tra le masse e’ cosi’ grande che il centro di massa cade molto vicino al centro della Terra.

Detto questo, abbiamo capito perche’ il sistema puo’ ruotare stabilmente, ma ancora non abbiamo capito da dove si originano le maree.

Come anticipato, l’intensita’ della forza di attrazione gravitazionale e’ inversamente proporzionale al quadrato della distanza. Bene, rimaniamo nell’esempio Terra-Luna. L’attrazione subita dal nostro satellite per opera della Terra, non sara’ identica in ogni punto della Luna. Mi spiego meglio, provate a guardare questo disegno:

Forze di marea subite per attrazione gravitazionale

Forze di marea subite per attrazione gravitazionale

Il lato piu’ vicino all’altro pianeta subira’ un’attrazione maggiore dal momento che la distanza tra i due corpi e’ piu’ piccola. Questo e’ vero ogni qual volta siamo in presenza di corpi grandi. Analogamente, prendendo in esame il contributo centrifugo, la forza risultante tendera’ a spingere il lato vicino verso l’altro pianeta e allontare il lato lontano.

Ragioniamo su quanto detto senza perderci. Abbiamo un corpo esteso ad una certa distanza da qualcosa che lo attrae. Questa attrazione dipende dalla distanza tra i due corpi. Dal momento che abbiamo un corpo esteso, il lato che guarda il centro di attrazione sara’ necessariamente piu’ vicino subendo una forza maggiore rispetto al lato lontano.

Bene, questa differenza tra le interazioni tende ad allungare il corpo cioe’ a farlo passare da una sfera ad un elissoide. Queste sono appunto le forze di marea.

Quali effetti possiamo avere?

Nell’immagine riportata prima, si vedevano proprio le forze di marea esercitata dalla Luna sulla Terra. Come vedete, il lato verso la Luna e quello diametralmente opposto tendono ad allungarsi, provocando dunque un innalzamento delle acque. Negli punti perpendicolari al sistema invece, si avra’ uno schiacciamento e dunque un abbassamento del livello delle acque. Ecco spiegato come avvengono le maree. Ovviamente, poiche’ tutto il sistema e’ in movimento, i punti con alta e bassa marea cambieranno nel corso della giornata, presentando due cicli completi nell’arco del giorno.

Domanda lecita: perche’ nel calcolo delle maree consideriamo solo gli effetti della Luna trascurando completamente il Sole? Come sappiamo, la massa del Sole e’ notevolmente maggiore di quella della Luna quindi ci si aspetterebbe un contributo dominante. Come visto, le forze mareali si generano perche’ ci sono differenze significative tra l’attrazione subita da un lato del pianeta rispetto all’altro. Dal momento che la distanza tra la Terra e il Sole e’ molto piu’ elevata di quella Terra-Luna, la differenza di intensita’ dovuta all’attrazione solare e’ molto meno marcata. Detto in altri termini, a distanze maggiori un corpo esteso puo’ essere approssimato come un punto e dunque e’ molto piccola la forza di marea che si genera.

Effetti misurabili si possono avere quando Sole, Terra e Luna sono allineati, come avviene nel novilunio, dal momento che i contributi si sommano. In questo caso si possono dunque avere livelli di marea massimi, anche noti come maree sigiziali, cioe’ in cui la differenza di altezza tra alta e bassa marea raggiunge il picco.

Analogamente a quanto visto, anche la Luna subisce una forza di marea da parte della Terra. Dal momento pero’ che la Luna non e’ ricoperta da oceani, la resistenza meccanica alla distorsione e’ molto maggiore. In questo caso, l’effetto misurabile e’ una differenza di qualche kilometro tra l’asse rivolto verso la Terra e quello perpendicolare, tale da far apparire il nostro satellite come un elissoide.

Altro effetto delle forze di marea tra corpi estesi vicini e’ la sincronizzazione della rotazione. Come tutti sanno, la Luna rivolge sempre la stessa faccia verso la Terra. Detto in altri termini, a meno di “oscillazioni” che si registrano, un osservatore sulla Terra riesce a vedere sempre la stessa porzione di Luna o meglio, un lato della stessa rimane sempre invisibile al nostro sguardo, il cosiddetto “lato oscuro della Luna”.

Perche’ si ha questo comportamento?

Come anticipato, questo e’ dovuto alla rotazione sincrona della Luna intorno alla Terra. Detto molto semplicemente, il periodo di rotazione e di rivoluzione della Luna coincidono tra loro. Se volete, in parole povere, mentre la Luna si sta spostando sulla sua orbita, ruota su se stessa in modo tale da compensare  lo spostamento e mostrare sempre la stessa faccia a Terra. La figura puo’ aiutare meglio a comprendere questo risultato:

Rotazione sincrona tra satellite e pianeta. Fonte: wikipedia.

Rotazione sincrona tra satellite e pianeta. Fonte: wikipedia.

Ovviamente, parlare di stesso periodo di rivoluzione e rotazione non puo’ certo essere un caso. Rotazioni sincrone si hanno come conseguenza delle forze mareali potendo dimostrare che per corpi vicini tra loro, il moto tende ad essere sincrono in tempi astronomicamente brevi.

Parlando di forze di marea, ci siamo limitati a studiare il caso del sistema Terra-Luna. Seguendo la spiegazione data, capite bene come questi effetti possano essere estesi a due qualsiasi corpi in rotazione vicina tra loro. In tal senso, effetti di marea si possono avere in prossimita’ di buchi neri, di stelle di neutroni o anche di galassie, cioe’ corpi in grado di generare un elevato campo gravitazionale. In particolare, nel caso delle galassie le forze di marea tendono, in alcuni casi, ad allungare la forma spostando la posizione di corpi celesti che si allontanano a causa della differenza di attrazione.

Concludendo, abbiamo visto come la Luna possa generare sulla Terra le maree. L’effetto del Sole e’ in realta’ inferiore perche’ molto maggiore e’ la distanza che ci separa dalla nostra stella. Effetti di questo tipo vengono generati a causa della differenza di attrazione gravitazionale che si registra nei diversi punti di un corpo esteso. Queste differenze, generano appunto una forza risultante, detta di marea, che tende ad allungare il corpo. Effetti analoghi si possono avere per corpi piu’ estesi e comunque ogni qual volta si hanno due masse posizionate ad una distanza non troppo maggiore del diametro dei corpi.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.