LA RETE MULTIDISCIPLINARE DELLA CTBTO: IL COINVOLGIMENTO ITALIANO

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1 D. Pesaresi e R. Console Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia LA RETE MULTIDISCIPLINARE DELLA CTBTO: IL COINVOLGIMENTO ITALIANO Riassunto. L Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) è stato designato dall Autorità Nazionale italiana per la CTBTO (Comprehensive Nuclear Test-Ban-Treaty Organization, Organizzazione per la Verifica del Trattato per il Bando Totale dei Test Nucleari) presso il Ministero degli Affari Esteri, quale Centro Dati Nazionale (NDC) italiano per la CTBTO stessa. L NDC italiano sarà pertanto in grado di ricevere e analizzare i dati di 170 stazioni sismiche, 60 stazioni infrasoniche e 11 stazioni idroacustiche sparse per tutto il mondo. Esempi d analisi dati condotte presso l NDC italiano includono il confronto m b -M S per la discriminazione tra eventi naturali e artificiali e il confronto dei bollettini prodotti dal Centro Dati Internazionale (IDC) della CTBTO e i bollettini prodotti dalla Rete Nazionale italiana gestita dall INGV. THE INTERNATIONAL MONITORING SYSTEM OF THE CTBTO: THE ITALIAN NATIONAL DATA CENTER ACTIVITIES Abstract. The Italian National Institute for Geophysics and Volcanology (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, INGV) has been nominated by the Italian National Authority for the Comprehensive Nuclear Test-Ban-Treaty Organization (CTBTO) in the Italian Minister of Foreign Affairs, as the Italian National Data Center (NDC) for the CTBTO. The Italian NDC will consequently be able to receive and analyze data from 170 seismic stations, 60 infrasound stations and 11 hydroacustic stations situated all over the world. Examples of data analysis conducted at the Italian NDC include m b -M S comparison for explosions versus earthquakes discrimination and NDC-IDC bulletins comparison. INTRODUZIONE Il problema principale del controllo delle esplosioni nucleari sotterranee non consiste tanto nel rilevamento delle esplosioni, ma nella discriminazione tra queste ed eventi sismici naturali. La distinzione fra esplosioni e terremoti è basata innanzi tutto sulla precisa localizzazione ipocentrale: esistono inoltre svariati metodi, in particolare quelli basati sul contenuto spettrale delle onde sismiche, che permettono di distinguere tra sorgenti artificiali e sorgenti naturali. La comunità sismologica internazionale è stata chiamata a fornire un supporto tecnico-scientifico ai negoziati per il trattato per la proibizione totale delle esplosioni nucleari (CTBT), attraverso la creazione di un gruppo di lavoro specifico (Gruppo di Esperti Scientifici - GSE), presso la Conferenza del Disarmo di Ginevra, fin dal Il trattato (firmato nel 1996) prevede la creazione di un'apposita Organizzazione degli Stati Firmatari che si occupa di sovrintendere all'esecuzione degli obblighi previsti dal trattato stesso: la CTBTO (Comprehensive Nuclear Test-Ban-Treaty Organization) che ha la sua sede centrale presso il Centro Internazionale di Vienna facente parte dell'organizzazione delle Nazioni Unite. Il Gruppo di Lavoro B della CTBTO, proseguendo l attività iniziata dal GSE, dovrà mettere a punto il complesso sistema di verifiche previste dal trattato, incentrato su un regime ispettivo e su un Sistema Internazionale di Monitoraggio (IMS), costituito da una rete di stazioni di rilevamento su scala globale, i cui dati afferiscono ad un unico Centro Dati Internazionale (IDC). Il Centro Dati Nazionale (NDC) italiano è collegato con l IDC di Vienna tramite il Sistema Globale di

2 Comunicazione (GCI). Tra le attività del NDC italiano ci sono il ricevimento e l analisi dei dati a forme d onda delle stazioni sismiche, infrasoniche e idroacustiche dell IMS: tali stazioni sono principalmente dedicate per rilevare esplosioni nucleari rispettivamente nel sottosuolo, nell atmosfera e negli oceani. RACCOLTA DATI La raccolta dati provenienti dal Centro Dati Internazionale (IDC) di Vienna avviene attraverso il Sistema Globale di Comunicazione (GCI) satellitare della CTBTO con tecnologia VSAT. Fig. 1 - Schema di interconnessione dati del Centro Nazionale Dati italiano per la CTBTO. Come illustrato in Fig. 1, i dati ricevuti dal terminale satellitare presente presso la sede di Roma dell INGV sono elaborati da una prima workstation SUN di tipo ULTRA 60, dove gira il software commerciale della Kinemetrics Antelope. Tale software comprende un sistema di acquisizione dati in tempo reale, un database relazionale integrato e un sistema di picking automatico nel caso di ricezioni dati sismici di una rete omogenea. Presso il Centro Dati Nazionale (NDC) italiano è presente anche un altra workstation SUN Ultra 60 collegata alla rete Internet tramite uno dei firewall dell INGV: il compito di tale workstation è di ricevere e analizzare i dati ricevuti dalle stazioni non CTBTO tramite Internet. Le due workstations sono collegate sia attraverso il secondo firewall di protezione dell INGV, sia attraverso un apposita scheda di rete esclusivamente dedicata, per mantenere una configurazione il quanto più standard possibile del secondo firewall. Il software utilizzato permette l acquisizione sia dei dati in tempo reale delle stazioni sismiche, infrasoniche e idroacustiche del Sistema Internazionale di Monitoraggio (IMS) della CTBTO tramite l uso dell apposito protocollo di comunicazione CD-1, sia dei bollettini prodotti dal Centro Dati Internazionale (IDC) tramite messaggistica secondo la standard AutoDRM.

3 ANALISI DATI Il processo di integrazione dei dati provenienti dalle diverse tecnologie dell IMS presso l IDC è raffigurato dalla Fig. 2. Fig. 2 - Schema di flusso analisi dati e produzione bollettini integrati presso il Centro Dati Internazionale (IDC) della CTBTO di Vienna. I primi dati ad arrivare presso l IDC sono quelli relativi alle stazioni sismiche primarie e, dopo circa un ora, quelli delle stazioni idroacustiche negli oceani. Entro le prime due ore dall evento in questione è quindi prodotto un primo bollettino automatico denominato SEL1. Successivamente sono interrogate le stazioni sismiche ausiliarie e nel frattempo arrivano i dati relativi alle stazioni infrasoniche. Entro sei ore dall evento è quindi prodotto il secondo bollettino automatico dell IDC denominato SEL2. Dopo una ulteriore analisi del software è prodotto, a circa 10 ore dall evento un terzo bollettino automatico denominato SEL3. A questo punto interviene il lavoro degli analisti dell IDC che rivedendo i dati producono i bollettini denominati REB e SEB entro un giorno. Applicando poi procedure standard per la discriminazione dell evento quali ad esempio la localizzazione, la profondità, il confronto m b -M S e l integrazione dati sismici e idroacustici, si arriva alla produzione del bollettino SSEB entro due giorni dall evento. Nell arco di due settimane arrivano poi i dati delle stazioni radionuclidiche, relativi agli eventuali isotopi trasportati dal vento, e prodotti i bollettini di fusione FPEB e il sommario finale ES. Come si vede dalla Fig. 3, dal semplice confronto tra il segnale sismico prodotto da un esplosione nucleare (A) e da un evento sismico è difficile discriminare tra cause naturali e artificiali. Tra i metodi discriminanti generali segnaliamo il luogo dell evento, la profondità, la complessità della forma d onda e la durata del segnale. Tra le discriminanti spettrali segnaliamo invece il rapporto m b -M S, il rapporto spettarle

4 SR, il terzo momento della frequenza TMF, il contenuto in frequenza del segnale e il frazionamento spettrale. Tra le discriminanti legati al meccanismo focale della sorgente ci sono il primo impulso dell onda P, il meccanismo focale e l eccitazione relativa delle fasi sismiche. Infine, vale la pena citare altri discriminanti quali la frequenza di taglio, le onde P a larga banda, le onde di Love, le onde S e i discriminanti regionali. Fig. 3 - Esplosione nucleare sotterranea (A) effettuata il 14 luglio 1984 nel Kazakhstan e terremoto (B) avvenuto il 5 ottobre 1985 nel Canada occidentale, ambedue registrazioni della stazione sismografica di Castello Tesino (TN) facente parte della Rete Sismica Nazionale dell INGV. Fig. 4 - Confronto tra esplosioni ed eventi naturali, m b /M S.

5 Il metodo più efficace tra quelli sopra elencati è probabilmente il confronto m b - M S. Tale criterio è fondato sull osservazione che per un evento di data magnitudo m b delle onde di volume (calcolata sulle onde P), le esplosioni sono caratterizzate da un valore di magnitudo M S delle onde superficiali (calcolata sulle onde di Rayleigh) molto più piccola di quella dei terremoti, come mostrato nella Fig. 4. Fig. 5 - Confronto tra esplosioni ed eventi naturali, m b /M S. Come si evince dall analisi della Fig. 5, riportando la frequenza delle esplosioni (in alto) e dei terremoti (in basso) su un istogramma M S -m b, il metodo appare assai significativo. Un altra attività svolta presso il Centro Dati Nazionale italiano per la CTBTO è il confronto tra i bollettini sismici prodotti dal Centro Dati Internazionale (IDC) di Vienna della CTBTO e dal centro dati della Rete Sismica Nazionale italiana gestita dall INGV. Nell anno 2000 nell area italiana il Centro Dati Nazionale italiano ha riportato 1369 eventi di magnitudo M L o M d maggiore di 2.5. Nello stesso periodo e nella stessa area l IDC riporta 81 eventi nei bollettini di tipo REB, tutti riportati anche dal NDC italiano.

6 La maggior parte degli eventi non riportati dai bollettini REB dell IDC sono di piccola magnitudo. Questa caratteristica è illustrata chiaramente dalla Fig. 6, che mostra la distribuzione di tutte le magnitudo M L del NDC italiano in grigio e le rispettive associate dell IDC in nero. Fig. 6 - Distribuzione in magnitudo degli eventi registrati dal NDC italiano (in grigio) e degli eventi registrati dall IDC associati (in nero). Fig. 7 - Percentuale cumulativa degli eventi del NDC italiano riportati nel bollettino REB dell IDC per magnitudo.

7 La Fig. 7 illustra la percentuale degli eventi del NDC italiano riportati nei bollettini REB dell IDC per classe di magnitudo. Per il set di dati utilizzato, la soglia minima di rilevamento al 90% è 3.6, mentre la soglia minima relativa al 50% è 3.2. La Fig. 8 riporta gli epicentri con relativa ellisse di errore di tutti gli 81 eventi localizzati dal NDC italiano. Risulta che tutte le localizzazioni del NDC italiano rientrano all interno della rispettiva ellisse di errore della localizzazione dell IDC. Fig. 8 - Localizzazioni dell IDC con ellisse di errore e distanza dalle corrispondenti localizzazioni del NDC italiano. L evento nel Tirreno del Sud, avvenuto il 14 agosto alle 22:10, è quello caratterizzato dall ellisse di errore più grande e dalla localizzazione più discordante fra NDC e IDC. Per questo evento lo NDC italiano ha stimato una profondità di 152 km, mentre nel bollettino REB dell IDC la profondità è fissata a 0 km. È infatti procedura standard degli analisti IDC fissare la profondità a 0 quando la determinazione della stessa non possa essere effettuata con sufficiente precisione: questo per evitare di scartare possibili esplosioni in base al criterio della profondità. Tuttavia, il notevole errore di localizzazione verso sud è proprio una conseguenza della forte correlazione con la profondità, dovuta alla mancanza di copertura delle stazioni dell azimut verso sud. L evento è stato quindi considerato naturale, non per la profondità, ma per la localizzazione in mare!

8 CONCLUSIONI Il Centro Dati Nazionale (NDC) italiano è attualmente collegato in tempo reale via satellite con il Centro Dati Internazionale (IDC) di Vienna della CTBTO. Attualmente l analisi dati si concentra più sulla tecnologia sismica, mentre per il futuro si prevede di sviluppare maggiormente le relative competenze per le tecnologie infrasoniche e idroacustiche, eventualmente con collaborazioni esterne. BIBLIOGRAFIA Console R.; 1994: Planning and Procedures for GSETT-3. Annali di Geofisica, 37, 3, pp Boschi E. e Console R.; 1995: Underground Nuclear Explosions and Seismology. International Seminars on Nuclear War and Planetary Emergency, 19th Session, Erice, August 1994, Console R.; 1995: Underground Nuclear Explosions and Environmental Problems. In: Console R. and Nikolaev A., eds. Earthquakes Induced by Underground Nuclear Explosions, NATO ASI Series 2-4, Springer, pp Lay T. e Fallace T.C.; 1995: Modern Global Seismology. San Diego, Calif. Academic Press. Console R. e Pesaresi D.; 1999: The Highest Seismological Station in the World, Eos, Transactions, AGU Volume 80, Number 46, November 16, 1999 Pesaresi D.; 1999: Parent Network Institutions and stations located in Host Countries: control, access and operation. CTBT/WGB-8/IT/1 Console R.; 2001: Statistical comparison of NDC and IDC seismic bulletins in the Central Mediterranean region. CTBT/WGB-14/IT/2 Mancini C.; 2001: Approccio Bayesiano alla Discriminazione tra Terremoti ed Esplosioni Nucleari sotterranee. Tesi di Laurea, Corso di Laurea in Fisica, Università degli Studi di Roma Tre, Anno Accademico