SENSORE SISMICO SPERIMENTALE A BANDA LARGA E SISTEMA DI ALLARME SISMICO PER OPERATORI DI PROTEZIONE CIVILE

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1 I risultati, nel complesso, sono incoraggianti per quanto riguarda l individuazione delle anomalie sismiche. Bibliografia Caccamo D., Barbieri F.M., D Amico S., Laganà C., Parrillo F., 2004: Analisi di parametri sismici: applicazioni alla sequenza di Taiwan del 20/09/1999. Atti del XXIII Convegno del Gruppo Nazionale di Geofisica della Terra Solida, pp Caccamo D., Barbieri F.M., Laganà C., D Amico S., Parrillo F., 2005: The temporal series of the New Guinea 29 April 1996 aftershock sequence. Phys. of the Soilid Earth and Plan. Int., 153 (4), pp Caccamo D., Barbieri F.M., Laganà C., D Amico S., Parrillo F., 2007a: A study about the aftershock sequence of 27 December 2003 in Loyalty Islands. Boll. Geof. Teor. e Appl., 48 (1), pp Caccamo D., Parrillo F., D Amico S., Barbieri F.M., Laganà C., 2007b: Seismic anomalies in the aftershock sequenze of Novembre 16, 2000 in Papua New Guinea. Phys. of the Solid Earth, 43 (8), pp / php Utsu T., 1961: Aftershocks and earthquake statistics source parameters which characterize an aftershock sequence and their interrelations. J. Fac. Sci. Hokkaido Univ., ser. VII 3, pp SENSORE SISMICO SPERIMENTALE A BANDA LARGA E SISTEMA DI ALLARME SISMICO PER OPERATORI DI PROTEZIONE CIVILE R. Rossi (1) e M. Mariotti (2) (1) F.E.S.N. Friuli Experimental Seismic Network, Pozzuolo del Friuli, Udine (2) I.E.S.N. Italian Experimental Seismic Network, Perugia Chi si accinge a studiare in modo autonomo la affascinante materia della geofisica applicata, spesso sente la necessità di effettuare esperienze che, si dice, possono essere vissute solo appartenendo ad istituti universitari o a gruppi di studio privati di alto livello. Tuttavia lo sviluppo dell elettronica e la crescente disponibilità di informazioni tecniche, rende disponibile la realizzazione di apparati ad elevate prestazioni anche a privati cittadini e piccole imprese. In occasione del convegno tenuto al Castello di Udine nel maggio 2006 nell ambito della commemorazione del 30 anniversario del terremoto del 76 in collaborazione con la squadra comunale di volontari di protezione civile di Pozzuolo del Friuli e con il FESN (Friuli Experimental Seismic Network) è stato presentato per la prima volta in Italia, un sensore a larga banda a massa fluida di realizzazione estremamente semplice ed efficace. Tale sensore, per ora disponibile per la sola componente orizzontale, sfrutta il principio dei vasi comunicanti ed un circuito elettronico per rilevare il movimento della massa fluida conduttiva e consente di raggiungere facilmente una banda passante compresa fra 0.01 e 20Hz. Registrazioni comparate con altri sensori commerciali mostrano risultati totalmente sovrapponibili che fanno pensare al suo utilizzo anche in ambito scientifico. La FESN è un costituita da un gruppo di appassionati di geofisica fondato nel 1998 da Giovanni Rotta (Resia, UD) - recentemente scomparso - a seguito di una visita presso una analoga associazione presente in California (USA) chiamata P.S.N. ovvero Public Seismic Network e coordinata dal progettista elettronico Larry Cochrane. Da subito Giovanni Rotta seppe far collimare le esigenze particolari dello studio della geofisica con la sua capacità organizzativa e sociale necessaria a fondare quella che poi è diventata la prima rete sismica amatoriale europea. A seguito dell esperienza della F.E.S.N., nacque a breve la I.E.S.N. (con sede in Ancona) di cui la F.E.S.N. stessa, a tutt oggi, fa parte. Il background e le competenze dei volontari che operano nell ambito di queste associazioni sono estremamente eterogenee ma tutti sono consapevoli della necessità di valorizzare le competenze dei singoli a beneficio dei risultato scientifico dell osservazione sismica. Questo ha portato ad una costante cooperazione fra i vari componenti delle reti amatoriali a livello sia nazionale che internazionale. La I.E.S.N. conta in italia svariate decine di stazioni molte delle quali producono dati che integrano il database I.N.G.V. Questo anche a fronte dell utilizzo di competenze professionali, 15

2 ad esempio la F.E.S.N. ha nel suo gruppo tre geologi, l università di Trieste, DST (Dipartimento Scienze della Terra) collabora con la F.E.S.N. nella figura della prof.ssa Carla Braitemberg. Allo sviluppo del sensore sismico oggetto di questo lavoro stanno lavorando progettisti elettronici di alto livello, l ideatore del sensore è infatti Dave Nelson direttore dell ente che a suo tempo sviluppò il sistema GPS, collabora in Italia uno degli autori (M. Mariotti) progettista di sistemi elettronici per sismografia con un esperienza decennale sul campo e in collaborazione con decine di Università in Italia e nel mondo. Allo stato attuale l approvvigionamento di sensoristica per le rilevazioni nelle stazioni amatoriali passa necessariamente attraverso l autocostruzione, essendo proibitivi i costi dei sensori professionali utilizzati dagli enti ufficiali. Tuttavia seguendo linee guida costruttive studiate secondi principi fisici e matematici rigorosi, la realizzazione di tali sensori non solo genera giusta soddisfazione nei realizzatori ma anche risultati di tutto rispetto in ambito scientifico. Sembra che si stia quindi delineando, come già avviene per il software nell ambito dell opensource, una corrente di pensiero del tipo open-design con la quale si dà spazio alla creatività nel rispetto del rigore scientifico. Questo approccio appare solamente benefico e potrà avere utili risvolti anche nelle realtà dei paesi in via di sviluppo. Il sensore sismico sperimentale a banda larga è chiamato dal suo gruppo di sviluppo F.M.E.S. ovvero, Fluid Mass Electrolytic Seismometer - Sismometro Elettrolitico a Massa Fluida. Il sensore è basato sul noto principio dei vasi comunicanti. Lo schema di funzionamento è riassunto dalla figura 1. Il dispositivo a forma di A rovesciata è realizzato con dei tubolari e raccordi in PVC chiusi ad anello all interno del quale è presente una soluzione di acqua distillata, glicoetilene ed una emulsione siliconica quale agente antischiuma. Il condotto inferiore [E] è riempito di liquido che forma alle due estremità verticali due piccole colonna d acqua. Il condotto [D] serve solo come compensatore di pressione fra le due colonne d acqua, in questo modo non c è bisogno di fare il vuoto nelle porzioni libere dall acqua. Le colonne d acqua sono sigillate dai tappi [B] e la misura di livello viene effettuata dalle celle [A]. La superficie dell elettrolita, grazie alla sua composizione, forma un menisco [C] non aderente le superfici verticali. A prima vista assomiglia molto ad un inclinometro ad acqua ma a metà del condotto inferiore è presente una strozzatura regolabile. Questa strozzatura fa si che la capacità di oscillazione del sistema di vasi comunicanti sia estremamente smorzato. La strozzatura agisce quindi come integratore che rende il volume di liquido trasferito da un vaso all altro proporzionalmente all integrale dell accelerazione, ovvero la velocità del movimento sismico per tutte le frequenze superiori al polo dell integratore idraulico. E da notare che la strozzatura è realizzabile anche tramite un piccolo rubinetto che rende variabile lo smorzamento del sismometro permettendo la sperimentazione di varie condizioni di lavoro. La funzione di trasferimento del sistema può essere espressa da questo grafico la quale appare piatta da 0.016Hz a 25Hz circa. Il segnale derivante dagli spostamenti del suolo, è rilevato mediante una cella conduttimetrica costituita da due elettrodi immersi nel liquido in grado di misurare la differenza del Fig. 1 Principio di funzionamento. 16

3 Fig. 2 Funzione di trasferimento. livello dello stesso mediante la variazione di conducibilità del liquido. La figura che segue evidenzia la sezione del condotto verticale comprensiva dell elettrodo di misura. Gli elettrodi sono costituiti da due filamenti in acciaio inossidabile emergenti sui due tappi in modo tale da permetterne i contatti elettrici. Al fine di controllare il livello del liquido all interno del circuito anche quando questo è chiuso, sono posizionati, a fianco degli elettrodi, due tubi di riempimento della lunghezza calibrata in modo tale da permettere il riempimento corretto anche a struttura chiusa. Il corretto riempimento e successivo livellamento è indicato anche dal circuito elettronico mediante alcune spie luminose. Di seguito sono riportate alcune figure del prototipo realizzato per lo sviluppo del sensore. Si noti la semplicità costruttiva e l utilizzo di componenti da banco Fig. 3 - Il circuito idraulico. 17

4 Fig. 4 Il sensore inserito nel suo contenitore; è visibile la scheda elettronica di misura e la vite di regolazione per il livellamento Benché concettualmente molto semplice, il sensore presenta alcune difficoltà costruttive, prima fra tutte la preparazione della soluzione elettrolitica non sempre agevole. Se non correttamente preparata impedisce la formazione del menisco di superficie inficiando la misura differenziale del livello. Un altro elemento negativo è che per un certo tempo dopo il trasporto del sensore in situ possono manifestarsi degli spikes a fronte dell emersione di bolle d aria in superficie, l effetto comunque tende a ridursi rapidamente fino a scomparire dopo qualche giorno. Appare inoltre evidente la difficoltà di realizzazione di un analogo trasduttore per il movimento verticale. Sono in corso di sperimentazione soluzioni implementabili senza l uso di tecnologie e strumentazione eccessivamente spinte, è probabile l uso di una membrana elastica a sostegno del fluido in verticale e/o l uso del principio magnetoidrodinamico che sembra dare alcuni risultati apprezzabili per cannule molto sottili anche mediante l uso di campi magnetici solo relativamente intensi. Il trasduttore presentato sembra trovare interessanti applicazioni in vari campi della sismologia e nella didattica. Il suo bassissimo costo potrebbe orientare i ricercatori al suo uso nelle situazioni dove la strumentazione corre il pericolo di essere persa, ad esempio nel monitoraggio di frane o vulcani; nello specifico il sensore utilizzato come misuratore statico può trovare impiego come inclinometro. Ci auguriamo che lo sviluppo continui magari anche Fig. 5 - Schema elettronico dello stadio di misura. 18

5 con l apporto di qualche istituto di ricerca che possa raccogliere qualcuna delle idee esposte e contribuire allo sviluppo di una soluzione sostenibile sia in ambito amatoriale che di ricerca scientifica ad esempio nei paesi in via di sviluppo o in ambito scolastico e divulgativo. Sistema di allarme sismico per operatori di protezione civile Durante una crisi sismica numerosi operatori possono essere chiamati ad operare nelle aree colpite sia al fine di prestare soccorso che per espletare funzioni di messa in sicurezza e/o dichiarare l agibilità delle strutture colpite dal sisma. Si tratta di attività ad alto rischio come ben hanno testimoniato le tristi immagini riprese dalla TV il 26 settembre 1997 nella basilica di Santa Maria degli Angeli ad Assisi (PG). Essendo indispensabile il tempestivo intervento dei tecnici e dei soccorritori nasce l esigenza di tutelare il più possibile gli addetti ai soccorsi. Oltre alle opportune precauzioni predisposte dai tecnici (attenta valutazione del rischio, predisposizione di vie di fuga, ecc...) sembra opportuno dotare i gruppi di protezioni civile di sistemi di allerta rapida. Risulta evidente che l unico segnale disponibile prima dell arrivo delle onde sismiche di superficie (le più rischiose e distruttive) siano le onde primarie. E ormai noto che è possibile esaminare le onde primarie per conoscere: in primo luogo, l arrivo di un sisma e in secondo luogo valutarne la capacità distruttiva. In questo articolo si prendono in esame alcune metodiche e soluzioni facilmente percorribili per incrementare il livello di sicurezza di chi è chiamato a lavorare nell immediato post-terremoto e durante una crisi condita di aftershock. L unica forma di prevenzione possibile contro questo fenomeno distruttivo è ormai noto essere la preparazione, costruttiva, conoscitiva e psicologica. Tale preparazione può, lasciando agli enti preposti le ulteriori azioni da intraprendere, che normalmente si limitano ai soccorsi e alla ricostruzione, determinare la anche la sopravvivenza del singolo, che sia privato cittadino od operatore di protezione civile. Successivamente ad un evento sismico di forte intensità molti modelli prevedono ulteriori manifestazioni sismiche anche di livello distruttivo, quindi la probabilità di ulteriori perdite umane è piuttosto alta anche tra gli operatori che intervengono a vario titolo in prossimità o all interno di edifici danneggiati. Le zone colpite dall evento sismico, se l ipocentro è sufficientemente profondo o se la magnitudo è elevata, possono estendersi per qualche decina di chilometri dall epicentro, comportando situazioni di pericolosità anche a tali distanze. La Squadra di Monitoraggio Sismico della FESN, gruppo integrato alla Squadra di Protezione Civile di Pozzuolo del Friuli, si propone di affiancare gli enti ufficiali con un servizio di monitoraggio dell andamento sismico in tempo reale, raccogliendo informazioni potenzialmente utili per gestire, per quanto possibile, l evolversi dell emergenza. In parallelo a tale servizio, la FESN ha ipotizzato un sistema di allarme sismico (early warning) che può essere utilizzato sfruttando una piccola rete di rilevamento sismico mobile con stazioni posizionate nei pressi degli epicentri più probabili, in modo tale da essere in grado di rilevare un eventuale nuovo evento fin dai primi istanti e di lanciare un allarme codificato a distanza agli operatori di protezione civile in servizio attivo. Le valutazioni circa i tempi di percorrenza delle onde sismiche rispetto a quelli delle onde elettromagnetiche permettono infatti di considerare utili i pochi secondi che intercorrono tra la il momento di generazione delle onde sismiche all epicentro e l arrivo delle onde secondarie (distruttive) in una zona danneggiata distante dall epicentro. Sfruttando tali tempistiche è possibile realizzare un sistema di allarme trasmissibile via radio, in grado di permettere al singolo operatore addestrato, dotato di un ricevitore opportunamente realizzato, di avere il tempo necessario per posizionarsi in luogo di sicurezza. In Giappone, territorio tipicamente soggetto a fenomeni sismici di elevata intensità, è stata diffusa la notizia, attraverso la stampa e Internet, di un sistema di allarme che comunica l arrivo di onde sismiche sfruttando la rete radio broadcasting. ( Sempre in Giappone, una ditta ha messo in commercio un dispositivo ( che, dotato di una stazione di rilevamento sismico integrata, è in grado di trasmettere dati e informazioni nonché la magnitudo di un evento rilevato pochi istanti dopo l inizio di un sisma. L algoritmo su cui è basato effettua un 19

6 calcolo di magnitudo basandosi sui primi impulsi delle onde P. Negli USA e da poco in Italia, è stato messo in commercio un diverso tipo di strumento, che è in grado di rilevare le onde sismiche di tipo P emettendo l allarme del possibile arrivo di onde S distruttive. ( - Tali dispositivi si basano, com è noto, sulla diversa velocità delle onde primarie e delle onde secondarie, le seconde infatti, viaggiano in media a velocità pari circa alla metà rispetto alle prime, (onde primarie, a 6/7 km al secondo - onde secondarie (distruttive) a 3-4 km/sec). Queste caratteristiche tipiche di velocità permettono di progettare un dispositivo in grado di generare un allarme acustico che sia in grado di generare un allarme acustico emesso in corrispondenza dei primissimi picchi di segnale delle onde P, rilevati da una delle stazioni della rete, da trasmettere via radio al singolo operatore remoto, il quale avrà così il minimo tempo utile per posizionarsi in condizione di sicurezza. Il sistema ipotizzato dalla FESN, prevederebbe il posizionamento nei pressi dell epicentro, di una piccola rete di almeno tre stazioni di rilevamento sismico presidiate. Le stazioni sarebbero connesse via radio mediante un sistema di ricetrasmissione (ad esempio utilizzando stazioni ARI Associazione Radioamatori Italiani o altra rete radio in grado di gestire segnali digitali) individuandone una con funzioni di capomaglia. Queste tre stazioni sarebbero dotate di un software in grado di stimare la magnitudo entro 2 secondi dall arrivo del primo impulso e di inviare un allarme a vari livelli ai ricevitori in uso agli operatori. In base alla morfologia del territorio interessato e alla distribuzione dei danni del presupposto mainshock la rete potrebbe interporsi fra l area epicentrale e le aree limitrofe. Ben poco si potrà fare in area epicentrale ove il differenza dei tempi di arrivo P-S diventerebbe inutilizzabile ma via via che ci si allontana dalla zona epicentrale o dalle zone ove si stima una alta probabilità di aftershocks l uso del sistema può essere di notevole interesse. Tale sistema infatti anziché limitarsi a proteggere una squadra di soccorritori in loco (come prevedono i sistemi giapponesi e americani) potrebbe proteggerne molte e dare più tempo a disposizione per l evacuazione rapida. Il segnale di allarme generato da una delle stazioni a seguito di un rilevamento, dovrebbe essere codificato digitalmente tramite il software della stazione stessa e trasmesso alla stazione capomaglia tramite la rete radio. La stazione capomaglia quindi trasferirebbe il segnale alle varie postazioni remote (utilizzando un altra frequenza o un diverso canale) quindi, in remoto, mediante un repeater il segnale sarebbe convertito in una frequenza dell ordine dei khz (ad esempio 137 khz in banda radioamatoriale) in modo tale da rendere le murature degli edifici trasparenti al segnale. Ogni operatore, ovvero un operatore per ogni gruppo, sarebbe dunque dotato di un dispositivo ricevente in grado di codificare il segnale digitale ricevuto e di emettere un segnale di emergenza indicante l arrivo di un sisma. Sembra importante che il sistema invii in modo cadenzato un segnale portante. Tale segnale potrebbe essere inviato come brevi impulsi a pacchetto durante tutto il tempo in cui la rete è operativa con cadenza preordinata ad esempio fra i 2 e i 15 secondi. Se uno dei ricevitori avverte la mancanza di questo segnale temporizzato può attivare un allarme di mancanza di copertura che avverta l operatore dell assenza del servizio. Un diverso segnale potrebbe indicare un eventuale rientrato allarme o un falso allarme. Tali indicazioni si rendono indispensabili data la delicatezza del sistema, inoltre si rende indispensabile limitare l utilizzo di questo dispositivo ad operatori addestrati in grado di saper gestire anche, appunto, possibili falsi allarmi (sismi con magnitudo di bassa intensità o altri eventi non sismici). L operatore presente presso la stazione di rilevamento attivata, dovrebbe quindi essere pronto a comunicare eventuali falsi allarmi dovuti a interferenze o a segnali di terremoti lontani percepiti dalla struttura. Durante una prima esercitazione è stato possibile verificare che i tempi utili per raggiungere postazioni di sicurezza da parte di alcuni operatori della CRI, si sono attestati in circa 5 secondi dall allarme. Il sistema quindi, se affinato, potrebbe rivelarsi molto utile per siti distanti dall epicentro almeno 5-6 chilometri. Infatti, alcune considerazioni in merito possono meglio far comprendere tali affermazioni: - in mancanza di alcun sistema di allarme gli operatori possono divenire consapevoli di una scossa 20

7 sismica anche solo dopo qualche secondo dall effettiva percezione. La concentrazione sul proprio operato, forti rumori vicini, o altro potrebbero diminuire la sensibilità e far percepire il pericolo con tempistiche relativamente lunghe; - l arrivo di un segnale inequivocabile, invece, potrebbe permettere all operatore addestrato di avvantaggiarsi nel raggiungere una posizione di sicurezza in pochissimi secondi; - i tempi effettivi perché si verifichi un crollo di materiali pericoloso, non avviene in genere contemporaneamente all arrivo delle onde S (distruttive), ma esistono in genere, alcuni ulteriori secondi utilizzabili; Tali considerazioni, pertanto, lasciano immaginare che già a pochi chilometri di distanza dalla zona epicentrale, all interno della quale i tempi si rivelerebbero troppo esigui, la possibilità di disporre di un segnale d allarme potrebbe costituire una differenza degna di considerazione. Trattandosi comunque di un sistema ancora da testare sul campo, e rendendosi necessarie ulteriori implementazioni tecnologiche, già comunque alla portata degli operatori, si effettueranno ulteriori verifiche e sperimentazioni sia a livello hardware che software, sia a livello umano. Il sistema infatti necessita di un addestramento adeguato per tutti gli utilizzatori del sistema. Ipotesi di realizzazione del sistema di allarme Sensori: geofoni da 4.5Hz sono largamente disponibili, economici, robusti, adatti al rilevamento delle onde P Digitalizzatori: a 24 bit per la massima risoluzione e dinamica in qualsiasi zona sia epicentrale che limitrofa Analizzatori di segnale: Computer portatili con software specifico per la comunicazione radio, nonché per il rilievo e l analisi in tempo reale del segnale sismico Sistema radio: Radio RTX in banda civile o radioamatoriale; Ripetitore di segnale da banda civica o radioamatoriale in banda VLF. Ricevitore a basso consumo con allarme di vari livelli: Segnale assente - Segnale presente - Allarme in atto - Allarme rientrato - Falso allarme Possibilità di sviluppo successivo Modelli crostali: Da una sempre più accurata conoscenza del territorio si potrebbe differenziare le varie aree sismiche ottimizzando i tempi di preavviso e stima della magnitudo conoscendone le caratteristiche morfologiche e i modelli crostali di propagazione. Mappatura in tempo reale: I software di controllo potrebbero rimappare la condizione di rischio aggiornandosi in tempo reale sullo stato della crisi attingendo dai database nazionali. Il modello di analisi potrebbe suggerire anche il riposizionamento dei sensori in punti più efficaci per il rilevamento dell allarme. Ringraziamenti. Dave Nelson, Christopher Chapman, Jim Hannon, Nicolas d Oreye, Angel Louìs Rodrìguéz. Bibliografia Shepard D. 1971; Dynamic Analysis of a Mercury Tiltmeter, Rep. E-2598, Drapier Laboratories, Cambridge, Mass. Agnew D.C. 1986; Stainmeters and Tiltmeters, Reviews of Geophysics, vol 24 N 3, pp d Oreye N., W. Zuern 2005; Very high resolution long-baseline water-tube tiltmeter to record small signals from Earth free oscillations up to secular tilts, Rev. of Sc. Instruments, vol. 76-2, pp d Oreye N. 2003; Inclinomètre à niveaux hydrostatiques de haute résolution en géophysique, PhD thesis, Univ. Cath. de Louvain- La-Neuve, Belgium (in Francese) Scheel G. 1956; Systematische Fehler des Hydrostatische Nivellments und Verfahren zu ihrer Deutsche Geod. Komm., Reihe B, Heft Nr 27, Mitt. Nr 13, pp 73 (in Tedesco) Alguacil G., Havskov J. 2004; Instrumentation in Earthquake Seismology, Springer,