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
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
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 Wood- Anderson 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
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 A 0 dove A rappresenta l'ampiezza massima delle onde sismiche relative al terremoto considerato e A 0 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 0 0.5 Kg TNT I 1 15 Kg TNT (scontro camion di 2 tonnellate a 100 Km/h) Grado Mercalli 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 I XII
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 10 15 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
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 Magnitudo Provincia/zona Profondità 2016-10-30 6.5 Perugia 9 2016-10-28 5.7 Mar Tirreno Meridionale 474 2016-10-26 5.9 Macerata 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: M w =⅔LogM 0-10,73 dove M 0 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
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