Aspetti didattici 2. I terremoti

1. Cosa è un terremoto?

Un terremoto è una vibrazione più o meno forte della Terra prodotta da una rapida liberazione di energia meccanica da parte delle rocce sottoposte a sforzo.

Per capire come si producono i terremoti dobbiamo immaginare che le rocce abbiano un comportamento "elastico". Che significa? Significa che, quando sono sottoposte ad uno sforzo, si deformano e, quando lo sforzo cessa, riprendono la loro forma originaria (come fa una molla, od un elastico di gomma). Questo può sembrarci strano, ma ricordiamo che gli sforzi a cui sono sottoposte le rocce, all'interno della crosta terrestre, sono enormi ed applicati per lunghissimi tempi. 

Durante la deformazione, le rocce accumulano energia. Oltre un certo limite l'energia accumulata supera la "soglia" di rottura della roccia. In questo caso, il corpo roccioso non risponde più elasticamente ma si frattura lungo un piano di faglia; i due blocchi ai lati di questo si spostano l'uno rispetto all'altro, riprendendo la propria forma originaria. 

Nei video seguenti si spiega (in inglese) come questo semplice meccanismo possa rappresentare l'improvviso rilascio di energia che avviene durante il terremoto:

L'enorme "energia elastica" accumulata durante la deformazione viene rilasciata pressoché istantaneamente durante un sisma. Questa energia si propaga in tutte le direzioni sotto forma di onde elastiche, o sismiche ("teoria del rimbalzo elastico", proposta nel 1910 da Harry Reid dopo avere studiato il terremoto di San Francisco del 1906).

La frattura della roccia, che causa un terremoto tettonico, è il risultato di deformazioni elastiche, maggiori di quelle che la resistenza della roccia può sostenere, prodotti dagli spostamenti relativi di porzioni adiacenti della crosta terrestre. (Harry Fielding Reid, The Elastic Rebound Theory of Earthquakes, 1911)

2. Cosa sono le faglie?

3. Come si sposta un terremoto?

Il breve filmato che segue visualizza gli spostamenti verticali del terreno al passaggio delle onde generate da un terremoto (si tratta di un terremoto intraplacca, di magnitudo 5.8, ulteriori dettagli qui). Il massimo spostamento verticale misurato dagli strumenti per questo terremoto (evidenziato dai colori rosso e blu più intensi) corrisponde a 22 micron, cioè 22 millesimi di millimetro. Nell'immagine seguente sono stati evidenziati due momenti: il passaggio del primo "fronte dell'onda", che corrisponde alle onde P, che sono più veloci ed hanno ampiezza minore, ed il passaggio delle onde S. I corrispondenti grafici degli spostamenti verticali lungo la sezione indicata dalla linea nera sono solo indicativi.

La propagazione dei terremoti fornisce importanti informazioni sull'interno della Terra.

In particolare, la numerose stazioni sismiche sparse su tutto il globo consentono di rilevare l'arrivo delle diverse onde in momenti diversi e ricostruire l'andamento delle DISCONTINUITA'.

4. Come sono fatte le onde sismiche?

Un'onda è una perturbazione che si propaga nello spazio e che può trasportare energia da un punto all'altro, senza trasporto di materia.

Osserviamo questa animazione (tratta da qui), che rappresenta un'onda meccanica di compressione (onda longitudinale) in un mezzo costituito da particelle rappresentate dai puntini:

Nelle onde di taglio (o trasversali), invece, l'oscillazione delle particelle avviene in direzione ortogonale alla direzione di propagazione:

I due tipi di onda sismica hanno velocità diverse (le onde P sono più veloci delle onde S)

Inoltre, le onde S non possono attraversare un mezzo fluido, ma solo un mezzo solido. Per visualizzare questa proprietà, abbiamo fatto un "modello umano" della propagazione delle onde P e S:

... e una vera "wave machine", all' Exploratorium di San Francisco

Quando le onde sismiche P e S (onde "di volume") raggiungono la superficie, si generano altri tipi di onde che si propagano sulla discontinuità.

Nelle animazioni seguenti sono riportati i diversi movimenti di una particella per le diverse onde:

5. Come si registra un terremoto?

In queste brevi animazioni si possono osservare due sismografi in grado di registrare, rispettivamente, i movimenti orizzontali e verticali del suolo. I sismografi sono progettati in modo che sia possibile registrare anche vibrazioni molto piccole. La massa rimane ferma perché è sospesa ad un cavo (o ad una molla), che non le trasmette il movimento del terreno. Il pennino collegato alla massa, quindi, registra su un foglio scorrevole il moto relativo tra se stesso (la massa ferma) e la Terra (che si muove).

I sismografi che vengono usati oggi sono per la maggior parte digitalizzati, ma lo schema delle animazioni è comunque utile per capirne il principio di funzionamento.

6. Cosa sono le scale sismiche?

L'intensità di un terremoto è legata ai danni che produce (intensità macrosismica). L’intensità macrosismica classifica gli effetti macroscopici, più evidenti di un terremoto ed è massima nella zona epicentrale, mentre diminuisce con la distanza dall’epicentro. Tale diminuzione non è però regolare, perché gli effetti dipendono non solo dalle caratteristiche dell’onda sismica, ma anche e soprattutto da quelle del terreno che l’onda incontra in superficie e dalle caratteristiche delle costruzioni. L’intensità non può quindi essere considerata una misura oggettiva della grandezza del terremoto, poiché è legata al luogo che si considera (area urbana, area rurale) e ai modi con i quali l’uomo ha occupato il territorio e vi ha costruito.

7. Come si trova l'epicentro di un terremoto?

Per fare questo esercizio occorre sapere un po' di cose sui terremoti, su come si propagano e sui due tipi diversi di onde sismiche che si originano dall'ipocentro di un terremoto. E, soprattutto, occorre sapere che le onde sismiche P (o prime, primarie, di compressione, longitudinali) sono più veloci delle onde S (o seconde, secondarie, di taglio, trasversali).

L'esercizio ci consentirà di individuare l'epicentro di un terremoto utilizzando dati da stazioni sismiche molto vicine tra loro. Questo ci permette di semplificare il problema, considerando costanti le velocità delle onde sismiche nel tratto percorso (in realtà dipendono dal tipo di rocce che attraversano e dalla profondità).

Diagrammi da utilizzare:

1) sismogrammi da cui ricavare il ritardo delle onde S dalle P (quanti? discussione...)

2) un grafico che ci consenta di passare dal ritardo in secondi alla distanza in chilometri rispetto al punto di partenza. Nel nostro esempio, le velocità delle onde P ed S sono costanti e quindi il grafico è sicuramente lineare

3) una carta su cui siano riportate le posizioni delle stazioni sismiche che hanno registrato i sismogrammi in (1).

Questi sono i diagrammi per fare l'esercizio, modificati da una geopagina predisposta dall'INGV.

NB: l'asse verticale del 2 è in scala con la carta 3, attenzione alle eventuali riduzioni in fase di stampa.

8. Cosa è il rischio sismico?