Tracce Sismiche

In questo post descriviamo l’attività di monitoraggio sismico realizzata con il sismometro di PhysicsOpenLab. Lo strumento è stato descritto nei post : Sismometro a Pendolo Orizzontale, Sismometro : elettronica di Lettura.

La posizione geografica della nostra stazione sismica ha i seguenti dati :

• Latitudine : 46° 04′ 01” N (46.067 N)
• Longitudine : 11° 09′ 18” E (11.155 E)
• Altimetria : 398 m
• Raggio terrestre locale : 6367 Km

I grafici sotto mostrano l’attività sismica registrata nella giornata di ieri e, real-time, nella giornata di oggi (può essere necessario aggiornare la pagina web). I grafici sono realizzati con la funzionalità plot del pacchetto obspy. Ogni riga orizzontale corrisponde ad una ora di registrazione, una giornata intera è quindi costituita da 24 righe di registrazione. La spaziatura tra le righe è costante e corrisponde ad una ampiezza di segnale di 50 mV. Le ondulazioni di fondo (microsismi, attività antropiche, disturbi) hanno ampiezza di circa 5 mV, questo è il limite inferiore per un segnale sismico registrabile dallo strumento.

Traccia di Ieri

Traccia di Oggi

Onde Sismiche

Le onde sismiche naturali si dividono principalmente in due grandi categorie, in funzione di come percorrono il materiale perturbato:

• Onde di corpo o di volume (body waves in inglese)
  • Onde P
  • Onde S
• Onde superficiali (surface waves in inglese)
  • Onde di Rayleigh
  • Onde di Love

Le Onde P sono onde compressionali, dette anche onde longitudinali o onde primarie. Queste sono simili alle onde acustiche e corrispondono a compressioni e rarefazioni del mezzo in cui viaggiano; al loro passaggio le particelle del materiale attraversato compiono un moto oscillatorio nella direzione di propagazione dell’onda. Sono le più veloci fra le onde generate da un terremoto e, dunque, le prime che vengono avvertite da una stazione sismica, da cui il nome di Onda P (Primaria).

Le Onde S sono onde trasversali che provocano nel materiale attraversato oscillazioni perpendicolari alla loro direzione di propagazione. Si può immaginare come le onde che si propagano lungo una corda di lunghezza finita, che viene fatta oscillare muovendone le due estremità.
Un’importante caratteristica di queste onde è che non possono propagarsi in mezzi fluidi, in cui il modulo di rigidità è nullo. Non è possibile dunque riscontrarle nel magma presente nel serbatoio magmatico di un vulcano o nel nucleo esterno della terra. Questa caratteristica è stata storicamente molto importante per gli studi geofisici riguardanti la composizione in profondità della terra.
Si vede che la velocità delle Onde S è necessariamente inferiore alla velocità delle Onde P; esse raggiungono velocità che si aggirano solitamente intorno al 60-70% della velocità delle Onde P. Questo è il motivo per cui esse vengono avvertite sempre dopo le Onde P (da cui la denominazione onde S come Secondarie).

Le onde superficiali (o onde di superficie) vengono a crearsi a causa dell’intersezione delle onde di corpo con una superficie di discontinuità fisica, la più studiata delle quali è la superficie libera della terra, cioè la superficie di separazione tra la crosta terrestre e l’atmosfera terrestre. Queste onde si propagano guidate lungo la superficie e la loro energia decade esponenzialmente con la profondità (è questo il motivo per cui si dicono superficiali). Queste onde vengono indotte facilmente nelle situazioni in cui la sorgente sismica è poco profonda. È da sottolineare che in caso di terremoto, nell’ipocentro sismico vengono generate direttamente solo Onde P e Onde S, in quanto queste sono le onde di corpo che si propagano all’interno della Terra, attraverso i suoi strati, ma non vengono generate direttamente le onde superficiali.
La velocità delle onde di superficie è inferiore alla velocità delle onde di corpo, per cui (specialmente se l’evento è distante) il loro arrivo è successivo all’arrivo delle Onde P ed S. D’altro canto, l’ampiezza e quindi l’energia associata, di queste onde è notevolmente maggiore di quella delle onde di corpo, questo succede perché, all’aumentare della distanza, l’energia viene dissipata più lentamente che nelle onde di volume.

Esempi di Registrazioni Sismiche

Sisma Albania – Data 21-09-2019 – M5.8 M5.1

E’ un sisma remoto che si è verificato il 21-09-2019 in prossimità della costa albanese. Si è trattato di due scosse principali, rispettivamente di magnitudo 5.8 e 5.1. Le immagini sotto mostrano i dati del sisma, i tracciati sismici, lo spettrogramma e la localizzazione del sisma con il metodo della differenza temporale tra l’istante di arrivo delle onde P e quello delle onde S. Il risultato viene ottenuto in gradi, la distanza in kilometri si può calcolare dalla formula :
D= ( 2π x Rloc / 360 ) x α dove Rloc = 6367 Km

Sisma Turchia – Data 26-09-2019 – M5.8

E’ un sisma remoto che si è verificato il 26-09-2019 in prossimità della costa turca. Si è trattato di una scossa di magnitudo 5.8. Le immagini sotto mostrano i dati del sisma, i tracciati sismici e la localizzazione del sisma con il metodo della differenza temporale tra l’istante di arrivo delle onde P e quello delle onde S.

Sisma Pakistan – Data 24-09-2019 – M5.9

E’ un sisma remoto che si è verificato il 24-09-2019 nella zona nord del Pakistan. Si è trattato di una scossa di magnitudo 5.9. Le immagini sotto mostrano i dati del sisma, i tracciati sismici e la localizzazione del sisma con il metodo della differenza temporale tra l’istante di arrivo delle onde P e quello delle onde S.
Nel tracciato si nota l’arrivo delle onde P dirette, seguito dall’arrivo delle onde PP riflesse, seguito a sua volta dalle onde dirette S e dalle onde riflesse SS.

Sisma Cile – Data 29-09-2019 – M6.6

E’ un sisma remoto che si è verificato il 29-09-2019 in prossimità della costa pacifica del Cile. Si è trattato di una scossa di magnitudo 6.6, quindi piuttosto intensa. Le immagini sotto mostrano i dati del sisma, i tracciati sismici e lo spettrogramma. Nel tracciato si nota l’assenza sia delle onde P dirette che delle onde dirette S. La posizione del punto di rilevazione (il nostro sismometro), rispetto all’ipocentro del sisma, si trova infatti all’interno della shadow-zone, nella quale non possono arrivare le onde S perché fermate dal nucleo fluido che non trasmette le onde trasversali, e neppure le onde P che sono diffratte dal nucleo esterno. In questa zona arrivano soltanto onde indirette e onde di superficie.

Sisma Friuli – Data 22-09-2019 – M3.8

E’ un sisma locale che si è verificato il 22-09-2019 nel nord del Friuli. Si è trattato di una scossa di magnitudo 3.8. Le immagini sotto mostrano i dati del sisma, i tracciati sismici e la localizzazione del sisma con il metodo della differenza temporale tra l’istante di arrivo delle onde P e quello delle onde S.
Si nota bene l’arrivo delle onde P e delle onde S e la diversa frequenza delle stesse, maggiore nelle onde P e minore nelle onde S. Il tracciato sismico è stato migliorato impostando una banda passante da 1 Hz a 5 Hz, filtrando quindi le basse frequenze che costituiscono il rumore di fondo.  Si nota inoltre come la risposta del sismometro a queste frequenze relativamente alte sia piuttosto ridotta : il nostro strumento a periodo lungo è infatti molto più adatto a rilevare sismi remoti piuttosto che sismi locali.

Sisma Treviso- Data 23/09/2019 – M2.8

E’ un sisma locale che si è verificato il 23-09-2019 nella zona di Treviso, ad una distanza di circa 60 Km. Si è trattato di una scossa di magnitudo 2.8. Le immagini sotto mostrano i dati del sisma ed il tracciato sismico. Come nel caso precedente il tracciato sismico è stato notevolmente migliorato impostando una banda passante da 1 Hz a 5 Hz, filtrando quindi le basse frequenze che costituiscono il rumore di fondo.

Sisma Isole Cayman- Data 28-01-2020 – M7.8

E’ un sisma remoto che si è verificato il 28-01-2020 nei pressi delle isole Cayman. Si è trattato di una scossa di magnitudo 7.8, quindi molto intensa. Le immagini sotto mostrano i dati del sisma ed i tracciati sismici. Nel tracciato si nota soprattutto la lunga “coda” delle onde di superficie (onde di Love) andata avanti per oltre 60 minuti. Nella ultima parte vi è anche la traccia di un secondo sisma avvenuto sulla costa albanese.

Sisma Messico – Data 23/06/2020 – M7.6

E’ un sisma remoto che si è verificato il 23-06-2020 in Messico. Si è trattato di una scossa di magnitudo 7.6, quindi molto intensa. Le immagini sotto mostrano i dati del sisma ed i tracciati sismici. Nel tracciato si nota soprattutto la lunga “coda” delle onde di superficie (onde di Love) andata avanti per oltre 60 minuti.

L’immagine seguente mostra il tracciato del sisma nel quale sono indicati gli istanti di arrivo delle onde P, delle onde S e delle onde di superficie Lq (onde di Love). Il modello matematico di propagazione delle onde sismiche ci fornisce risultati che ben si accordano con le registrazioni del sismometro. Per la velocità delle onde superficiali  abbiamo condiderato un valore di 3,71Km/s.

Una caratteristica delle onde superficiali è che presentano il fenomeno della dispersione, questo significa che frequenze diverse si propagano a velocità diverse : le frequenze minori hanno velocità maggiori e viceversa le frequenze più alte si propagano a velocità minore. Il fenomeno della dispersione provoca una deformazione del “segnale” a causa della interferenza reciproca con la formazione di “pacchetti” di onde che viaggiano a velocità diverse, come si può vedere nel tracciato sopra nel quale sono evidenziati tre “pacchetti”.
Per ognuno dei tre treni d’onda possiamo calcolare la velocità di fase misurando il tempo e contando il numero di onde :

• I treno d’onde : freq = 0,039 Hz
• II treno d’onde : freq = 0,045 Hz
• III treno d’onde : freq = 0,054 Hz

Si vede come le frequenze minori siano proprio le onde arrivate prima, aventi cioè la velocità maggiore.

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