Come si registra un terremoto: i sismogrammi

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Il sismogramma è il grafico che rappresenta l’ampiezza del moto del suolo in funzione del tempo durante un terremoto. Le oscillazioni provocate dal terremoto vengono rilevate da appositi sismografi, che registrano in modo continuo il moto del suolo rispetto ad un sistema di riferimento inerziale. I moderni sensori sismici sono in grado di registrare accelerazione, velocità o spostamento del suolo; un sismogramma può quindi rappresentare una di queste tre grandezze in funzione del tempo. Inoltre, le stazioni sismiche sono generalmente dotate di sensori a tre componenti, cioè terne di sensori orientati secondo le tre direzioni di un sistema cartesiano centrato al sito di registrazione (direzione verticale, Nord-Sud ed Est-Ovest). Poiché lo spostamento, la velocità o l’accelerazione del moto del suolo sono quantità fisiche vettoriali, la disponibilità delle tre componenti permette la completa ricostruzione del moto del suolo e del vettore ad esso associato nel tempo. Tipicamente, quindi, un sismogramma si presenta sotto forma di tre grafici che rappresentano le tre componenti del moto del suolo (Figura 1).

Sismogramma1
igura 1: Esempio di sismogramma. Dall’alto verso il basso le componenti orizzontali Est-Ovest, Nord-Sud e la componente verticale. Le fasi P ed S sono indicate con delle barre rosse. In questo esempio le due fasi sismiche si distinguono chiaramente soprattutto per la loro diversa ampiezza. La variazione della frequenza associata all’arrivo delle due fasi sismiche è invece meno evidente ad occhio nudo.

La disponibilità delle tre componenti consente non solo di registrare il moto del suolo nella sua interezza, ma anche di analizzare i diversi tipi di onde sismiche irradiate da un terremoto. Quando si verifica un terremoto dall’ipocentro vengono emesse due tipi di onde di volume: le onde P e le onde S. Data la differente velocità di propagazione all’interno della Terra, le due fasi sismiche giungono ai ricevitori in tempi diversi. Su un sismogramma le onde P appariranno per prime, seguite poi dalle onde S, che arrivano al ricevitore con un certo tempo di ritardo, essenzialmente controllato dalla distanza ipocentrale. Le onde P ed S hanno caratteristiche differenti in termini di frequenza e ampiezza; in particolare le onde P sono generalmente caratterizzate da alte frequenze e piccole ampiezze, mentre le onde S presentano maggiori ampiezze e più basse frequenze. Proprio queste diverse caratteristiche nella maggior parte dei casi, consentono all’osservatore di distinguere chiaramente sul sismogramma le due fasi sismiche (Figura 1). Dal momento che l’onda P è la prima fase che giunge ai sismografi, essa è generalmente ben identificabile sul sismogramma; in alcuni casi, però, il segnale è contaminato dalla presenza di rumore che ne rende difficile, se non addirittura impossibile, il riconoscimento. La fase S, invece, è più difficile da riconoscere, poiché essa giunge ai ricevitori durante la “coda” della fase P; il moto del suolo prodotto dalle onde S è sovrapposto quindi alle precedenti oscillazioni e questo ne rende difficile l’individuazione.
Un’altra differenza importante tra le onde di volume P ed S è legata alla loro polarizzazione. Le onde P hanno polarizzazione di tipo longitudinale, ossia parallela alla direzione di propagazione; ciò significa che al passaggio di un’onda P le particelle del mezzo si muovono nella stessa direzione in cui l’onda si propaga (Figura 2).

Sismogramma2
Figura 2: Polarizzazione delle onde P. Al passaggio delle onde P le particelle del mezzo vengono “spinte” nella stessa direzione in cui l’onda avanza; come risultato il mezzo viene alternativamente compresso e dilatato.

Le onde S invece hanno polarizzazione ortogonale alla direzione di propagazione; in pratica, al passaggio di un’onda S le particelle del mezzo iniziano ad oscillare in un piano ortogonale alla direzione di propagazione dell’onda stessa (Figura 3).

Sismogramma3
Figura 3: Polarizzazione delle onde S. Al passaggio delle onde S le particelle del mezzo si muovono in direzione perpendicolare a quella di propagazione dell’onda; come risultato esse iniziano ad oscillare su e giù intorno alla direzione di propagazione dell’onda stessa.

Proprio grazie alla diversa polarizzazione è possibile distinguere i due tipi di onde sulle tre diverse componenti del sismogramma. Per spiegare meglio questo concetto facciamo riferimento alla figura 4. In un modello estremamente semplificato di Terra, possiamo immaginare che questa sia costituita da materiale omogeneo; in questa situazione ideale le onde sismiche che nascono dall’ipocentro si propagano fino al ricevitore lungo una linea retta (Figura 4a). Nella realtà però la Terra non è omogenea, ma al suo interno è possibile incontrare strati di differente materiale, dalla proprietà elastiche e fisiche diverse, e, di conseguenza, caratterizzati da una diversa velocità di propagazione delle onde sismiche. Generalmente la velocità di propagazione delle onde sismiche tende a crescere all’aumentare della profondità. Quando un’onda sismica attraversa strati con proprietà elastiche diverse, la sua traiettoria viene modificata in accordo alla legge di Snell; la conseguenza immediata è che le onde sismiche non si propagano più in linea retta ma la loro traiettoria tende a incurvarsi, fino ad incidere quasi “verticalmente” alla superficie libera (Figura 4b).

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Figura 4: Traiettoria delle onde sismiche: nel caso di un mezzo omogeneo le onde si propagano in linea retta; quando invece il mezzo attraversato non è omogeneo, la traiettoria delle onde sismiche si incurva.

Le onde P, che hanno una polarizzazione lineare produrranno quindi in superficie un moto prevalentemente verticale e pertanto saranno meglio visibile sulla componente verticale del sensore. Al contrario le onde S, data la loro polarizzazione ortogonale alla direzione di propagazione, producono in superficie un moto per lo più orizzontale, per cui sono meglio visibili sulle due componenti orizzontali. Dunque, ricapitolando, su un sismogramma vediamo: le onde P, per prime, sulla componente verticale; le onde S, per seconde, sulle componenti orizzontali.
La forma di un sismogramma, tuttavia, non è cosi semplice, poiché le onde P e S non sono le uniche onde sismiche che si osservano. La presenza di altre fasi sismiche è legata alla discontinuità all’interno della Terra, e ai diversi tipi di materiali che la compongono. Quando un’onda sismica incontra durante il suo tragitto una superficie di discontinuità, essa è soggetta a fenomeni di riflessione, rifrazione e/o diffrazione, che comportano la formazione di altre fasi sismiche, le cui caratteristiche dipendono dalle proprietà dei mezzi attraversati. Nella maggior parte dei casi quindi, sul sismogramma è possibile osservare altri tipi di onde sismiche, dalla cui analisi si può ricostruire la struttura del mezzo.

 

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