I terremoti


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La teoria del rimbalzo elastico

Dopo il terremoto di San Francisco del 1906 che il sismologo americano H. Reid propose un modello del meccanismo secondo cui si verificherebbero le deformazioni all’origine dei terremoti. Il disastroso terremoto di San Francisco fu accompagnato da vistosi movimenti del terreno lungo la Faglia di San Andreas.  Mise  in evidenza che, prima del terremoto, anno dopo anno, strade, palizzate e corsi d’acqua si erano incurvati nel tratto in cui attraversavano il percorso della faglia. Era come se i terreni ai lati di quest’ultima si fossero mossi in direzioni opposte, con un movimento molto lento ma continuo. Reid​ giunse alla conclusione che le rocce, sottoposte a qualche sforzo, si comportano dapprima in maniera elastica, poi si deformano progressivamente fino a che non viene raggiunto il limite di rottura. In quel momento nella massa rocciosa si innesca una lacerazione a partire dal punto più debole e si crea una faglia, lungo il cui piano le rocce possono scorrere le une contro le altre in direzioni opposte. Le due parti dell’originaria massa rocciosa, libere di reagire elasticamente, riacquistano bruscamente il loro volume e la loro posizione di equilibrio, con una serie di rapide vibrazioni, che si trasmettono alle masse rocciose circostanti e che possono durare da pochi secondi a qualche minuto, a seconda di come e di quanto si estende la lacerazione. Se nella massa rocciosa esiste già una faglia (come era il caso del terremoto di San Francisco), è il forte attrito tra le due labbra della faglia a impedire all’inizio ogni movimento, per cui le rocce cominciano a deformarsi elasticamente: quando però la tensione che si accumula nelle rocce supera la resistenza dovuta all’attrito, la faglia si riattiva e il movimento avviene lungo di essa. Secondo il modello del rimbalzo elastico di Reid, con il brusco ritorno delle masse rocciose all’equilibrio, l’energia elastica accumulata durante la deformazione si libera, in parte sotto forma di calore per l’attrito lungo la superficie della faglia, in parte sotto forma di violente vibrazioni. Queste si propagano come onde sismiche verso tutte le direzioni, a partire da un certo volume di roccia: l’ipocentro.

Le onde sismiche

Per riconoscere i tipi di onde emesse da un terremoto bisogna portarsi a distanza dall’epicentro: infatti, poiché si muovono con velocità diverse, le onde arrivano in tal caso in tempi successivi. Si distinguono tre gruppi di onde: onde longitudinali (dette anche di compressione); onde trasversali (o di taglio); onde superficiali. Le onde longitudinali (o di compressione) sono quelle al cui passaggio le particelle di roccia oscillano avanti e indietro nella direzione di propagazione dell’onda stessa: la roccia subisce rapide variazioni di volume, comprimendosi e dilatandosi alternativamente a seconda delle rapide oscillazioni che i blocchi di roccia nella zona dell’ipocentro compiono dopo la deformazione elastica. Sono le onde più veloci, per cui sono dette anche onde prime od onde P: si muovono nella crosta con velocità tra 4 e 8 km/s. Si propagano in ogni mezzo, nelle rocce più compatte, nel magma fuso, nell’acqua e nell’aria: il rombo cupo che accompagna l’inizio del terremoto è dovuto alle onde P che arrivano in superficie e provocano spostamenti d’aria, con frequenze che rientrano in parte nella banda di quelle percepibili dall’orecchio umano.
Lo scivolamento delle masse rocciose lungo il piano di faglia provoca anche deformazioni che si propagano come onde trasversali (o di taglio). Al loro passaggio le particelle di roccia compiono delle oscillazioni perpendicolari alla direzione di propagazione; la roccia subisce variazioni di forma, ma non di volume. Sono più lente delle onde P: nella crosta viaggiano con velocità variabile tra 2,3 e 4,6 km/s; sono chiamate perciò onde seconde od onde S. Non possono però propagarsi attraverso i fluidi; infatti, mentre in un solido le molecole che si muovono trascinano con sé quelle contigue, in un fluido le forze tra molecole sono così deboli che ciò non avviene. Quando le onde interne raggiungono la superficie, si trasformano in parte in onde superficiali, che si propagano dall’epicentro lungo la superficie terrestre (come increspature sulla superficie dell’acqua), mentre si smorzano rapidamente con la profondità. Tra le onde superficiali ricordiamo le onde di Rayleigh (indicate con R) e le onde di Love (L). Al propagarsi di un’onda R le particelle compiono orbite ellittiche in un piano verticale lungo la direzione di propagazione, come avviene per le onde in acqua.

Registrazione della scossa e valutazione

La registrazione del movimento sismico da parte di un sismografo si chiama sismogramma. Come si ricorderà, i diversi tipi di onde prodotte in un terremoto si propagano con velocità differenti e seguendo percorsi di diversa lunghezza, per cui quanto più si è lontani dall’ipocentro, tanto maggiore è l’intervallo di tempo che passa tra il momento in cui iniziano ad arrivare le onde più veloci e quello in cui giungono le onde più lente. Nell’area prossima all’epicentro il sismogramma appare quindi molto complicato o confuso, sia per l’ampiezza delle oscillazioni, che possono mandare fuori scala gli strumenti («saltano i pennini»), sia per l’arrivo quasi contemporaneo di vari tipi di onde, a causa della brevità del cammino effettuato. A una certa distanza dall’epicentro, invece, i gruppi di onde cominciano a separarsi e nel sismogramma si riconosce una struttura fondamentale. La prima parte del sismogramma, in cui si riconosce l’inizio delle oscillazioni, corrisponde all’arrivo delle onde P; nella parte centrale del sismogramma all’arrivo delle onde P si sovrappone quello delle onde S; nell’ultima parte del sismogramma (coda) compaiono prevalentemente le onde superficiali, più lente ma molto più ampie.
Nel 1897 cominciarono a comparire scale di intensità utilizzabili per tutti i terremoti: ricordiamo quella elaborata da G. Mercalli, Cancani,  Sieberg. Essa misura l’intensità, ossia il danno provocato ed è articolata in 12 gradi. Nelle scale di confronto per terremoti, l’intensità viene stabilita in base alla valutazione degli effetti prodotti dal terremoto su persone, manufatti e terreno. Nel ​1935, il sismologo Charles F. Richter propose di misurare la magnitudo di un terremoto confrontando l’ampiezza massima delle onde registrate da un sismogramma relativo a quel terremoto (indicata con A) con l’ampiezza massima (A0) delle onde fatte registrare da un terremoto scelto come riferimento (terremoto standard). Come riferimento egli scelse un terremoto che produce su un sismografo standard, posto a 100 km dall’epicentro, un sismogramma con oscillazione massima uguale a 0,001 mm. La magnitudo è un indicatore dell’energia liberata dalla scossa sismica. Costituisce quindi una misura oggettiva del terremoto.
Il sismografo è uno strumento (o meglio un insieme di dispositivi) che registra in modo continuo il moto del suolo rispetto ad un sistema di riferimento inerziale. E' il principale componente di una stazione sismica e consente di "memorizzare" le oscillazioni prodotte da un terremoto, che vengono poi analizzate dai sismologi una volta che l'evento sismico si è concluso. Ciò che questo strumento produce è il grafico dell'ampiezza del moto del suolo in funzione del tempo. Tale grafico prende il nome di sismogramma. Con l'introduzione della tecnologia digitale, carta e pennino hanno lasciato il posto a sofisticati sensori e trasduttori di segnale, che sono, ad oggi, i principali componenti di un moderno sismografo. Il segreto del sismografo sta nell'utilizzo di un sistema inerziale, cioè un sistema che tende a rimanere nel suo stato di "quiete" mentre la Terra vibra durante un evento sismico. Nei sismografi il sistema inerziale è realizzato attraverso una massa sospesa legata ad una molla: all'arrivo delle onde sismiche il suolo inizia a vibrare ma la massa sospesa tende a restare ferma. Il sismografo misura proprio il movimento relativo tra il suolo e la massa in sospensione; in questo modo esso è in grado di rilevare le oscillazioni del suolo rispetto ad un sistema di riferimento che non è fisso ma che si muove a causa del terremoto stesso. Il sistema inerziale costituito dalla massa in sospensione e dalla molla rappresenta il vero e proprio "sensore sismico" che è il costituente principale di un sismografo.