Early warning: uno strumento per la riduzione del rischio sismico

L’early warning per ridurre le conseguenze dei terremoti
Il termine di early warning fu applicato durante gli anni della guerra fredda per indicare i sistemi di avvistamento di missili inter-continentali lanciati da basi sovietiche per colpire bersagli USA e viceversa. I sistemi di EW lanciavano un’allerta ai terminali di protezione dei bersagli appena il missile in arrivo era avvistato. L’early warning sismico (EWS) funziona allo stesso modo, ma prima di discuterne le caratteristiche e le possibilità offerte, è necessario richiamare alcuni fenomeni di base che avvengono durante un sisma.

I terremoti sono fratture della crosta terrestre dalle quali è rilasciata l’energia accumulata in forma di vibrazioni che provocano lo scuotimento al suolo (le onde sismiche). L’energia rilasciata, misurata dalla magnitudo, si propaga intorno al punto di frattura principalmente attraverso due tipi di onde: le onde primarie o longitudinali (P) che sono molto veloci e nella crosta terrestre si propagano con velocità dell’ordine di circa 5-7 km/s e quelle secondarie o trasversali (S), che viaggiano con velocità più bassa di circa il 60% (3-5 km/s). La differenza sostanziale tra onde P e S è che le prime (P) possono essere “lette” per avere informazioni importanti sulla sorgente sismica che ha prodotto il terremoto in atto (posizione, energia rilasciata, ecc.), mentre le seconde (S) sono più lente ma più distruttive portando con sé gran parte dell’energia rilasciata. Un sistema in grado di “capire” automaticamente l’intensità del terremoto può lanciare un allarme prima che arrivi la parte cattiva del sisma; è questo il principio su cui si basa l’EWS. Il tempo disponibile aumenta quanto più è distante il sito dalla sorgente del terremoto, poiché il ritardo delle onde S rispetto alle P aumenta (Figura 1).

Attraverso i sistemi di EWS è possibile, in linea di principio, fermare le operazioni chirurgiche negli ospedali, rallentare treni per evitare che incontrino tratti di rotaia danneggiati dal sisma col rischio di deragliamento, avvisare gli aerei in modo da posticiparne le fasi di decollo o atterraggio, interrompere la distribuzione di sostanze infiammabili (come il gas urbano) che possono innescare incendi a seguito di danni alle tubazioni, o ancora, avvisare operai in officine perché interrompano attività produttive pericolose e gli scolari perché si proteggano sotto ai banchi. Tutte queste azioni di sicurezza sono relativamente semplici eppure molto efficaci e, sebbene non intervengano direttamente sulla vulnerabilità delle strutture, possono significativamente limitare le conseguenze di un evento sismico.

Figura 1. Onde P e S nel segnale di accelerazione al suolo prodotto da un terremoto (sinistra) e tempo disponibile in funzione della distanza per l’early warning di locale (destra).

 

Oltre che sfruttare la differenza di velocità tra onde P ed S, in realtà, nell’EWS questo stesso principio può anche applicare in modo ancora più efficace. Infatti, se un sensore di onde sismiche è in prossimità della sorgente del terremoto, una volta riconosciuto un sisma pericoloso, può lanciare l’allarme a un sito lontano sfruttando le onde radio, che viaggiando alla velocità della luce, sono centomila volte più veloci delle onde sismiche garantendo quindi un tempo di allerta ancora maggiore. In questo caso il sistema di EWS deve essere formato da una rete di sensori disposta come una barriera tra le possibili sorgenti dei terremoti e la struttura da proteggere. Il problema di questi sistemi è che ogni struttura da proteggere richiede una rete sismica dedicata il che è molto antieconomico. Un’alternativa possibile è avere sensori nella zona dove ci si aspetta che il terremoto avvenga e non intorno alla struttura. Tale rete può essere associata a un sistema per trasmettere l’allarme a terminali ubicati in più strutture lontane; ciò consente di intraprendere azioni di sicurezza prima dell’arrivo del sisma in ciascun edificio (Figura 2). In tal caso si parla di early warning regionale o ibrido.

Figura 2. Sistema di early warning che sfrutta la velocità delle onde elettromagnetiche per lanciare l’allarme e aumentare il tempo disponibile

 

Il sistema di EWS ibrido sviluppato da AMRA in Campania
In Campania la rete di sensori per EWS di AMRA (denominata ISNet, Irpinia Seismic Network) è costituita da circa trenta stazioni posizionate nella zona dell’Appennino meridionale periodicamente sorgente di terremoti significativi come quello del 23 novembre 1980. Essa copre una vasta area ed è composta da sensori che misurano continuamente le vibrazioni del suolo in termini di velocità e accelerazione. Come accennato, posizionando i sensori in corrispondenza della zona dove “nascono” i terremoti è possibile, in principio, realizzare un sistema di EW ibrido proteggere molte strutture lontane contemporaneamente con i costi di installazione e manutenzione di una sola infrastruttura.

Il sistema di EWS connesso alla rete ISNet è in grado di distinguere immediatamente un terremoto dalle normali vibrazioni del suolo (rumore ambientale) ed è in grado di stimare in pochissimi secondi dove è avvenuto e qual è la sua magnitudo. Il grande vantaggio di questo sistema è che ragiona in termini completamente probabilistici associando una distribuzione di probabilità alla localizzazione del terremoto e alla sua magnitudo. Con questo sistema, in ciascun punto della regione è possibile avere alcuni secondi o decine di secondi (a seconda del sito) tra l’istante in cui giunge l’allarme e l’arrivo effettivo del terremoto che si origini all’interno dell’area coperta dalla rete. Tale tempo sebbene sembri poco, ed è insufficiente per operazioni di evacuazione, può essere molto utile. Per avere un’idea delle potenzialità del sistema, in Figura 3 si riporta una mappa dei tempi di azione in Campania resi disponibili dal sistema di EW basato su ISNet e a cui sono state sovrapposte a possibili azioni di sicurezza compatibili con essi.

Per rendere davvero efficaci i sistemi di EWS e poco soggetti a problemi di falso allarme è però necessario stabilire le conseguenze del terremoto per ciascuna struttura da allertare sulla base delle sue effettive caratteristiche. Non è pensabile, infatti, bloccare attività industriali e commerciali importanti per tutti i tipi di terremoto poiché le ricadute sociali ed economiche sarebbero eccessive. In altre parole, è necessario avere a disposizione algoritmi che consentano di stabilire, in modo specifico per la struttura da proteggere, se è opportuno lanciare l’allarme sulla base del suo comportamento atteso durante il terremoto che sta per arrivare. Questo costituisce il vero e proprio problema di ricerca cui si sta lavorando nel settore dell’ingegneria sismica in collaborazione con la geofisica ed è la prerogativa del sistema di EWS sviluppato da AMRA e concretizzatosi nel terminale di EWS denominato ERGO.

ERGO (Early Warning Demo) è un terminale di EWS installato nell’edificio principale che ospita la Facoltà di Ingegneria dell’Università degli Studi di Napoli Federico II. Esso si compone di quattro pannelli di cui il primo mostra, in tempo reale, i segnali continuamente registrati da alcune stazioni della rete ISNet (quando non c’è terremoto si tratta di semplice “rumore” ambientale). Quando un segnale è identificato come un terremoto avvenuto entro la rete, su un secondo pannello compare la localizzazione dell’epicentro e la magnitudo, con il relativo margine d’incertezza, valutati automaticamente. Nel terzo pannello si mostrano i tempi attesi di arrivo delle onde S previsti per il terremoto su scala regionale. Infine, il quarto pannello, il più importante (in basso a destra), mostra la valutazione degli effetti attesi al sito dove ERGO è installato. In particolare, le stime di localizzazione e magnitudo realizzate a partire dalla dichiarazione di un nuovo evento sismico sono usate per stimare la probabilità che la massima accelerazione del suolo superi al sito un valore critico per la struttura in esame, stabilito sulla base del valore di accelerazione del suolo che la struttura può “sopportare”. Se tale livello critico è superato, “scatta” l’allarme e ERGO fornisce anche il tempo ancora disponibile prima che il terremoto arrivi e la probabilità di falso allarme.

Figura 3. Mappa dei tempi medi di allerta disponibili per un terremoto che occorra dentro la rete ISNet e corrispondenti al fatto che 18 stazioni su 30 della rete abbiano rilevato il terremoto, questo perché studi hanno dimostrato che aspettare altre informazioni sul terremoto di fatto non migliora la conoscenza del terremoto per cui si stabilisce se allarmare. Nei riquadri possibili azioni di sicurezza compatibili con i tempi resi disponibili dal sistema di EW.

 

Figura 4. Sistema ERGO e un terremoto effettivamente rilevato nel febbraio 2010, la piccola magnitudo e l’elevata distanza dal sito in cui si trova il terminale hanno fatto si che il sistema non lanciasse alcun allarme.