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La scienza deLLe previsioni ➠

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Perché è difficileprevedere

i terremoti? di Claudio Chiarabba

Dopo decenni di ricerche in laboratorio e sul campo ancora

non è possibile prevedere con esattezza un evento sismico.

E forse non lo sarà mai

Gli studi sulla previsione dei terremoti seguiti in tutto il mondo dalla comunità scientifica si dividono in due approcci: uno probabilistico e uno deterministico. Nell’ambito probabilistico sono condotti studi basati sulla definizione delle probabilità che un evento sismico avvenga in una certa finestra temporale, stimando il tempo di ritorno dell’evento calcolabile dalla sua frequenza di accadimento.L’ambito deterministico è basato su ricerche che permettano di riconoscere e registrare segnali precursori che precedono un evento sismico in un certo intervallo di tempo. Quindi anche in questo caso c’è uno scenario probabilistico con cui fare i conti.Attualmente, nessuno dei due approcci ha portato al risultato desiderato. Anzi, oggi la comunità sismologica internazionale è molto scettica riguardo alla reale possibilità di prevedere i terremoti.

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effetto devastante. Onna, il paese in provincia dell’Aquila praticamente raso al suolo dalla scossa sismica del 6 aprile 2009.

geofisica

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P er introdurre il tema della previsione dei ter-remoti è attuale e profetica la frase con cui l’arcivescovo e storico Anton Ludovico An-tinori descrisse il clima che si respirava nel 1703 dopo il violento sisma che aveva colpi-to L’Aquila e dintorni: «Niuno presagì prima, quello che dopo l’avvenimento di poter natu-

ralmente presagire dicevano quasi tutti». In effetti, in molti casi la prevedibilità di un evento è stata annunciata soltanto dopo che l’evento stesso era accaduto.

Attualmente la comunità sismologica internazionale è forte-mente scettica riguardo alla reale possibilità di prevedere i ter-remoti. Questo scetticismo è maturato dopo anni di studi, spesso frustranti, di speranze, di frenate e di ripartenze. Per capire questo aspetto bisogna chiarire brevemente che cosa è un terremoto. For-se il motivo di tanto scetticismo è anche nell’essere, o almeno nel ritenere di essere, arrivati vicino a capire che cosa è un terremoto dal punto di vista fisico.

Può sembrare paradossale, ma una definizione fisica del terre-moto non è semplice. Il terremoto è un movimento della Terra che produce effetti sulla superficie in seguito all’energia liberata che si propaga all’interno del pianeta. Inoltre, il fatto che questi effetti siano devastanti per la nostra società rende completa la definizio-ne di terremoto.

La liberazione di energia avviene in seguito alla rottura di una faglia, ovvero a una variazione dello stato dinamico (di sforzo) oppure dello stato cinematico (dello spostamento), oppure della combinazione delle due, lungo una faglia. Questa variazione deve verificarsi e propagarsi con una velocità, o accelerazione, che sia in grado di generare onde elastiche. Se la velocità del processo è insufficiente a generare onde elastiche (nel caso dei cosiddetti terremoti lenti), allora si verifica lo spostamento sulla faglia ma l’energia non viene sprigionata, e gli effetti dovuti alla sua propa-gazione scompaiono. L’entità dello spostamento e la dimensione della faglia sono proporzionali alla grandezza del terremoto. A complicare il tutto c’è il fatto che il grado di devastazione dipende da numerosi fattori, naturali e non. Questi fattori non sono neces-sariamente insiti nel meccanismo che produce il terremoto, una premessa importante che affronteremo più avanti.

Tornando invece alla previsione dei terremoti, lo studio in questo campo si articola in due diversi approcci: probabilistico e deterministico. Va comunque premesso che per previsione dei ter-remoti (come di qualsiasi altro evento fisico) si intende un’affer-mazione sul futuro che sia di tipo probabilistico e che includa una nozione di un intervallo temporale all’interno del quale l’evento è predetto. Anche nel caso deterministico bisogna quindi riferire l’eventuale osservazione di precursori all’interno di uno schema probabilistico.

Approccio probabilisticoLe ricerche effettuate in questo ambito si basano sulla defini-

zione della probabilità che il fenomeno avvenga in una finestra temporale, in base essenzialmente alla stima di un tempo di ri-torno dell’evento calcolabile dalla sua frequenza di accadimento. Sfortunatamente non conosciamo bene la frequenza con cui un terremoto avviene sulle faglie che si trovano nel nostro territorio e questo rende difficile definire la probabilità in termini certi. In genere si fa una serie di approssimazioni e relazioni con leggi em-piriche per arrivare a risultati operativi.

Uno dei prodotti classici nella previsione a medio-lungo ter-mine è la carta probabilistica di pericolosità sismica. Questa carta esprime la probabilità di eccedenza di un certo valore di accele-razione del movimento del suolo in una data finestra temporale. In questo caso la finestra temporale di accadimento è ampia (per esempio cinquant’anni) e dimensionata in modo da poter predi-sporre azioni utili alla mitigazione del rischio, ovvero a una ridu-zione della vulnerabilità e dell’esposizione.

L’incertezza sul tempo di ritorno di un terremoto è colmata da una serie di calcoli e procedure. Le finestre temporali di rap-presentazione e calcolo, e i valori di probabilità da rappresentare sulle mappe, sono un compromesso che ha lo scopo di spronare la società a compiere azioni di mitigazione e adottare standard co-struttivi per le abitazioni. Leggere la mappa di pericolosità sismica (per l’Italia legge dello Stato pubblicata sulla Gazzetta Ufficiale) in termini di quanto è probabile un terremoto in una data zona è scientificamente non corretto.

Di recente in Italia è stata sviluppata una mappa di pericolosità

sismica a dieci anni (cioè a medio-breve termine) per tentare di definire le aree in cui nei prossimi anni è più probabile superare determinate soglie di accelerazione.

Infine, nell’ambito dell’approccio probabilistico si sta facendo strada una procedura di calcolo della pericolosità sismica a breve termine, chiamata Operational Earthquake Forecast (OEF). Questa procedura si basa sulla concentrazione di eventi sismici che, se-condo alcune ricerche, è in grado di variare le probabilità di acca-dimento di eventi maggiori. Tecniche inizialmente sviluppate per descrivere la probabilità di accadimento di repliche dopo eventi maggiori (i cosidetti modelli ETAS, da Epidemic-Type Aftershock Sequence) sono state ottimizzate per calcolare variazioni di pro-babilità alla scala dei giorni e delle settimane. Queste procedure, attualmente in fase di test e sperimentazione in alcuni centri di ri-cerca, tra cui l’Istituto nazionale di geofisica e vulcanologia, sfrut-tano la concentrazione di eventi sismici in sequenze raggruppate per definire variazioni di probabilità rispetto a un valore di fondo dato dalla pericolosità a lungo termine.M

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Amatrice

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L’Aquila in versione GPSL’illustrazione qui sotto mostra l’esempio del terremoto dell’Aquila del 2009. Sono rappresentati (dall’alto al basso): • l’energia accumulata rilasciata a partire da gennaio 2009; • la deformazione verticale a una stazione GPS posizionata a L’Aquila; • una sezione che mostra i terremoti avvenuti lungo l’asse dell’Appen-

nino per un tratto di +/– 50 chilometri centrato sull’Aquila. Dall’illustrazione si evince che non c’è un’accelerazione del processo nei tre mesi precedenti la scossa vista dai dati GPS, né del rilascio si-smico. Inoltre è difficile immaginare uno scenario sismico come quel-lo che si manifesta lungo una faglia lunga circa 20 chilometri dal solo sciame nella zona ristretta vicina all’epicentro.

Claudio Chiarabba è dirigente di ricerca dell’Istituto nazionale di geofisica e vulcanologia (INGV) presso il Centro nazionale terremoti e professore a contratto alla «Sapienza» Università di Roma.

occhi sui tremori. La sala controllo dell’INGV a Roma, dove sono monitorati i terremoti che avvengono in Italia e nel mondo.

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I principali precursori di terremoti• Cambiamenti idrologici o idrogeochimici

(variazioni livello di falda, chimismo)• Segnali elettromagnetici (correnti anomale)• Variazioni delle proprietà fisiche (rapporto velocità onde P e S, dilatanza)

• Variazioni di sismicità (foreshock, cioè terremoti che precedono eventi maggiori, sciami, accelerated moment release, pattern reco gnition)

• Deformazione anomala della crosta• Rilascio anomalo di gas (radon) o calore

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è stato dimostrato che prima di un forte terremoto, scegliendo in maniera diversa alcuni parametri, può essere riprodotto il verifi-carsi sia di un’accelerazione sia di una decelerazione della defor-mazione in zone con differenti dimensioni attorno all’epicentro. Come possibile precursore, alcuni gruppi di ricerca hanno indicato ovviamente a posteriori l’assenza di terremoti un certo tempo pri-ma di una forte scossa. Altri invece hanno usato una tecnica che è basata sulla concentrazione di eventi e che sfrutta le variazioni degli andamenti spazio-temporali della sismicità in una regione ampia attorno all’epicentro. I risultati sono difficilmente valutabili e la finestra temporale in cui è atteso il terremoto (diversi anni) è in genere molto grande.

Altri termini del dibattitoA questo punto vorrei fare due osservazioni che contribuiscono

in maniera opposta a vivacizzare il dibattito sul tema della pre-visione. Secondo alcuni scienziati, la grandezza di un terremoto non è definita fin dal suo inizio, poiché la dinamica della rottura è complessa. Come i popcorn che scoppiano in una padella, guar-dando il chicco non si sa quanto grande diventerà il popcorn. Se la dimensione di un terremoto si determina soltanto durante la sua evoluzione dinamica, come possono esistere fenomeni pre-cursori in grado di indicarci in precedenza quanto sarà grande il terremoto? Altra osservazione: esperimenti di laboratorio iniziano a mostrare processi interessanti, tipo l’accelerazione della defor-mazione, lo sviluppo di microfratture prima di un evento maggio-re. Forse il mancato riconoscimento di questa accelerazione è un problema di strumenti osservativi, di ordini di grandezza dei pro-cessi o forse, dato che i terremoti non sono tutti uguali, potremmo avere a volte dei segnali e a volte no.

Per finire, voglio fare un paragone con un ambito contiguo: la previsione delle eruzioni vulcaniche. In questo caso un’acce-lerazione del processo, descrivibile con un modello di rottura del materiale per lo sforzo generato dal magma in risalita, è docu-mentato in diversi casi, come anche una serie di variazioni del-lo stato fisico-chimico associato all’approssimarsi dell’eruzione. Questa serie di segnali ha permesso di definire protocolli in cui sono indicate azioni da effettuare e collegate a diversi livelli di allerta progressiva.

Anche nel sistema terremoti si cerca di introdurre questo, alme-no in parte. Ma è più complicato individuare quali elementi consi-derare, facendo riferimento ancora esclusivamente ai terremoti che sono già avvenuti. Fra i diversi precursori c’è sempre la sismicità, con la possibile ma non necessaria né sufficiente presenza di scos-se «premonitrici». Cerchiamo di riconoscere eventuali variazioni spazio-temporali, come se i terremoti avvenuti indicassero un dise-gno più grande, come gli uccelli in un volo divinatorio. n

Mentre diversi scienziati iniziavano a occuparsi del riconosci-mento di segnali precursori, in una gara tra ricercatori statuni-tensi, sovietici e cinesi, nel 1975 dalla Cina arrivò l’annuncio di un terremoto previsto con successo: il terremoto di Haicheng di magnitudo 7,3. Oggi, come ben riassunto da Susan Hough, sismo-loga dello United States Geological Survey, nel libro Prevedere l’imprevedibile, possiamo dire che effettivamente prima dell’even-to sismico un funzionario, non uno scienziato, fece evacuare la Provincia che amministrava.

Grazie a quella decisione, al momento della forte scossa molte persone erano già fuori dagli edifici. Al centro della valutazione del funzionario c’era stata una serie di terremoti di magnitudo 5, quindi di forza moderata, molto vicini nel tempo e prossimi all’e-vento forte. Purtroppo il terremoto di magnitudo 7,6 di Tangshan,

avvenuto sempre in Cina l’anno dopo, non fu previsto, e causò oltre 250.000 vittime. Il sisma di Tangshan iniziò a far pensare che la «previsione» del sisma di Haicheng fosse un caso isolato, in cui era stato cruciale il verificarsi di forti scosse nei giorni immediata-mente precedenti l’evento maggiore.

Ma questa accelerazione della deformazione prima di un forte terremoto avviene o no? Siamo stati in grado di misurarla o no? Che cosa ci dicono i dati geodetici? Oggi le stazioni GPS fornisco-no il movimento del suolo ogni secondo per molte zone sismiche del pianeta. Nei casi in cui sono disponibili serie di dati da GPS (si veda il box in basso a p. 59) non sono state osservate accelerazio-ni prima del terremoto. Il movimento lungo una faglia avviene istantanea mente in quello che è definito «intervallo cosismico», durante il quale sono generate le onde sismiche.

Negli anni novanta sono stati condotti studi sull’accelerazione della deformazione sismica da dati sismologici e, dopo aver con-quistato la ribalta, ne sono stati individuati i limiti. In particolare

tà di intercettare la deformazione immediatamente presismica. Durante la fase di accelerazione del processo dovrebbero avve-nire variazioni repentine nelle proprietà del volume roccioso, con sviluppo di fratture che nel tempo aumentano e si concentrano lungo la rottura principale, con complicate relazioni con i fluidi presenti nella crosta. Queste variazioni delle proprietà fisiche sa-rebbero identificabili da variazioni delle proprietà di trasmissione delle onde sismiche (velocità, attenuazione, anisotropia sismica). In effetti, i primi studi furono effettuati sul rapporto di velocità delle onde P e S.

I principali segnali precursori individuati nel tempo (si veda il box in alto a p. 59) sono tutti associati al rilascio, poco prima di un evento, di una serie di segnali che spaziano dall’ambito geo-logico, a quello geofisico e geochimico. Fino a oggi nessuno di questi indicatori ha superato test di affidabilità, ovvero un buon rapporto tra eventi realmente identificati prima di un terremoto rispetto ai falsi allarmi.

Approccio deterministicoLa previsione deterministica si basa sul riconoscere e registra-

re qualcosa di caratteristico, che chiamiamo segnale precursore, un certo tempo prima di un terremoto. Questo segnale precurso-re, legato all’avvicinarsi del terremoto, potrebbe anche non essere collegato in modo chiaro a un processo fisico. Secondo alcuni, «l’importante è che funzioni e che si riesca a prevedere con suc-cesso il fenomeno».

Un terremoto avviene quando il carico tettonico, che è legato ai movimenti relativi delle placche e si accumula continuamente ma con tassi molti bassi lungo una faglia, supera un valore non più sostenibile dalle rocce. Dato che questo carico tettonico è molto lento – in Italia dell’ordine dei millimetri per anno, in California o in Giappone dell’ordine dei centimetri per anno – una faglia può arrivare a rottura (ovvero superare un valore massimo di carico) in un intervallo temporale molto ampio. Da questo punto di vista, il fatto che un terremoto si verifichi oggi o fra cinquant’anni in una zona dell’Appennino è sostanzialmente equivalente. In questo intervallo di tempo, breve rispetto alla scala del processo di accu-mulo, avremmo solo un piccolo carico in più sulla faglia. Per que-sto motivo, anche considerando la frequenza di accadimento degli eventi calcolabile per un faglia molto attiva con un buon record storico, l’incertezza sui tempi di ritorno è sempre molto grande, e di fatto rende difficile o impossibile una previsione probabilistica a breve termine, se non in termini di variazioni di probabilità le-gate alla concentrazione di eventi.

Per assurdo i terremoti sono difficilmente prevedibili perché accadono troppo raramente. A causa della bassa frequenza con cui si verificano i terremoti, non riusciamo a individuare i tempi di ricorrenza con un’incertezza ragionevole e utile per eventuali rimedi nel breve termine. In un paragone un po’ azzardato, preve-dere un terremoto è come prevedere in che istante inizia a piovere da un cielo in cui iniziano ad addensarsi le nuvole.

Il presupposto fisico su cui si basa l’approccio deterministico è che, nonostante il carico sia lento e costante, poco prima di un terremoto la deformazione accelera, generando una serie di segnali precursori che siamo in grado di osservare, registrare e quantifi-care. Inoltre la dimensione o l’area in cui sono generati questi se-gnali dovrebbe essere in qualche modo collegata alle dimensioni del terremoto incombente, quindi è possibile contemporaneamente predire sia il tempo di accadimento sia la magnitudo.

Negli anni settanta furono effettuati diversi studi con grande slancio e speranza, dopo la formalizzazione di modelli fisici che descrivevano il fenomeno terremoto e teorizzavano la possibili-

r e g i s t r a r e u n t e r r e m o t o f o r t e

L’esperimento di ParkfieldParlare di previsione dei terremoti non può prescindere dal riassumere l’e-sperimento di Parkfield, condotto da scienziati statunitensi su una porzio-ne della faglia di San Andreas, in California. Parkfield è ancora oggi l’unico esperimento progettato per registrare un forte terremoto. C’è una vasta let-teratura in merito. In base alla stima dei tempi di ritorno, era atteso un terre-moto di magnitudo circa 6 a metà degli anni novanta, mentre quello prece-dente era avvenuto nel 1966, agli albori della sismologia quantitativa. Nel 2004 finalmente il terremoto avvenne, muovendo la stessa porzione di faglia del 1966, con la stessa magnitudo, ma con direzione opposta (da

sud verso nord). Può sembrare un dettaglio, ma spesso la direzione di rot-tura di una faglia ha un ruolo importante nel condizionare gli effetti sulla superficie nella zona epicentrale e direzioni diverse possono produrre dan-ni differenti agli insediamenti urbani.Contrariamente a quanto accaduto per i terremoti precedenti, non c’è sta-to nessun foreshock nella settimana precedente. Inoltre non è stata misura-ta nessuna variazione di deformazione prima del terremoto di entità apprez-zabile e usabile, né di altri parametri. L’esperienza di Parkfield indica che i terremoti non sono necessariamente preceduti da fenomeni apprezzabili.

Prevedere l’imprevedibile. Hough S., Springer Verlag, Milano, 2012.

Seismicity-based earthquake forecasting techniques: Ten years of progress. Tiampo K.F. e Shcherbakov R., in «Tectonophysics», Vol. 89, n. 121, pp. 522-523, 2012.

Implications for Prediction and Hazard Assessment from the 2004 Parkfield Earthquake. Bakun W.H., Aagaard B., Waldhauser F. e altri, in «Nature» Vol. 437, n. 7061, pp. 969-974, 2005.

Earthquake Prediction: a Critical Review. Geller R.J., in «Geophysical Journal International», Vol. 131, pp. 425-450, 1997.

Dibattito sulla previsone dei terremoti sul sito web di «Nature»: http://www.nature.com/nature/debates/earthquake.

p e r a p p r o f o n d i r e

Laboratorio naturale. Una porzione della faglia di San Andreas, in California,

dove è in atto l’unico esperimento al mondo progettato per registrare un forte terremoto, l’esperimento di Parkfield.