Godranno del silenzio della Sardegna le osservazioni geofisiche del futuro
Il silenzio è fondamentale per captare deboli segnali naturali altrimenti coperti dal rumore. La Sardegna, grazie alla sua quiete sismica, è il luogo ideale dove osservare fenomeni che contribuiranno alla nostra comprensione della Terra e dell’Universo
di Marco Olivieri, Spina Cianetti e Carlo Giunchi
Tratto da INGVAMBIENTE
“Ascoltate il silenzio. Cominciate ad assaporare il silenzio fratello minore della solitudine, poi cercate di riempirlo di voi stessi, fatevi delle domande, anche con uno strumento, e datevi delle risposte: imparate a tenervi compagnia”
Se per Fabrizio de André ascoltare il silenzio significa cercare se stessi, per un geofisico quelle stesse parole possono avere una chiave di lettura molto diversa.
A cosa serve, e cosa significa ascoltare il silenzio in geofisica?
Significa concentrare l’attenzione sui deboli segnali registrati dagli strumenti una volta rimosso il rumore dovuto ai grandi eventi, come i terremoti o le eruzioni vulcaniche.
Cosa nasconde il silenzio?
Per scoprirlo bisogna essere abbastanza fortunati da poter mettere i nostri strumenti in un luogo speciale.
Come si genera il rumore nel nostro pianeta? E come si ottiene il silenzio?
La Terra è viva e si muove continuamente anche se noi non ce ne accorgiamo. Il vento, le onde del mare, i terremoti, il magma che risale, il nucleo che gira ma anche i tifosi che esultano allo stadio la fanno vibrare. Le vibrazioni prodotte da tutti questi eventi di origine naturale o antropica sono registrate dai sismometri. Ma esistono anche altri strumenti per registrare grandezze diverse che possono essere influenzate da altri tipi di rumore, come le antenne GPS che tracciano la posizione di un punto, i magnetometri che misurano il campo magnetico terrestre e le sue variazioni, o i gravimetri che misurano il campo di gravità e le sue fluttuazioni.
Più strumenti possono essere posti in registrazione in uno stesso luogo chiamato osservatorio geofisico. I segnali registrati possono essere generati da eventi naturali (un terremoto, l’esplosione di una stella di neutroni, la pioggia) oppure generati dall’uomo come il passaggio di un’auto, una volata di cava, lo svuotamento di lago artificiale.
Se riuscissimo a ridurre o eliminare il rumore allora sarebbe il silenzio a dominare lo spazio e le registrazioni degli strumenti. E col tempo emergerebbero le deboli tracce di fenomeni piccoli, lontani e quasi impercettibili.
È questo uno dei modi per capire i dettagli dell’interno della Terra e per scoprire potenzialmente cose nuove: fenomeni naturali previsti in teoria ma mai osservati.
Installare un osservatorio geofisico in Sardegna serve proprio ad avere questo silenzio tanto cercato in modo da poterlo ascoltare (Figura 1).
A cosa serve osservare la Terra e l’Universo dalla Sardegna?
La Sardegna è un posto privilegiato. La sua quiete rende possibile ascoltare segnali provenienti dal profondo della Terra e dell’Universo che in altri luoghi sarebbero impercettibili.
Lo abbiamo scoperto grazie all’intuizione di Fulvio Ricci (docente emerito di fisica gravitazionale sperimentale alla Sapienza Università di Roma) di mettere dei sismometri nella miniera di Sos Enattos che si trova nel cuore della Barbagia in provincia di Nuoro.
Questo privilegio nasce dal fatto che, da circa 15 milioni di anni, la Sardegna è immobile nel contesto del Mediterraneo ed è quindi priva di terremoti (Figura 2). Nell’area specifica si aggiunge anche la scarsa presenza di infrastrutture antropiche. Per quantificare la quiete sismica di un certo luogo è necessario studiarne il rumore sismico. Nell’approfondimento in calce vengono spiegate le eccezionali caratteristiche di silenziosità di una stazione sismica a Sos Enattos.
È per questo motivo che la geofisica e l’astrofisica si sono incontrate in Sardegna: per osservare sia l’interno della Terra che lo spazio profondo in modo inusuale.
Einstein Telescope in Sardegna
La Sardegna è diventata così uno dei siti candidati per la costruzione dell’Einstein Telescope (Figura 3), una grande infrastruttura di ricerca per rilevare le onde gravitazionali.
Si tratta di un interferometro di terza generazione in grado di migliorare quello che gli strumenti attuali sono già in grado di fare: misurare variazioni di lunghezza dell’ordine di un miliardesimo di miliardesimo di metro (pari a un millesimo del raggio del protone): una misura estrema, quasi impossibile. Si tratta dello stesso valore che dovremmo essere in grado di misurare se volessimo valutare l’innalzamento degli oceani provocato dall’aggiunta di un bicchiere d’acqua!
Einstein Telescope sarà capace di farci osservare lo spazio profondo per capire quel che è successo nei primi istanti dopo il Big Bang. Lo farà misurando le oscillazioni dello spazio-tempo in seguito al collasso di grandi stelle binarie o all’esplosione di buchi neri, come previsto da Albert Einstein (Figura 4).
Grazie all’impegno della comunità scientifica e delle Istituzioni, la possibilità che questo “telescopio” venga costruito in Sardegna è concreta. La sinergia tra enti (INGV, INFN e INAF) e Università (Cagliari, Sassari, Sapienza e Napoli in primis) è forte. Gli studi geofisici ai quali ha contribuito l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia hanno permesso di dimostrare che la Sardegna è uno dei luoghi più silenziosi al mondo da un punto di vista sismico, rafforzando la candidatura italiana rispetto a quella olandese.
La sinergia tra tutti gli attori coinvolti sarà cruciale per portare Einstein Telescope in Italia e per costruire il miglior rilevatore di onde gravitazionali del mondo.
La Geofisica in Sardegna oltre l’Einstein Telescope
Per molti anni la Sardegna è stata considerata poco interessante da chi cerca di capire i terremoti e le faglie guardandoli da vicino. Per questo motivo questa regione è stata poco studiata dalla geologia e dalla geofisica. Anche se l’assenza di sismicità e la stabilità da un punto di vista geodinamico non hanno suscitato l’interesse dei geofisici, tuttavia queste caratteristiche sono importanti nel momento in cui si vogliano osservare fenomeni i cui segnali sono così deboli che si perderebbero all’interno del rumore degli eventi vicini.
Da questo presupposto nasce l’osservatorio FABER (Far Field Observatory) all’interno del sito minerario di Sos Enattos. Qui, strumenti di altissima qualità consentiranno l’osservazione di piccoli movimenti e deformazioni del suolo, variazioni del campo gravitazionale e fluttuazioni del campo magnetico terrestre.
L’approccio multi-parametrico è uno degli obiettivi strategici nello sviluppo delle reti osservative di INGV su cui poggia Earth Telescope, il progetto dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia che mira ad espandere le conoscenze geofisiche nel contesto italiano e mediterraneo con una prospettiva di lungo periodo e di ampio respiro. La raccolta simultanea di dati multidisciplinari aiuterà la comprensione di fenomeni complessi. Tutto questo permetterà di capire meglio l’origine e l’evoluzione del Mar Tirreno con un’attenzione particolare per la subduzione dell’arco calabro e il vulcanismo che oggi interessa la regione.
Le osservazioni di FABER permetteranno di comprendere meglio gli effetti delle variazioni del clima sul moto ondoso nel Mar Mediterraneo e sul perché la Sardegna sia una regione stabile seppur circondata da strutture fortemente dinamiche.
Avremo anche la possibilità di studiare la struttura interna della Terra, in modo da capire come è fatta l’interfaccia tra il nucleo e il mantello terrestre grazie alla registrazione delle onde sismiche prodotte da terremoti avvenuti dalla parte opposta del mondo.
Per approfondire: perché la Sardegna è speciale
Nei tunnel della miniera di Sos Enattos è presente una stazione della rete sismica MedNet (Mediterranean Very Broadband Seismographic Network): MN.SENA. Per capire la qualità delle osservazioni possibili è necessario studiare il rumore sismico, cioè il segnale registrato da un sismometro in assenza di terremoti o di altri eventi dirompenti. Come un microfono che, lasciato acceso quando nessuno parla, può registrare il vento o il passaggio delle automobili o il cinguettio degli uccelli, così un sismometro registra le vibrazioni del suolo. La sua rappresentazione è un grafico, chiamato spettro, che mostra come varia l’ampiezza del rumore in funzione della frequenza. Più il rumore è forte più è difficile registrare altre cose, soprattutto se si tratta di segnali piccoli o molto piccoli.
Questo grafico ci mostra lo spettro del rumore alla stazione sismica MN.SENA registrato nel corso del 2023. Sugli assi – orizzontale e verticale – sono riportate rispettivamente la frequenza (in Hertz, ovvero cicli al secondo) e l’ampiezza del rumore sismico (in decibel). La linea blu indica la mediana del rumore sismico nell’arco di un anno mentre le linee verde e rossa indicano il decimo e il novantesimo percentile. La mediana indica la curva che separa il 50% dei valori di rumore osservati. I percentili invece sono indicatori statistici che servono a valutare la posizione di un dato all’interno degli altri valori osservati: per esempio dopo aver misurato l’altezza e il peso di un bambino, il pediatra valuta la crescita confrontandoli con i percentili. Cioè posiziona il dato all’interno di un’ampia distribuzione in cui sono raccolti i dati di una popolazione molto grande di bambini della stessa età. Un bambino che ha un’altezza corrispondente al novantesimo percentile è più alto del 90% dei suoi coetanei. Quindi nel grafico del rumore sismico la curva verde del decimo percentile delimita il livello popolato dal 10% dei valori più piccoli osservati. I picchi più alti, evidenziati dal rettangolo in blu, sono dovuti al rumore generato dal mare (rumore marino), mentre il rettangolo viola indica il rumore prodotto dall’uomo (rumore antropico). La curva di rumore corrispondente al decimo percentile registrata a MN.SENA, in verde, tocca la linea nera continua che rappresenta una media dei siti più silenziosi a livello mondiale. Quindi Sos Enattos è uno dei siti più silenziosi al mondo in questa banda di frequenza.
Su ingvterremoti.com sono presenti numerosi articoli che parlano di rumore sismico.