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1 - Introduzione
La predizione a breve termine dei terremoti diventa sempre più soggetto di urgente e importante attività di ricerca nelle nazioni simicamente attive (tra le quali vi è l’Italia). Negli ultimi anni è stato trovato un gran numero di evidenze convincenti sulla presenza di fenomeni elettromagnetici che si accompagnassero e precedessero eventi sismici di una certa entità. Uno dei candidati più promettenti per la predizione a breve termine sembra essere lo studio delle emissioni elettromagnetica nelle bande radio a bassissima frequenza, ossia ULF-ELF-VLF (Ultra-, Extremely- e Very-Low-Frequencies), che spaziano dai mHz fino a frequenze dell’ordine delle centinaia di Hz.
Tali fenomeni hanno iniziato ad essere analizzati verso la fine degli anni Ottanta, studio stimolato particolarmente dalle comunità scientifiche in Giappone e dell’ovest degli Stati Uniti, nonché molto attivo anche a livello radioamatoriale. I metodi di osservazione possono essere classificati in alcune categorie, vale a dire:
Misurazioni passive, principalmente al suolo, delle emissioni litosferiche che avvengono nella banda dalla DC fino alle VLF (o anche frequenze più alte).
Registrazione delle perturbazioni dei segnali atmosferici associati con i terremoti.
Osservazioni satellitari delle perturbazioni di plasma e delle emissioni radio ionosferiche [Muto, Yoshida et al].
Il lavoro qua presentato analizza principalmente la prima categoria, ossia la rilevazione e la simulazione di segnali ground-based.
Come detto, nonostante le emissioni sismoelettromagnetiche siano presenti in una larghissima porzione dello spettro, si è creduto opportuno lavorare nella parte più bassa di quest’ultimo dal momento che la propagazione nel sottosuolo delle onde a frequenza più alta è di studio ancora più difficile a causa della fortissima attenuazione a cui tali segnali sono sottoposti al diminuire della lunghezza d’onda. Inoltre, giacché per la loro minore attenuazione i segnali in
ULF-ELF-8
VLF sono più facilmente registrabili, sono state raccolte molte evidenze di precursori proprio in queste bande.
Le prime osservazioni storiche di tali segnali sono state effettuate nel 1988, in corrispondenza del terremoto di Spitak in Armenia e nel 1989 durante il terremoto di Loma-Prieta in California rispettivamente dal professor D. Molchanov dell’università di Mosca e dal professor Anthony C.Fraser-Smith dell’UCLA. Mentre nel primo caso gli osservatori geomagnetici erano molto distanti dall’epicentro del terremoto, quindi i segnali furono di difficile interpretazione e affidabilità, nel secondo caso è stata notata l’insorgenza di segnali anomali da 2-3 settimane a 5-6 giorni prima dell’evento. L’osservazione fu fatta però solo per la componente orizzontale di campo, ma la distanza dall’epicentro era molto ridotta e fu così possibile evidenziare le emissioni solo dalla semplice registrazione dell’ampiezza dell’anomalia.
Un altro evento che ha portato alla discussione di nuovi metodi di analisi è stato il terremoto del 1993 nei pressi dell’isola di Guam, nel Pacifico Occidentale, dove si è iniziato a distinguere tra emissioni elettromagnetiche sismiche e segnali aggiuntivi, dovuti ad esempio alla magnetosfera terrestre.
Ovviamente il signal processing è di importanza essenziale per andare a rivelare eventuali comportamenti anomali nel segnale elettromagnetico in banda ULF, per cercare di far emergere un numero sempre maggiore di eventi pre-sismici. I metodi principali proposti sono i seguenti:
Analisi dell’intensità del segnale:
L’intensità del segnale a differenti frequenze può essere monitorata semplicemente dalla media temporale delle osservazioni, ma tale metodo può essere abbastanza efficace solo quando si è abbastanza fortunati da trovarsi praticamente sull’epicentro del sisma, come nel caso del terremoto di Loma-Prieta. E’ ad ogni modo importante l’attività dei radioamatori che insieme riescono a registrare una notevole quantità di dati nelle esplorazioni dei segnali a bassa frequenza provenienti dalla litosfera o dalla ionosfera.
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Analisi della polarizzazione del segnale geomagnetico:
Quando si hanno a disposizione osservazioni simultanee delle tre componenti del campo magnetico è possibile compiere un’analisi del rapporto di polarizzazione tra la componente verticale del campo e quelle orizzontali; dal momento che il campo magnetico terrestre ha una polarizzazione prevalentemente orizzontale (vale a dire che in coordinate cilindriche la
componente molto maggiore della componente ), se il rapporto tendesse a
crescere è possibile pensare che l’aumento della componente orizzontale sia dovuta alla generazione di correnti nella crosta terrestre dovute ad eventi di frattura. Anche queste osservazioni registrano una maggiore intensità nel periodo di circa un mese prima del sisma, mantenendosi evidente anche se con qualche oscillazioni fino giorni prima dell’evento
Metodi di analisi del segnale geoelettrico:
Si tratta di un nuovo sistema di analisi proposto da un gruppo di ricercatori greci che invece di analizzare il segnale magnetico cerca altre evidenze in quello elettrico a frequenze ancora più alte (fino al kHz), riconducendo alla variazione di potenziali elettrici lungo determinate distanze la possibilità di rivelazione di precursori dei sismi. Tale metodo è chiamato “VAN”, dalle iniziali di tali ricercatori.
Analisi frattale del segnale:
Il metodo seguente, che è stato anche quello seguito nella realizzazione di questa tesi, risulta essere uno di quelli di maggiore affidabilità nonché semplicità di analisi e implementazione su un simulatore.
In questo caso si cerca di analizzare l’evoluzione temporale del segnale geosismico, supponendo che tale segnale abbia le caratteristiche sia spettrali sia temporale di un frattale. Fisicamente, l’uso dell’analisi frattale è basato sul concetto di Self-Organized-Criticality (SOC), che verrà spiegato in seguito. La stima della dimensione frattale può essere fatta analizzando la pendenza media dello spettro di tali emissioni.
