Sensori sismici by Mauro Mariotti

Page aggiornata  11 Giugno 2002

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Introduzione
E' una consuetudine domestica, negli istanti successivi all'avvertimento di una scossa sismica, di osservare subito i lampadari appesi al soffitto di casa. Perchè? Il lampadario è in effetti una massa "relativamente" svincolata rispetto al suolo. Essa rimane in oscillazione anche dopo una scossa. Osservandone il movimento traiamo conferma che ciò che abbiamo avvertito era una vera e propria scossa sismica.

Se dopo aver avvertito la vibrazione osserviamo il lampadario ed esso è rimasto fermo comprendiamo che a provocarla non è stato un terremoto. Questo perchè si ha esperienza che solo un terremoto è capace di mandare in oscillazione un lampadario. Questo non potrebbe accadere con un automezzo pesante in passaggio nei paraggi; quest'ultimo sarà in grado di far vibrare il suolo solo con frequenze molto più alte che non riescono ad innescare l'oscillazione di un lampadario.

In questo caso il lampadario altro non è che un "sismoscopio", uno strumento per "vedere" le vibrazioni sismiche.

Speriamo, a breve di poter presentare in queste pagine, anche la realizzazione di un "sismoscopio", con degli automatismi che saranno interessanti per la costruzione della propria stazione sismica. Il comportamento del sismocopio, infatti, permette di dare ulteriori indicazioni su un eventuale sisma registrato dal sismografo.

Il periodo
In queste pagine, parlando di sensori, spesso ci si imbatterà in considerazioni sul "periodo" di un sensore.
Che cos'è il periodo?
La vibrazioni del suolo coinvolgono frequenze molto basse. Per frequenze si intende il numero di oscillazioni che un corpo compie rispetto ad un punto stabile (ideale) di osservazione riferendole all'unità di tempo standard: il secondo. Il numero di oscillazioni compiute da un corpo (o da una grandezza) in un secondo vengono qualificate con l'unità di misura detta HERTZ (Hz).
In sismologia le frequenze in gioco variano di solito da zero fino a circa 30Hz. Comunque è molto rara anche la necessità di osservare frquenze sismiche al di sopra dei 10 Hz e spesso si restringe il campo fino a 10Hz o meno per evitare di registrare una miriade di segnali antropici (rumore civile).

Cos'è dunque il periodo? E' la misura delle oscillazioni effettuata in maniera diversa: anzichè contare il numero di oscillazioni nell'unità di tempo, si misura la durata delle oscillazioni.

Per esempio 1Hz equivale ad una oscillazione al secondo, 2Hz a due oscillazioni al secondo e così via.
Se si considerano frequenze molto lente, al di sotto di un Hz, si preferisce parlarne misurandone il tempo, cioè il "periodo". Questo perchè molte vibrazioni telluriche durano, per un ciclo completo, anche più di 10 secondi.

Quando parliamo di frequenza dunque, ci esprimiamo in Hertz.
Quando parliamo di periodo, ci esprimiamo in secondi.

Dieci secondi di periodo equivalgono a 1 / 10 = 0.1 Hertz.  Viceversa il reciproco di 0.1Hz è 10 secondi.

Sensori sismici
I sensori sisimci possono essere costruiti con le soluzioni più disparate, molte delle quali estremamente semplici.
Alcuni sensori come i geofoni a cortissimo periodo sono semplicissimi e anche quelli professionali sono disponibili ad un costo relativamente basso (intorno ai 250 Euro). Sono sensibili e possono dare soddisfazioni nella registrazione o monitoraggio delle attività sismiche locali (da 0 a 100km di raggio). Hanno uno svantaggio: sono "generici" cioè non danno un'idea precisa del tipo di movimento, rilevano solamente che il suolo, in qualche modo, si è mosso. Si possono usare per dare una stima della distanza del sisma.

In sismologia è invece molto importante poter ricavare l'effettivo movimento del suolo, individuando il tipo di oscillazione nelle 3 dimensioni.
Per questo motivo esistono sensori specializzati per la rilevazione del movimento verticale del suolo (movimento sussultorio) e altri specifici per il movimento orizzontale (ondulatorio).

Sia i sensori sensibili ai movimenti verticali (asse Z) che i sensori orizzontali sensibili ai movimenti orizzontali (assi X e Y) vengono poi costruiti e utilizzati anche in base al loro "periodo naturale", cioè alla capacità intrinseca di rilevare vibrazioni telluriche più o meno rapide.

Il periodo naturale di questi sensori si dice che è "lungo" o "corto". Lungo per i sensori sensibili a frequenze basse, "corto" per sensori sensibili a frequenze più elevate.

I sensori verticali e orizzontali corto periodo sono i più usati nel monitoraggio classico.
Di solito hanno un periodo naturale di circa 1Hz. La rete nazionale INGV utilizza prevalentemente sensori verticali di questo tipo per tenere sotto controllo il territorio italiano.

Per rilevare le più lievi e lente deformazioni della crosta terrestre si devono invece utilizzare i sensori "a lungo periodo". Sensori di questo tipo possono essere usati per rilevare terremoti da qualsiasi parte del mondo. In realtà non è così perchè a causa della struttura interna della terra alcuni terremoti, situati a certe distanze dalla stazione di rilevamento non vengono rilevati affatto o solo in maniera approssimativa. Si parla in questi casi di vere e proprie "zone d'ombra".

Altri sensori sono costruiti con accorgimenti tecnici così particolari da poter rilevare praticamente ogni tipo di frequenza tra zero e centinaia di Hertz. Questi sensori sono chiamati: sensori a larga banda, o Broad-band sensors.

Quale sensore scegliere dunque?
Si dovrebbe pensare ai sensori come ad antenne accordate su certe frequenze. Esse saranno più sensibili alle frequenze vicine alla propria frequenza di risonanza, o al loro "periodo naturale".
Per appiattire la loro risposta in frequenza anche su bande più larghe tutti i sensori sono smorzati attrverso dispositivi elettromagnetici o ad olio.

Se interessa captare terremoti lontani (che conterranno principalmente frequenze molto lente) occorre dotarsi di sensori a lungo periodo (bassa frequenza). Se invece interessa la sismicità locale occorre dotarsi di sensori a corto periodo (capaci di captare frequenze più alte).

Per chi si sta avvicinando all'affascinante mondo della sismologia si suggerisce di iniziare con un sensore verticale, magari autocostruito.
Se invece si prevede di allestire una stazione completa a 3 componenti (verticale, nord-sud ed est-ovest) si può anche iniziare attraverso la costruzione di un orizzontale (lungo o corto periodo che sia) e disporlo in direzione est-ovest dove sarà più facile cogliere i terremoti lontani che avvengono solitamente nelle cinture tropicali.

Di seguito troverete figure e schemi di principio su come realizzare i sensori.

G      Il geofono a cortissimo periodo

V      Sensore Verticale

HS    Sensore Orizzontale a corto periodo

HL    Sensore Orizzontale a lungo periodo

FF    Sensore force-feedback