Periodicamente i media riportano notizie che riguardano il cosiddetto “Early Warning”, proponendolo come un sistema di allarme sismico (per inciso, il termine viene usato in una casistica estesa, non solamente sismica, dalle frane alle inondazioni ai movimenti di borsa ecc.).
In realtà l’Early Warning “sismico” non rappresenta un allarme pre-terremoto in senso stretto, ma un “avviso” che stanno per arrivare onde sismiche potenzialmente distruttive.
Per capirci: a molti di voi sarà capitato di sentire un terremoto, e magari di riuscire a distinguere l’arrivo delle onde compressionali, dette P, dall’effetto prevalentemente sussultorio, e in seguito le onde trasversali, dette S, dall’effetto prevalentemente ondulatorio. Ecco, se ciascuno di noi fosse in grado di discernere con precisione l’arrivo delle onde P potrebbe disporre di un certo numero di secondi per prepararsi all’arrivo delle onde S.
L’Early Warning rappresenta un perfezionamento tecnologico di questo principio semplice e geniale: in sostanza è il terremoto stesso che, una volta avvenuto, “avvisa” – mediante le onde P, le più veloci – che stanno per arrivare le onde S e quelle superficiali, più lente ma distruttive.
Più sotto riportiamo alcuni riferimenti ad articoli “divulgativi” italiani; uno di questi è addirittura firmato dall’attuale Ministro per la Ricerca, Gaetano Manfredi.
Per cercare di fare chiarezza ne discutiamo con Marco Olivieri, ricercatore all’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, competente su queste tematiche.
Ci spieghi in modo più preciso su che principio si basa l’Early Warning sismico?
Un sistema di Early Warning si basa su 2 ipotesi:
- bastano i tempi di arrivo delle onde P registrate a poche stazioni intorno all’epicentro per localizzare accuratamente il terremoto.
- bastano pochi secondi di forma d’onda P per determinare la magnitudo.
La seconda ipotesi è quella più complessa, presume che già nei primi istanti di propagazione della rottura sulla faglia sia contenuta l’informazione sulla completa rottura della faglia che può non essere ancora completata.
Se il territorio è monitorato da una densa rete di stazioni sismiche possiamo avere una stima dei parametri di sorgente entro pochi secondi, meno di 10. In 10 secondi le onde S hanno viaggiato per circa 40 km.
Stimati questi parametri di sorgente (localizzazione, profondità e magnitudo), un sistema di Early Warning è in grado di predire lo scuotimento atteso (in termini di intensità o accelerazione) nell’area non ancora investita dalle onde S e fornire questo dato, con una realistica barra di errore o con una probabilità associata, alla popolazione o a chi può e deve prendere decisioni e agire (o non agire).
Vista la descrizione appena fatta, la traduzione che in italiano rende meglio l’idea di cosa sia un Early Warning è “avviso in anticipo”, cioè che arriva prima delle onde distruttive.
La partita si gioca dunque sul fattore tempo?
Si, oggi abbiamo la capacità tecnologica e le competenze scientifiche per conoscere quanto forte sarà l’effetto di un terremoto prima che le onde S investano una più o meno vasta area intorno all’epicentro e, per forti terremoti, prima ancora che la rottura della faglia sia completata.
Per schematizzare la questione, un sistema di Early Warning funziona così:
- al tempo ZERO succede un terremoto e le onde P (veloci ma non distruttive) e le onde S (lente ma potenzialmente distruttive) si mettono in viaggio;
- Dopo T secondi le onde P hanno raggiunto le 4 stazioni sismiche più vicine e si fa la prima localizzazione (questo tempo variabile dipende dalla densità della rete intorno all’epicentro);
- Dopo circa altri 4 secondi abbiamo la stima della magnitudo;
- Dopo circa un ulteriore secondo abbiamo una predizione dello scuotimento atteso per tutti i luoghi del territorio in cui sarà risentito il terremoto.
- Dopo un altro secondo l’allerta verrà ricevuto da tutte le realtà o persone interessate.
Nel frattempo, le onde S avranno raggiunto una determinata area, che viene definita “zona d’ombra” (“shadow zone” in inglese) in quanto all’interno di essa l’allerta non sarà efficace: lo sarà invece al di fuori di detta area.
Questo ci ricorda anche che un Early Warning sismico non è pensato per l’area più vicina all’epicentro, quello che in termini giornalistici viene chiamato “cratere”. Lì la difesa di infrastrutture e persone può essere fatta solo costruendo e ristrutturando a regola d’arte secondo le norme antisismiche e prendendo le precauzioni opportune.
Oltre al fattore tempo c’è un altro fattore cruciale per l’utilizzo di un sistema di Early Warning ed è la comunicazione tra chi produce un’allerta e chi lo deve utilizzare. Perché l’allarme non sia vano deve essere affidabile (pochi o nessun falso sia positivo che negativo) e una accurata barra di errore che permetta all’utente di usarlo in modo automatico, quantificando il rischio di fare e di non fare in funzione dei parametri forniti dal sistema.
Da quando la ricerca ha cominciato a implementare questa tecnologia? In quali paesi in particolare?
Direi da dopo il terremoto del Messico del 1985, anche se in quel caso si puntava solo a fornire un Early Warning a Città del Messico [1]. Parallelamente, la diffusione dei sismometri a larga banda e della trasmissione dei dati a larga banda in tempo reale ha permesso, all’inizio degli anni duemila, la concettualizzazione di un dispositivo di Early Warning Sismico in Giappone e in California. Penso alle idee di Yutaka Nakamura ed il suo Uredas [2] dedicato alle Ferrovie Giapponesi con lo scopo di bloccare i “bullet trains” ed a quelle di Richard Allen e Hiroo Kanamori con ElarmS [3]. Da questi lavori molti sismologi hanno preso ispirazione per capire se e come un sistema di Early Warning possa funzionare in Italia, a Taiwan, in Romania o in Turchia. Permettimi di ricordare qui il ruolo di Paolo Gasparini che tra il 2006 e il 2009 portò, con un progetto europeo chiamato SAFER, i migliori esperti mondiali a dialogare con i sismologi europei per capire un po’ meglio le cose.
In quali paesi vi sono delle applicazioni “ufficiali”?
In Messico il sistema SAS gestito dal CIRES (Centro de Instrumentación y Registro Sísmico, A. C.)[4] è operativo dall’inizio degli anni ‘90. Detto a grandi linee, il sistema mira ad allertare la popolazione di Città del Messico nel caso di un forte terremoto sulla costa (sulla faglia del terremoto del 1985). Una rete di stazioni sismiche è stata installata sulla costa, in grado di registrare il terremoto pochi secondi dopo la sua occorrenza e disseminare l’allerta alcune decine di secondi prima che le onde S arrivino nella capitale. Se non ricordo male la maggior parte delle famiglie tiene una radio FM sintonizzata su un canale specifico ed a volume alto. Questo canale è sempre muto a parte quando un forte terremoto sulla costa genera un’allerta.
Da poco tempo è attivo ShakeAlert [5] in California, da USGS (Il Servizio Geologico degli Stati Uniti) in sinergia con un consorzio di Stati ed Università tra cui UCBerkeley e Caltech. Questo è uno strumento molto più sofisticato, i terremoti sono attesi anche nelle zone densamente popolate (la Faglia di San Andreas interessa San Francisco e Los Angeles) e il sistema qui produce una mappa di scuotimento predittiva dando per ciascun punto una accelerazione attesa ed una probabilità. La metropolitana della Bay Area è completamente automatizzata e, interfacciandosi con i dati di ShakeAlert, il sistema in automatico decide quali metropolitane fermare, quali far viaggiare e quali deviare. Però parliamo di un paese, la California, con una consapevolezza enorme. Penso solo al fatto che esiste una banca dati informatizzata con il massimo scuotimento che può sopportare ciascun ponte della città.
Riassumendo, un sistema di Early Warning è operativo a scala nazionale in Giappone, Taiwan e California; a scala regionale o locale in Messico, Romania, British Columbia (Canada).
Ci puoi segnalare dei casi positivi di applicazione?
Si, un esempio è il terremoto del 11 Marzo del 2011, il terremoto “di Fukushima” in Giappone. Fu un terremoto di magnitudo 9.0 con zona sorgente a circa 150 km dalla costa. il sistema di Early Warning giapponese, in funzione dal 2007, fu in grado di disseminare una allerta con 10-30 secondi di anticipo rispetto all’arrivo del forte scuotimento. In Giappone l’allerta automatica viene inviata a cellulari, tv e radio ma anche usata per fermare treni, ascensori o impianti industriali [6].
Un altro esempio, più recente, è la sequenza di terremoti di Ridgecrest, California. Qui ShakeAlert è stato in grado di stimare i parametri di sorgente in 8 secondi lasciando circa 48 secondi utili al centro di Los Angeles [7]. In questo caso però l’allerta sui cellulari che a Los Angeles utilizzano la app non sono stati allertati poiché l’intensità predetta era al di sotto della soglia predefinita.
Che cosa c’è di particolare in quanto è stato diffuso dai media recentemente?
La notizia, da quel che capisco leggendo l’articolo di The Verge[1], è che i telefoni Android avranno a disposizione la app “shakealert” che riceve le allerte del sistema di Early Warning californiano. Nei progetti, o nelle ambizioni di Google, che come sempre pensa in grande, c’è l’idea di usare gli accelerometri dei milioni di cellulari nel mondo per integrare i dati che attualmente sono solo quelli della rete sismica gestita dalla collaborazione tra USGS, Caltech e UCBerkeley, e permettere quindi una estensione del servizio di Early Warning potenzialmente a tutto il mondo. Pertanto al momento la notizia è positiva solo per chi vive in una regione dotata di Early Warning e che lo dissemina alla popolazione.
Ci sono studi di questo tipo in corso in Italia ?
Sì, ci sono diversi gruppi e ricercatori che lavorano su questi temi da tempo, in particolare all’Università di Napoli guidati dal Aldo Zollo e all’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia. Recentemente è uscito anche un lavoro scritto da ricercatori dell’Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale (Trieste) e questo fa ben sperare. A questo mi preme aggiungere che, essendo la Terra una, come pure sono unici sia il meccanismo di nucleazione dei terremoti che la teoria di propagazione delle onde sismiche, la sismologia e con essa lo studio dei sistemi di Early Warning Sismico non conosce i confini nazionali.
Date le caratteristiche dei terremoti italiani, quali possono essere le applicazioni da noi?
Per rispondere alla domanda, penso a due cose che influenzano l’applicabilità di un Early Warning in Italia. La prima è che l’Italia è un paese densamente antropizzato, in cui i terremoti spesso hanno epicentro ed area di maggior scuotimento nei pressi di città e paesi. La seconda è che per la maggior parte del territorio italiano la massima magnitudo attesa, o magnitudo caratteristica che dir si voglia, è grande ma raramente supera la magnitudo 7-7.5. La combinazione delle due cose, oltre al fatto che il tempo di ritorno dei terremoti in Italia è lungo (edifici ed infrastrutture vecchie anche di secoli nei centri urbani…) fa sì che la zona di danneggiamento, soprattutto nel caso di terremoti di magnitudo moderata, sia piccola e vicina all’epicentro, spesso per buona parte all’interno della “shadow zone”. Viceversa le aree di risentimento, ma senza danno, o con danni minori, spesso sono ampie.
Ho divagato. Dopo la lunga premessa rispondo: l’applicabilità in Italia è la stessa che negli altri paesi soggetti a forti terremoti: fermare i treni diretti in zona epicentrale e non fermarli quando lo scuotimento predetto non implica un danno alle strutture. Per le scuole in cui, posto che siano state costruite o adeguate sismicamente a regola d’arte, un’allerta preventiva potrebbe fornire al docente l’informazione necessaria a decidere se evacuare la classe o tranquillizzare gli studenti. Per i grandi impianti industriali, in cui grazie ad un’allerta preventiva e accurata, si potrebbe decidere se applicare un rapido spegnimento o proseguire la produzione, in funzione dei rischi e dei costi connessi alle due cose. Per i singoli cittadini che, opportunamente informati potrebbero avere la risposta a quella classica domanda “a posteriori” che si e ci pongono: ho sentito il terremoto, cosa devo fare?
Per entrare in dettaglio, In Italia quel tempo T di cui parlavamo più sopra è in media di circa 5 secondi, quindi è ragionevole pensare che un’allerta di Early Warning possa essere disponibile 11-12 secondi dopo il tempo ZERO. Da uno studio in corso sui terremoti italiani del passato posso dire che questo renderebbe inutile un sistema di Early Warning per quasi tutte (meno del 10%) quelle località in cui l’intensità è stata pari a 9 o superiore, ovvero quelle pesantemente danneggiate. Ma questo rapporto cambia enormemente per tutti quei luoghi in cui abbiamo una intensità pari a 7, che significa danni comunque consistenti. In questo caso infatti circa il 30% del territorio con intensità pari a 7 riceverebbe l’allerta prima dell’arrivo delle onde S.
Quanto prima? Posto che per fare una delle cose elencate sopra basta veramente poco, forse meno di un secondo, nel 70% dei casi, se ci troviamo fuori dalla zona d’ombra per il terremoto che subiremo con intensità pari a 7 o superiore avremo più di 2 secondi tra l’allerta e l’arrivo delle S.
E’ in circolazione una app per iPhone ed Android che si chiama Rilevatore Terremoto. Svolge un servizio, in parte o in toto, simile ad un sistema di Early Warning?
Non ne conosco i dettagli, e non l’ho installata sul mio telefono. Ma leggendo la descrizione e sentendo i commenti di un collega che la usa, questa app sembra sfruttare tre tipi di informazioni: le rilevazioni dell’accelerometro interno al telefono, le informazioni fornite da chi, sentendo un terremoto o allertato dalla app stessa, clicca sulla app indicando se il terremoto sia stato leggero, forte o molto forte e le localizzazioni ufficiali rilasciate da diverse agenzie nazionali ed internazionali. Combinando queste informazioni e geolocalizzando l’utente, la app è in grado di funzionare come un sistema di Early Warning informando l’utente che si trovi al di fuori della zona d’ombra. E’ un bell’esempio di quella che si chiama “citizen science” in cui la popolazione contribuisce allo studio di un argomento. Non saprei giudicare questa app in termini di robustezza ed accuratezza che è la principale preoccupazione di chi sviluppa sistemi di Early Warning, ma l’autore, Francesco Finazzi, ha pubblicato recentemente un articolo scientifico su questo [9].
La grande curiosità e la grande aspettativa con cui vengono accolte le notizie sull’ Early Warning in Italia e più in generale le notizie sulla possibilità di previsione, anche solo statistica, dei terremoti, lascia trapelare una scarsa fiducia, da parte dei cittadini, nell’approccio di prevenzione dei danni alle costruzioni. Non dovrebbe essere così, giusto?
Penso che sia giusto che ci siano aspettative rispetto alle innovazioni e al miglioramento che esse possono portare. Il problema come sempre è spiegare bene le cose e aver voglia di capire a cosa servono. Facendo un esempio legato alla vita di tutti i giorni: immagino che qualcuno abbia pensato che le informazioni di Isoradio in autostrada possano servire per andare serenamente più forte o per non usare la cintura. E così ci sarà qualcuno che pensa che le previsioni, o gli Early Warning, servano a poter continuare a costruire case scadenti. Ma penso anche che quelle persone lo avrebbero fatto anche senza le innovazioni a cui la comunità scientifica sta lavorando.
Early Warning, prevenzione e previsione sono tre strumenti di difesa dai terremoti complementari. Una casa non potrà mai smettere di essere costruita a regola d’arte e in modo da resistere ai terremoti, ma io credo che ci sarà un giorno in cui sapremo che per quella data è previsto un terremoto, pochi secondi prima riceveremo un’allerta che ci avvisa che effettivamente le onde S stanno arrivando e ci faranno ballare forte e l’unica azione che dovremo fare sarà stringere un po’ più forte il calice di vino che stiamo sorseggiando per ingannare l’attesa nel salotto della nostra casa perfettamente antisismica.
[1] http://cires.mx/docs_info/CIRES_033.pdf
https://en.wikipedia.org/wiki/Mexican_Seismic_Alert_System
[2] https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-540-72241-0_13
https://en.wikipedia.org/wiki/Earthquake_Early_Warning_(Japan)
[3] https://www.shakealert.org/eew-research/elarms-2/
https://science.sciencemag.org/content/300/5620/786/tab-pdf
[5] https://www.shakealert.org/
[6] https://spectrum.ieee.org/tech-talk/computing/networks/japans-earthquake-earlywarning-system-worked
[7] https://www.scec.org/publication/9607
[8] https://www.theverge.com/2020/8/11/21362370/android-earthquake-detection-seismometer-epicenter-shakealert-google?scrolla=5eb6d68b7fedc32c19ef33b4&utm_
https://www.ingenio-web.it/1589-early-warning-uno-strumento-per-la-riduzione-del-rischio-sismico
Terremoti e grandi rischi (earthquakes and great risks) 
Concordo con Rui….
Molto chiaro ed informativo, complimenti.