Terremoti sottomarini: dalla scienza delle misure una nuova tecnica per monitorarli grazie alla fibra ottica

La rete di collegamenti in fibra ottica per le telecomunicazioni che corre sul fondo dei mari si prepara a diventare strumento di monitoraggio globale dei terremoti. A renderlo possibile particolari tecniche laser usate nelle misure di precisione.

La ricerca è appena stata pubblicata sulla rivista “Science”.

Non serviranno solo per trasmettere dati i cavi in fibra ottica che collegano tra loro le sponde di mari e oceani. Una tecnica innovativa, messa a punto dall’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) e dal National Physical Laboratory (NPL), gli istituti metrologici di Italia e Regno Unito, permetterà di adoperare l’infrastruttura oggi usata per le telecomunicazioni anche per monitorare i terremoti sottomarini.

Nonostante il settanta per cento della superficie della Terra sia ricoperta dalle acque, oggi la maggior parte delle stazioni di monitoraggio sismico si trovano sulla terraferma. Gran parte dei terremoti sottomarini non viene quindi rilevata, pregiudicando la conoscenza di quanto avviene all’interno del nostro pianeta.

Installare stazioni sul fondo del mare è molto dispendioso. Si stima che una rete di stazioni abbastanza estesa da coprire la maggior parte dei fondali marini costerebbe da 700 milioni fino a un miliardo di dollari. Ma una nuova ricerca, condotta dall’INRIM e dall’NPL, in collaborazione con il British Geological Survey e con l’Università di Malta, permetterà di superare il problema.

Gli studi, che si sono appena guadagnati la pubblicazione sulla prestigiosa rivista scientifica Science, hanno dimostrato come sia possibile rilevare movimenti sismici utilizzando i collegamenti in fibra ottica già presenti sulla terraferma e sul fondo del mare. I cavi, lunghi fino a 535 chilometri, si trovavano collocati a una distanza dall’epicentro del terremoto tra i 25.000 e i 18.500 chilometri.

La fibra ottica era stata già impiegata per trasmettere dati tra stazioni di rilevamento dei terremoti. Con il nuovo metodo la fibra stessa diviene strumento di misurazione. I ricercatori hanno infatti usato i cavi come sensori acustici per cogliere le vibrazioni indotte dai sismi, adattando la tecnica con cui gli istituti metrologici trasmettono segnali di tempo accurati su fibra ottica per mezzo di laser ultrastabili. L’utilizzo di questa vasta rete di telecomunicazione sottomarina, già esistente, permetterà di realizzare un innovativo sistema di monitoraggio sismico, senza che sia necessario installare ulteriori dispositivi sul fondo del mare.

L’attuale rete presente sotto la superficie del mare, costituita da oltre un milione di chilometri di fibra ottica, non solo abbraccia già gli oceani Atlantico e Pacifico, ma si sta anche espandendo con rapidità grazie a un incremento esponenziale dei servizi mobile ed internet. Sfruttare questa rete potrebbe consentire di rilevare un numero notevole di terremoti che oggi passano inosservati e di comprendere meglio come funziona al proprio interno il nostro pianeta.

Integrando il nuovo approccio con l’attuale rete di sismografi, il monitoraggio dei terremoti ne risulterebbe accresciuto e potenziato sia su terra sia su mare. Servirsi dell’infrastruttura esistente significa spendere molto meno rispetto a quanto accadrebbe con l’installazione di nuovi sensori.

In futuro questa tecnica potrà anche permettere di avvisare con maggior anticipo dell’arrivo di tsunami causati da terremoti subacquei o da sismi di origine vulcanica. Benché non ancora sperimentata, la capacità di rilevare terremoti sottomarini in prossimità dell’epicentro, grazie ai collegamenti in fibra, rappresenta un’opportunità cruciale e stimolante.

Giuseppe Marra, Ricercatore Senior presso l’Istituto NPL e autore principale dell’articolo pubblicato su Science, ha dichiarato:

“Rilevare i terremoti che avvengono sotto la superficie del mare è fondamentale per comprendere come funziona il nostro pianeta, ma collocare un’ampia gamma di sensori sul fondo degli oceani rappresenterebbe un compito gravoso e oneroso. Ora abbiamo scoperto che esiste una soluzione a portata di mano, basata su un’infrastruttura già esistente, senza che sia necessario pensare all’installazione di ulteriori dispositivi. Abbiamo a disposizione uno strumento dal potenziale straordinario per gli studi in geofisica e in altri ambiti scientifici.

Il primo rilevamento di eventi sismici è avvenuto mentre eravamo impegnati a condurre esperimenti di tutt’altro genere, riguardanti la metrologia di tempo e frequenza. Sono felicissimo dei risultati di questo incontro inaspettato tra scienza delle misure e geofisica”.

Davide Calonico, Primo Ricercatore all’INRIM e coordinatore del progetto di ricerca, ha affermato:

“È sempre bellissimo quando una tecnica usata per uno specifico ambito scientifico si rivela utile anche in un altro campo. In questo caso, tecniche ormai affermate nel settore della metrologia di tempo e frequenza hanno dato risultati interessanti quando sono state applicate alle analisi dei sismi sottomarini.

La nostra capacità di misurare quasi in tempo reale la variazione infinitesimale della lunghezza della fibra ottica, utilizzando un laser ultra stabile, è stata decisiva per poter sfruttare l’infrastruttura di fibre ottiche per le telecomunicazioni presente sotto la superficie del mare”.

Filippo Levi, Dirigente di Ricerca all’INRIM e responsabile del gruppo di ricerca, ha commentato:

“La metrologia di tempo e frequenza si dimostra ancora una volta una Key-Enabling-Tecnology, che trova applicazioni in campi scientifici completamente differenti da quello in cui ha avuto origine. La cross-fertilizzazione tra le discipline scientifiche porta a risultati di grande valore, che permettono di fare avanzare la conoscenza e la tecnologia in modo significativo”.

Cecilia Clivati, Ricercatrice INRIM e componente del team che ha condotto la ricerca, ha aggiunto:

“Uno degli aspetti più stimolanti di questo lavoro è stata la fruttuosa collaborazione fra gruppi con competenze diverse ma complementari, che ha consentito di affrontare una difficoltà nota, quale la rivelazione di terremoti sottomarini, con approccio innovativo. La risoluzione offerta dalle tecniche interferometriche è già ampiamente sfruttata in ambito metrologico, ma la possibilità di applicarla anche in altre discipline apre scenari nuovi e sarà interessante proseguire in questa direzione“.

Richard Luckett, Sismologo del British Geological Survey, ha spiegato:

“Il potenziale di questo nuovo metodo di rilevamento dei terremoti sottomarini è enorme. Servendoci di un’infrastruttura già disponibile, siamo in grado di produrre un gran numero di nuovi e importanti dati. Il fondo dell’oceano oggi è poco monitorato, ma è il luogo in cui avvengono alcuni tra i più interessanti processi geologici”.

André Xuereb, Professore di Fisica all’Università di Malta, ha sottolineato:

“La stimolante collaborazione con i nostri colleghi inglesi e italiani ha prodotto risultati eccezionali, risolvendo un problema di rilevanza globale. Questa ricerca dimostra quanto collaborazione internazionale e ricerca di base siano fondamentali per superare le sfide e creare tecnologie innovative”.