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Sorveglianza sismica

Oltre 150 stazioni sismiche gestite dal Servizio Sismico Svizzero monitorano in tempo reale l’attività sismica in Svizzera e nei paesi confinanti. Queste stazioni sono diffuse su tutto il territorio nazionale e sono installate in vari siti, comprese grotte, gallerie e addirittura trivellazioni.

La Svizzera ha bisogno di una rete sismica al fine di sorvegliare la sismicità di fondo e comprendere gli effetti dei rari terremoti su larga scala che causano gravi danni. Si tratta di un compito importante anche in un paese con un rischio sismico moderato come il nostro. Una rete capillare e all’avanguardia che monitora l’attività sismica in tempo reale svolge questo ruolo e segnala inoltre rapidamente ad autorità, media e popolazione i terremoti immediatamente dopo il verificarsi di significativi eventi sismici, oltre a fornire dati di alta qualità per gli studi sul rischio e la ricerca fondamentale sui terremoti.

La fitta rete sismica Svizzera è composta da stazioni sofisticate, moderne e a bassa rumorosità, dotate di sistemi di comunicazione in tempo reale con gli hub di calcolo distribuito del Politecnico federale di Zurigo. I dati vengono analizzati e gli eventi rilevati entro poche decine di secondi da quando si verificano.

Il centro di calcolo di Zurigo raccogli i dati registrati in Svizzera da due diverse sorgenti:

  • La rete nazionale svizzera CHNet, formata della rete a banda larga (SDSNet) e della rete strong motion (SSMNet), che sfrutta prevalentemente sismometri a banda larga per registrare i deboli terremoti locali, i moderati sismi locali e gli eventi da moderati e forti a livello globale, nonché accelerometri per registrare i terremoti moderati e forti a livello locale.
  • Speciali reti (spesso temporanee) per il monitoraggio dell’aumento dell’attività sismica naturale possono essere impiegate per scopi di verifica aftershock e per la supervisione della ricerca geotermica, oltre che per progetti didattici (ad es. AlpArray e seismo@school) e per lo svolgimento di incarichi industriali commissionati da terzi.
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Mappa di tutte le stazioni in tempo reale monitorate dal SED in Svizzera

 

L’accurata localizzazione dei terremoti dipende dalle osservazioni raccolte da diverse stazione con piccoli gap azimutali, comprese stazioni vicine all’epicentro. In ogni caso, siccome i movimenti del terreno con effetti dannosi sperimentati in Svizzera possono anche derivare da eventi originatisi al di là dei confini nazionali, la rete sismica monitora anche tutte le vicine stazioni operative in tempo reale dislocate nei paesi confinanti.

Lo strumento principale presso le stazioni della SDSNet è un sismometro a banda larga estremamente sensibile che registra anche le più lievi scosse del suolo causate da terremoti deboli a livello locale, moderati a livello regionale e da moderati a forti a livello globale. Quando possibile, le stazioni SDSNet sono installate su roccia compatta in località isolate.

La rete SDSNet è la spina dorsale degli sforzi di monitoraggio sismico in Svizzera e i dati che raccoglie consentono la creazione di un catalogo dei terremoti omogeneo sotto il profilo della magnitudo e completo su tutto il territorio nazionale. Attualmente, la minima magnitudo di un evento sismico che può essere rilevata e localizzata in Svizzera in maniera affidabile è pari a 2.0. In ogni caso, nelle aree in cui la rete presenta la maggiore densità e il rumore di fondo è basso, è possibile registrare anche magnitudo pari a 1.0 (NB: sul nostro sito web sono spesso registrati e citati terremoti minori, ma non tutti gli eventi di questa entità possono essere rilevati, circostanza che fa sì che il nostro catalogo sia incompleto a questo livello di magnitudo).

I terremoti con una magnitudo approssimativamente pari a 4.5 o superiore e registrati presso una stazione SDSNet producono movimenti del terreno che sono fuori scala poiché superano il range massimo dei sensori a banda larga. Nel quadro di un potenziamento della rete, tutti i siti SDSNet saranno equipaggiati con un accelerometro strong motion aggiuntivo per garantire anche la registrazione di grandi terremoti senza che si verifichi tale saturazione, consentendo quindi a tali stazioni di rilevare l’intero range di magnitudo in scala.

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Mappa di tutti i sismometri a banda larga e a corto periodo monitorati dal SED in Svizzera

La rete SSMNet integra la rete SDSNet aumentando densità e copertura.

Le stazioni SSMNet sono dotate di un accelerometro in grado di misurare scosse locali moderate e forti. La maggior parte delle stazioni SSMNet è dislocata in aree urbane, regioni ad alto rischio e in luoghi dove sono previsti forti impatti.

Quando si verificano forti terremoti, i dati di queste stazioni forniscono informazioni cruciali per comprendere i modelli dei danni causati. Nonostante siano progettate per registrare i movimenti del terreno, tali stazioni possono rilevare anche terremoti che non vengono percepiti dalla popolazione locale.

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Mappa di tutti i accelerometri monitorati dal SED in Svizzera

I primordi del monitoraggio strumentale dell’attività sismica in Svizzera risalgono all’inizio del XX secolo (vedere la storia del SED). Da allora, la Svizzera è stata all’avanguardia in questo campo in tutta Europa.

Negli anni ‘70 era già stata installata una rete sismica telemetrica a corto periodo e ad alto guadagno che registrava i dati su microfilm.

Per la metà degli anni ‘80 la rete consisteva in un fitto complesso di sensori ad alto guadagno con comunicazione radio, digitalizzati su un sistema informatico centrale di elaborazione automatica per il rilevamento dei terremoti. Questi sensori erano posizionati su roccia compatta in luoghi con bassissima rumorosità per consentire loro di registrare la sismicità di fondo in Svizzera.

Nei primi anni ‘90 venne creata la rete svizzera strong motion (SSMNet) con strumentazione dial up a 12 o 16 bit. Le stazioni erano installate presso 70 siti in campo aperto, principalmente in ambiente urbano e in array presso 6 dighe. Questa rete si concentrava su aree in cui il rischio sismico è elevato e dove si può prevedere che i forti effetti locali amplifichino i movimenti del suolo causati dai terremoti.

Alla fine degli anni ‘90, sensori a banda larga con registratori di dati a 24 bit sostituirono i sensori a corto periodo, con la parallela introduzione del timing GPS. Anche la comunicazione fu potenziata con un nuovo e sicuro sistema ad elevata larghezza di banda su base internet.

Negli anni 2000 si cominciarono a installare anche sensori strong motion di simile qualità. Il nuovo moderno sistema che combina la rete sismica digitale svizzera (SDSNet) e la rete strong motion svizzera (SSMNet) è denominato rete nazionale svizzera (CHNet).

La maggior parte delle stazioni SDSNet è dotata di sismometri Streckeisen STS-2 a banda larga che coprono un ampio intervallo da 120 s a 50 Hz con una risposta pressoché costante. Un ridotto numero di stazione dispone di sensori da 120 o 40 s che presentano una risoluzione inferiore, specialmente sui lunghi periodi, ma sono più sensibili alle frequenze elevate. Una stazione presso una trivellazione a Basilea è equipaggiata con un sismometro Guralp CMG-3T da 360 s. Tutti i sensori di corto periodo da 5 o 1 s sono attualmente in fase di adeguamento alla successiva generazione di sensori a banda larga (Streckeisen STS-2.5 e Nanometrics Trillium da 240 s, le cui prestazioni sono comparabili a quelle del sismometro Streckeisen STS-2).

I sistemi di digitalizzazione e acquisizione dei dati usati dalla maggior parte di queste stazioni sono costituiti da varie generazioni di dispositivi Nanometrics. Il potenziamento della rete attualmente in corso vedrà la sostituzione dei sistemi meno recenti (caratterizzati da limitate opzioni di archiviazione e comunicazione) con i modernissimi sistemi Nanometrics Centaur e Quanterra Q330HR. Inoltre, tutte le stazioni a banda larga saranno dotate di un sensore strong motion congiunto EpiSensor in maniera che tutti i terremoti siano registrati in scala presso questi siti all’interno della dorsale.

Tutte le stazioni SSMNet sono equipaggiate con accelerometro a banda larga Kinemetrics EpiSensor a 200 Hz, corredato da un registratore di dati Nanometrics Taurus o Centaur.

I data logger utilizzati nella rete CHNet sono sincronizzati tramite GPS. Le stazioni SDSNet campionano i segnali sismici con una frequenza minima di 120 sps (tipicamente pari a: 120 sps per STS-2; 200 sps per STS-2.5, Trillium da 40 s, 120 s, 240 s; 250 sps per EpiSensors standalone).

La comunicazione fra i sensori sul campo e Zurigo è assicurata da una varietà di provider indipendenti su base web al fine di evitare uno scenario con un singolo punto di vulnerabilità che causa la disfunzione dell’intero sistema. La maggior parte delle stazioni SSMNet sfrutta la comunicazione cellulare, mentre per la dorsale SDSNet vengono impiegate soluzioni più robuste. Tutte le stazioni ricorrono a soluzioni a minima latenza a banda larga progettate per l’allerta precoce dei terremoti. I pacchetti di dati vengono inviati almeno ogni secondo, con una latenza inferiore a 1 s

Il rumore ambientale di una stazione sismica è la somma dei segnali acustici nell’ambiente di sfondo. Il livello di rumorosità è influenzato non solo dalla vicinanza del sito con attività e infrastrutture umane, ma anche dalla sua geologia, temperatura, stabilità di pressione e perfino dalla sua distanza dal mare. Siccome la rete CHNet ricorre a strumenti davvero sensibili con l’obiettivo di misurare il rumore di fondo in opposizione al rumore del sensore, è importante ridurre al minimo il rumore ambientale per consentire il rilevamento anche dei segnali sismici più deboli.

La selezione dei siti per la rete SDSNet deve essere particolarmente meticolosa visto che l’obiettivo è ridurre il rumore ambientale nelle frequenze di interesse, nell’intervallo fra 100 Hz e 1.000 s. Ad ogni modo, è necessario giungere a un compromesso fra l’esigenza di garantire un ridotto rumore ambientale e quella di assicurare il mantenimento di siti storici, retaggio del passato. Molti siti SDSNet sono stati infatti selezionati decine di anni fa quando la sensibilità dei sensori era molto differente e non c’erano praticamente infrastrutture nelle vicinanze. Sebbene alcuni di questi luoghi possano oggi essere considerati rumorosi, sono importanti da mantenere allo scopo di comparare le registrazioni di eventi presso lo stesso sito, anche se a distanza di molti anni, perché tali registrazioni possono contribuire a identificare eventi ricorrenti e a comprendere meglio i pattern sismici. Un’altra considerazione importante relativa alla scelta del posizionamento di una stazione sismica riguarda la garanzia di un’adeguata sicurezza e di affidabili soluzioni di alimentazione e comunicazione. A volte vengono inoltre scelti siti con elevati rumori ambientali perché è importante misurare i terremoti in una particolare località: ad esempio, abbiamo bisogno di disporre di sensori nei pressi di Basilea anche se lì il livello di rumorosità è elevato. In un tentativo di garantire bassi livelli di rumore per lunghi periodi (uno dei requisiti chiave per i sensori a banda larga), le variazioni di inclinazione, temperatura e pressione devono essere mantenute a un livello estremamente ridotto e le stazioni installate su roccia compatta.

Molte stazioni SDSNet sono ubicate in ex bunker militari e vicino a dighe, dove esiste già un’eccellente infrastruttura, dove i livelli di sicurezza e protezione ambientali sono elevati e dove il “rumore culturale” è spesso basso. La grotte naturali e le gallerie create dall’uomo sono ulteriori esempi di siti di alta qualità. Nella fascia prealpina è difficile trovare roccia compatta, così i sensori sono collocati in trivellazioni profonde da 100 a 150 m o in basse camere di calcestruzzo.

Le stazioni SSMNet sono spesso situate nei pressi dei centri storici o vicino a infrastrutture critiche come ospedali e scuole. Questi sensori sono installati all’esterno degli edifici in basse camere di calcestruzzo.

Per ogni potenziale nuova stazione vengono effettuate misurazioni continue del rumore sismico per un periodo di almeno due settimane; i siti vengono poi approvati solo se le condizioni di rumorosità in loco sono giudicate accettabili. Livelli di rumore più elevati sono previsti nella fascia prealpina, dove i sottili strati di depositi sedimentari e il rumore antropogenico e/o culturale non possono essere evitati.

Le prestazioni quotidiane della rete in termine di spettro di rumore per tutte le stazioni SDSNet ed SSMNet costantemente monitorate vengono aggiornate ogni giorni e pubblicate sui siti web PQLX. Maggiori informazioni sulle condizioni locali di ciascun sito CHNet possono essere reperite nel Site Characterization Database for Seismic Stations in Switzerland.

La maggior parte dei dati sismici sono raccolti presso l’hub di calcolo del Politecnico federale di Zurigo attraverso un protocollo di comunicazione standard Seedlink. I vecchi registratori di dati Nanometrics usano ancora il servizio NAQS, che tuttavia è in fase di dismissione. I dati provenienti dalle stazioni strong motion a banda larga e a corto periodo sono tutti usati per l’elaborazione di tutti i dati quando necessario. Ad esempio, a condizione che la qualità del segnale sia sufficiente, anche le stazioni strong motion ubicate in luoghi rumorosi possono contribuire a localizzare automaticamente i terremoti, mentre qualsiasi dato sismico in scala può essere utilizzato per produrre ShakeMap.

Per garantire la solidità dell’intero sistema e la protezione contro i guasti di singoli componenti hardware, tutti i processi di acquisizione ed elaborazione sono duplicati presso due diversi siti del Politecnico federale di Zurigo.

I dati sulle forme d’onda vengono elaborati in tempo reale usando SeisComP3, una piattaforma completa di monitoraggio dei terremoti sviluppata presso l’istituto GFZ di Potsdam. Questo software può essere utilizzato anche per verifiche manuali e per la gestione del catalogo dei terremoti finale. L’attività automatica di rilevamento e quantificazione degli eventi (la determinazione della localizzazione e della magnitudo dei sismi) viene di solito completata entro 60 s dal terremoto. Le registrazioni di tutti i sismi vengono pubblicate immediatamente sul sito web del SED. Se si ritiene che il terremoto possa essere stato sufficientemente forte da essere percepito localmente, vengono inviate delle allerte alle autorità, ai media e agli scienziati incaricati che analizzano l’evento e stabiliscono manualmente la sua localizzazione entro qualche decina di minuti. ShakeMap e Moment Tensor sono anche disponibili per eventi di maggiore entità. Un modello di velocità in 3D è usato per migliorare la localizzazione automatica degli eventi sismici e per creare il catalogo finale dei terremoti.

I dati sulle forme d’onda vengono permanentemente archiviati nel formato standard MiniSeed. Le informazioni sull’evento e i dati continui sulle forme d’onda forniti dalla rete SDSNet sono liberamente accessibili da parte della comunità. L’intero archivio digitale è stato dunque convertito in questo formato, incluse le forme d’onda dei soli eventi precedenti al 1999 e il completo archivio continuo aggiornato dal 1999. Tutti i dati sono disponibili sul portale WebDC3 del SED. Il portale strong motion SED può essere utilizzato per effettuare ricerche nell’archivio delle forme d’onda utilizzando il catalogo dei terremoti e i parametri ingegneristici di picco.

I dati svizzeri sulle forme d’onda e le informazioni sui terremoti sono messi a disposizione in tempo reale delle reti sismiche dei paesi confinanti (INGV in Italia, LED in GermaniaISTerre in Francia e ZAMG in Austria), oltre che di varie agenzie europee e internazionali (ORFEUS, GFZ, IRIS, EMSC).

Mappe rete sismica

Mappe della rete sismica in alta risoluzione sono disponibili alla pagina seguente.