Un gruppo di sismologi dell’Università di Napoli Federico II ha messo a punto un sistema per l’allerta sismica precoce e lo ha testato retrospettivamente sulla prima delle due scosse che hanno colpito la regione al confine tra Turchia e Siria il 6 febbraio del 2023. Considerando una soglia di intensità sismica (l’effetto del terremoto su persone e cose) moderata, il sistema si è dimostrato in grado di prevedere la zona da allertare con un anticipo che varia da 10 a 60 secondi allontanandosi dall’epicentro da 20 a 300 chilometri, con una percentuale molto contenuta di falsi allarmi. Considerando la soglia di intensità più elevata, l’anticipo con cui il sistema sarebbe stato in grado di emettere l’allerta è tra 20 e 40 secondi, ma solo per i punti a distanza maggiore di 100 chilometri dall’epicentro. I risultati del test sono descritti in un articolo pubblicato sulla rivista Communications Earth & Environment.
La scossa su cui si sono concentrati gli autori dello studio ha avuto origine vicino alla città di Pazarcık alle quattro del mattino e una magnitudo di 7,8. Nove ore dopo c’è stata una seconda scossa con epicentro cento chilometri più a nord, vicino alla città di Elbistan, e con una magnitudo di 7,6. I danni causati dalle due scosse hanno interessato una regione molto estesa, circa 350 000 chilometri quadrati, dove abitavano 14 milioni di persone. Le vittime accertate sono state 59 000 tra Siria e Turchia e le Nazioni Uniti hanno stimato che un milione e mezzo di persone ha perso la propria casa.
I sistemi di allerta sismica precoce
I sistemi di allerta sismica precoce puntano a prevedere con un anticipo che va da qualche secondo a qualche decina di secondi l’arrivo di un terremoto pericoloso, permettendo così alle persone di proteggersi e ai gestori di strutture e infrastrutture di metterle in sicurezza.
Quest’anticipo è reso possibile dal fatto che le fratture nella crosta terrestre da cui hanno origine i terremoti generano due tipi di onde sismiche. Le onde longitudinali, chiamate onde P, comprimono e stirano la crosta nella direzione di propagazione, mentre le onde trasversali, chiamate onde S, provocano oscillazioni verso l’alto e il basso e sono quelle che causano i danni maggiori. Le onde P si propagano più velocemente delle S, 6-7 chilometri al secondo contro 3-4 chilometri al secondo.
Man mano che le onde si irradiano dall’epicentro investendo aree a distanza sempre maggiore, le stazioni sismiche presenti cominciano a rilevare il segnale delle onde P. Analizzando quel segnale si può cercare di capire se presagisce un’onda S distruttiva ed eventualmente dare l’allarme. L’affidabilità di questa previsione aumenta col tempo, man mano che i sismografi registrano porzioni più lunghe del segnale. Per questo non è affatto facile progettare sistemi efficaci di allerta sismica precoce. Più si cerca di essere veloci più aumenta la probabilità che non sia dia l’allarme in punti dove invece il terremoto si rivelerà intenso.
Prevedere l’intensità di un terremoto dai primi secondi delle onde sismiche
Gli autori dello studio hanno considerato i dati registrati da 110 stazioni della rete sismica gestita dalla Disaster and Emergency Management Authority, un’agenzia di gestione delle emergenze controllata del Ministero dell’Interno turco. Le stazioni sono comprese tra 20 e 300 km dall’epicentro del terremoto. «Abbiamo riprodotto la trasmissione dei segnali registrati dalle stazioni in tempo reale, come se stessimo assistendo in diretta al terremoto», spiega Aldo Zollo, coordinatore dello studio e uno degli scienziati italiani che più si è impegnato sui sistemi di allerta sismica precoce.
Gli autori hanno analizzato i segnali sismici in tempo reale, man mano che venivano registrati, per stimare quale sarebbe stata la velocità massima di scuotimento del suolo al termine del terremoto. Questo parametro può essere tradotto negli effetti attesi su persone ed edifici, che vengono descritti attraverso le scale di intensità macrosismica. Ne esistono diverse; tra le più utilizzate c’è quella ideata dal vulcanologo italiano Giuseppe Mercalli nel 1902.
Il legame tra la velocità di scuotimento del suolo e i danni provocati dal terremoto varia da una regione all’altra, perché dipende soprattutto dalla qualità e dalla robustezza del patrimonio edilizio.
La decisione di diramare o meno un’allerta si basa quindi sull’intensità macrosismica prevista nell’area coperta dal sistema di allerta precoce. Come vedremo, la soglia di intensità scelta per attivare l’allarme influisce in modo significativo sulle prestazioni del sistema.
L’innovazione che gli autori hanno testato nello studio sta nel modo in cui si processano i segnali delle onde P per prevedere la massima velocità di scuotimento del suolo nella zona considerata. Gli autori hanno impiegato un modello sviluppato nel 2023, che mette insieme due approcci. Nei punti in cui sono presenti le stazioni, il modello stima il massimo scuotimento del suolo atteso direttamente dall’ampiezza delle onde P. Dove però non sono presenti stazioni fa un passaggio in più. Dall’ampiezza delle onde P il modello stima la posizione dell’ipocentro del terremoto (il punto nella crosta terrestre dove si è verificata la frattura) e la sua magnitudo. Questi due parametri vengono poi utilizzati per stimare la massima velocità di scuotimento, usando delle relazioni che sono tipiche dell’area geologica considerata perché dipendono da che tipo di rocce le onde sismiche incontrano quando si propagano nel sottosuolo.
Questo secondo approccio, che passa dalla stima dei parametri della sorgente (ipocentro e magnitudo) è meno affidabile del primo, ma è inevitabile doverlo usare se si vuole costruire una mappa delle velocità massime che copra una regione estesa. Infatti, nei primi istanti dopo la frattura i punti più lontani dall’epicentro non sono ancora stati raggiunti dalle onde P così come quelli vicini ma non dotati di stazioni sismiche.
Compromessi
Sono stati considerati due scenari. Nel primo, l’allarme viene diramato se la velocità massima prevista è tale che gli effetti del terremoto saranno superiori a grado IV (moderato), nel secondo quando si prevedono effetti superiori al grado VI (forte).
In entrambi gli scenari, non vengono emessi allarmi nei primi 9 secondi dopo l’inizio della frattura. Questi 9 secondi servono alle onde P a raggiungere le dieci stazioni più vicine all’epicentro e ai ricercatori a stimare magnitudo e ipocentro del terremoto analizzando questa primissima porzione di segnale.
Superata questa finestra di 9 secondi, nel primo scenario la percentuale delle 100 stazioni su cui il sistema ha previsto correttamente il superamento o non superamento della soglia di intensità fissata è stata sin da subito dell’85% e ha raggiunto il 100% a partire da 60 secondi dopo l’inizio della frattura. Nel secondo scenario invece, durante i primi 35 secondi ci sono stati più mancati allarmi che allarmi o non allarmi dati correttamente oppure falsi allarmi. Da lì in avanti la percentuale di mancati allarmi è diminuita, e da 60 secondi in poi la percentuale di allarmi o non allarmi dati correttamente ha superato quella di mancati allarmi e falsi allarmi.
Per le stazioni per cui il sistema ha previsto correttamente il superamento delle soglie di intensità fissate, l’anticipo dell’allerta aumenta allontanandosi dall’epicentro ed è generalmente maggiore per lo scenario con la soglia di intensità più bassa. Considerando la soglia di intensità più alta, il sistema è in grado di dare l’allerta con 20-40 secondi di anticipo rispetto all’arrivo del terremoto per le stazioni a distanze comprese tra 100 e 300 chilometri dall’epicentro.
«La magnitudo di un terremoto dipende da quanto è grande l’area nella crosta terrestre interessata dalla frattura e dallo spostamento relativo dei blocchi separati dalla superficie di frattura», spiega Zollo. Allo stesso tempo «la durata del segnale P emesso dalla sorgente dipende dalla grandezza dell’area di frattura e dalla velocità di rottura. Per questo la stima della magnitudo generalmente cresce nel tempo per raggiungere la saturazione in tempi più o meno lunghi, perché porzioni più grandi del segnale P catturano parti più rilevanti del segnale irradiato dalla sorgente che si estende fino al raggiungimento dell’area di frattura finale», spiega ancora Zollo. Questo spiega anche perché «se la soglia è piccola, questa viene raggiunta prima e quindi l’allerta può essere data con anticipo maggiore. Viceversa, se la soglia è più alta, sarà necessario attendere di più per dare l’allerta.»
C’è quindi un compromesso da fare. La scelta non è puramente tecnica, dipende dall’intervento che si vuole intraprendere quando viene emessa l’allerta e dal target da proteggere.
«Dalle esperienze di sistemi analoghi negli Stati Uniti e in Giappone, appare più accettabile un falso allarme che un mancato allarme», commenta Zollo, ma più in generale, «la soglia ottimale è quella che minimizza il rischio», che dipende dal costo dalla combinazione di probabilità e costi di falsi allarmi e mancati allarmi. «Sta al gestore del target da proteggere (treni ad alta velocità o studenti nelle scuole) stabilire il costo di falsi e mancati allarmi per determinare una soglia accettabile», conclude Zollo.
E in Italia?
In Italia da luglio 2025 è attivo un sistema di allerta sismica precoce sulla tratta ferroviaria di alta velocità che congiunge Roma e Napoli. È il risultato dello sforzo congiunto di Rete Ferroviaria Italiana (RFI) e di un gruppo di ricercatori dell’Università di Napoli Federico II coordinati da Zollo.
Per questo sistema è stata installata una rete accelerometrica dedicata, disponendo venti sensori lungo i binari a distanza di circa 10 chilometri ciascuno. I sensori sono collegati tramite una rete in fibra ottica di proprietà di RFI alla control room della stazione di Roma Termini. «In questo caso, considerando la particolare geometria dei sensori che registrano i segnali sismici, la stima della magnitudo e dell’ipocentro avrebbe una grande incertezza, quindi ci basiamo solo sulle caratteristiche delle onde P e da queste stimiamo il massimo scuotimento del suolo atteso», spiega Zollo. Quando la probabilità che la soglia fissata per lo scuotimento venga superata è sopra il 50%, la control room attiva a distanza i sistemi di chiusura urgente del tratto interessato, che sono stati automatizzati per realizzare questo progetto. Il segnale di chiusura del tratto innesca automaticamente o semi-automaticamente gli apparati di frenata dei treni in avvicinamento.
Per realizzare questo sistema, i ricercatori hanno dovuto fare i conti con un altro aspetto fondamentale nei sistemi di allerta precoce, cioè il tempo necessario a trasmettere i dati sismici raccolti dai sensori, processarli ed eventualmente inviare il segnale di allerta. La rete in fibra ottica che collega i sensori sulla linea Roma-Napoli con la control room serve a minimizzare questo tempo, che nell’esperimento condotto sul terremoto in Turchia è stato trascurato, immaginando che tutti i segnali necessari venissero trasmessi istantaneamente.
Proprio la scorsa settimana si è tenuto presso la sede centrale dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) a Roma una conferenza sulle prospettive possibili per rendere operativo un sistema di allerta sismica precoce su tutto il territorio italiano. Hanno partecipato anche scienziati stranieri che hanno descritto le esperienze fatte in altre parti del mondo, come ShakeAlert!, attivo in California, Oregon e Washington (Stati Uniti), MyShake e Android Earthquake Alert, due sistemi basati sulle misure effettuate dagli accelerometri degli smartphone, e Truaa, il sistema impiegato in Israele.
