Le onde sismiche

Hai mai lanciato un sasso nell’acqua di uno stagno?

Nell’istante in cui il sasso tocca la superficie, l’energia dell’impatto si trasforma in una serie di cerchi concentrici che si allontanano dal punto di caduta, sempre più ampi e sempre più deboli.

È un’immagine semplice, quasi banale, eppure racchiude il principio fisico che sta alla base di ogni terremoto: quando una faglia si rompe e libera energia accumulata per anni, decenni o secoli, quell’energia non resta ferma. Si propaga. E lo fa sotto forma di onde sismiche.

Capire come si muovono queste onde non è solo un esercizio accademico: è il fondamento su cui si basano la sismologia moderna, i sistemi di allerta precoce come l’Android Earthquake Alerts System, e persino le tecniche di indagine geofisica che un geologo utilizza quotidianamente in cantiere, dalla sismica a rifrazione alla sismica a riflessione.

In questo articolo vediamo insieme quali sono le diverse tipologie di onde sismiche, come si distinguono per velocità e comportamento, e perché — paradossalmente — non sono le più veloci a fare più danni.

Che cosa sono le onde sismiche

Quando avviene un terremoto, l’energia accumulata lungo una faglia viene rilasciata istantaneamente nel punto di rottura, chiamato ipocentro.

Da lì, l’energia si irradia in ogni direzione attraverso le rocce sotto forma di onde elastiche: sono le onde sismiche, appunto, che fanno vibrare il terreno al loro passaggio senza spostare in modo permanente la materia che attraversano — un po’ come accade all’acqua dello stagno, che oscilla ma non “viaggia” verso la riva insieme all’onda.

Le onde sismiche si dividono in due grandi famiglie, distinte per il tipo di percorso che compiono:

• le onde di volume, che attraversano l’interno della Terra: le onde P e le onde S;
• le onde superficiali, che si propagano lungo la superficie terrestre: le onde di Rayleigh e le onde di Love.

Ogni famiglia ha una velocità, una direzione di oscillazione e un potenziale distruttivo differenti. Vediamole una per una.

Le onde P: le onde sismiche più veloci

Le onde P, dette anche onde primarie o onde longitudinali, sono le prime a essere registrate dai sismografi perché sono, in assoluto, le onde sismiche più veloci: nella crosta terrestre viaggiano generalmente tra i 5 e i 8 km/s, a seconda della densità e rigidità delle rocce attraversate.

Il loro movimento è simile a quello di una fisarmonica: le particelle di roccia oscillano avanti e indietro nella stessa direzione in cui si propaga l’onda, comprimendo e dilatando alternativamente il materiale attraversato.

Una caratteristica fondamentale delle onde P è che riescono a propagarsi in qualunque mezzo, solido, liquido o gassoso. Proprio questa proprietà le rende protagoniste delle indagini geofisiche applicate alla geologia tecnica: sono le onde normalmente impiegate nelle campagne di sismica a rifrazione e di sismica a riflessione per ricostruire la stratigrafia del sottosuolo.

Le onde P si propagano in tutti i mezzi.

Sono le onde normalmente utilizzate durante le campagne di sismica a scopi esplorativi, sia nella sismica a rifrazione che nella sismica a riflessione.

Le onde S: più lente, ma non si propagano ovunque

Le onde S, o onde secondarie (dette anche onde di taglio o onde trasversali), arrivano dopo le onde P perché più lente, con velocità comprese di norma tra 3 e 4 km/s.

A differenza delle onde P, le particelle di roccia si muovono perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell’onda, con un movimento che ricorda l’ola in uno stadio: chi è seduto non si sposta lateralmente, ma si alza e si siede al passaggio dell’onda.

Questa differenza di comportamento ha una conseguenza fisica importante: le onde S non si propagano nei fluidi, perché i liquidi non possiedono resistenza al taglio. È un dettaglio che, storicamente, ha permesso ai sismologi di dedurre l’esistenza del nucleo esterno terrestre allo stato liquido, semplicemente osservando le “zone d’ombra” in cui le onde S non arrivavano mai.

Le onde sismiche superficiali

Quando le onde di volume (P e S) raggiungono la superficie terrestre, interagiscono con essa generando un nuovo tipo di onde: le onde superficiali. Viaggiano a circa il 90% della velocità delle onde S, quindi sono le ultime a essere registrate da un sismografo.

Eppure sono proprio le onde superficiali le principali responsabili dei danni causati da un terremoto. Il motivo è semplice: hanno ampiezze molto maggiori rispetto alle onde di volume e la loro energia si concentra negli strati più superficiali della crosta, proprio dove si trovano edifici, infrastrutture e persone.

Le onde superficiali si dividono in due tipologie: le onde di Rayleigh e le onde di Love.

Onde di Rayleigh

Le onde di Rayleigh muovono le particelle di roccia lungo un’orbita ellittica su un piano verticale, con un moto spesso retrogrado rispetto alla direzione di propagazione: se osservassi una singola particella, sembrerebbe muoversi leggermente all’indietro prima di proseguire nella direzione dell’onda. Combinano quindi una componente verticale e una orizzontale, parallela alla direzione di propagazione.

Non è un caso che il loro comportamento ricordi da vicino l’esempio dello stagno con cui abbiamo aperto questo articolo: anche le onde di Rayleigh nascono da un’interazione di superficie, proprio come le increspature generate da un sasso lanciato nell’acqua.

Onde di Love

Le onde di Love, invece, muovono il terreno esclusivamente sul piano orizzontale, con un’oscillazione perpendicolare alla direzione di propagazione.

Non hanno componente verticale: è per questo che, in molti casi, viaggiano leggermente più veloci delle onde di Rayleigh e vengono registrate per prime tra le onde superficiali.

Un video molto semplice e carino sulle onde sismiche:

Perché lo studio delle onde sismiche è così importante

Al di là della curiosità scientifica, la conoscenza del comportamento delle onde sismiche ha applicazioni molto concrete:

• permette di localizzare l’epicentro di un terremoto, confrontando i tempi di arrivo delle onde P e S in più stazioni sismiche;
• consente di stimare la magnitudo dell’evento sismico;
• è alla base dei moderni sistemi di allerta precoce, che sfruttano il ritardo tra l’arrivo delle onde P (veloci ma poco dannose) e quello delle onde S e superficiali (lente ma distruttive) per inviare un avviso alla popolazione pochi secondi prima dello scuotimento forte;
• ha permesso di ricostruire la struttura interna della Terra, individuando la presenza di strati come il mantello e il nucleo grazie alle discontinuità nella velocità di propagazione delle onde stesse.

Domande frequenti sulle onde sismiche

Ulteriori letture

Per approfondire l’argomento trattato in questo post, ti consiglio i seguenti testi che potete comprare comodamente su Amazon.

• Capire la Terra [ACQUISTA SU AMAZON];
• I terremoti. Quando la terra trema [ACQUISTA SU AMAZON]