Geo App: Salvare la vita con la geologia

Le Scienze della Terra in soccorso della vita come prevenzione, gestione del rischio (geochimico, vulcanico, sismico, ambientale) e ripristino delle condizioni di sicurezza per l'uomo e l'ambiente.

Questo video dell'Unione dei Geofisici Americani (AGU) prende in esame alcuni degli entusiasmanti progressi scientifici e tecnologici compiuti nel campo delle Scienze della Terra e dello Spazio per garantire la sicurezza pubblica e la sicurezza economica di fronte alle catastrofi naturali.

Per far capire che il progresso scientifico in questo settore può essere la chiave di volta per una economia in crisi e che non sembra riesca (o voglia ?,nda) uscire dal pantano in cui si è immersa.

Le onde di shock nelle esplosioni vulcaniche

Non si vedono ma ci sono, difficile riuscire a immortalarle in un video ma stavolta un videoamatore ce l'ha fatta: pochi giorni fa è riuscito a riprendere in modo casuale ma efficace una onda di shock. Si forma durante un'eruzione vulcanica e genera uno dei rumori più intensi che possano essere prodotti naturalmente.

Cosa sono le onde di shock

Come la nostra voce e la musica che ascoltiamo dagli altoparlanti sono niente altro che una variazione di pressione impressa all'aria circostante, anche le onde di shock si propagano allo stesso modo ma con un'energia immensamente più grande.

Il magma, risalendo dalle profondità in cui si trova a pressioni elevate, va verso la superficie e quindi verso un ambiente a bassa pressione come quella atmosferica; i gas in soluzione nel magma si riuniscono in bolle, che si moltiplicano e ingrandiscono grazie alla minor pressione a cui il magma è sottoposto per arrivare a un livello chiamato di frammentazione: possiamo paragonare questo sistema ad un boccale di birra: sul fondo si generano le bolle che risalendo, si accumulano in superficie fino ad arrivare ad esplodere (chiaramente l'energia in gioco è ben diversa).

Schema della miscela magmatica in un condotto vulcanico.
Risalendo a pressioni più basse, i gas formano bolle come in un boccale di birra...

A questo punto la miscela di gas esploso e di frammenti di liquido magmatico risale molto velocemente il condotto vulcanico e, una volta in superficie, entra nell'area del cratere e si espande.

La forma del cratere svolge un ruolo fondamentale perché si formi o meno l'onda di shock: rispetto al condotto, la superficie del cratere è molto più ampia ma la quantità di massa eruttata rimane la stessa, quindi la velocità del flusso deve necessariamente aumentare per compensare la inevitabile caduta di pressione del gas. Se questa caduta arriva a valori di pressione inferiore a quella atmosferica (e succede se il cratere è molto basso e molto largo), il gas in uscita deve istantaneamente riequilibrarsi alla pressione atmosferica, raggiungendo velocità supersoniche.

Uno dei crateri più famosi del mondo: il Vesuvio.
"Vesuvius from plane" by Pastorius via Wikimedia Commons

Schema di generazione di un'onda di shock:
Se il cratere è basso, la pressione dei gas scende sotto quella atmosferica.
Per riequilibrarsi, il gas deve aumentare la propria pressione istantaneamente, producendo l'onda di shock

Per fare un esempio, l'esplosione del Krakatoa del 1883 produsse un'onda di shock di 310 dB (non sono decibel calcolati come in musica) che fece 36 volte il giro del mondo, durando un mese intero, facendo apparire e scomparire la nebbia in un istante intorno al vulcano (la pressione sull'aria fu tale da far condensare immediatamente il vapore acqueo di umidità che si trovava in atmosfera, come si nota anche nel video iniziale).

Le onde di shock hanno una potenza paragonabile a quella generata da un'esplosione atomica, quindi se ci dovessimo trovare sfortunatamente di fronte al cratere di un vulcano in eruzione, saluteremmo questo mondo ancora prima che la colonna di cenere a oltre 1000 gradi ci investa... 

La Garfagnana e il terremoto del 7 settembre 2014

Ore 12:45, un terremoto di magnitudo 4.0 ha colpito la montagna pistoiese ed è stato avvertito sia in buona parte della Toscana settentrionale che dell'Emilia meridionale. L'epicentro è stato individuato su un rilievo vicino alla località turistica di Abetone, nel distretto sismico della Garfagnana. 

Coordinate dell'epicentro del terremoto del 7 settembre 2014.

La Garfagnana

In quest'area dell'Appennino settentrionale la tettonica attiva è legata all'avanzamento della placca Europea sopra la placca Adria, legata al blocco africano; come già spiegato nel post sulla nascita del bacino Pistoia-Prato-Firenze, a sud dello spartiacque abbiamo evidenza di una tettonica distensiva che il fronte di spinta si lascia dietro di sé, durante l'avanzamento verso nordest: questo tipo di tettonica produce strutture tipiche chiamate ad horst e graben, con zone di alto e basso topografico dovute alla distensione della crosta continentale.

Nella Toscana settentrionale abbiamo l'evidenza di un horst rappresentato dalle Apuane, compreso fra due graben rappresentati della Lunigiana e dalla Garfagnana. La sismica che interessa quindi la Garfagnana è principalmente localizzata nelle zone al limite del graben, dove si trovano quelle che vengono chiamate faglie bordiere, che lo separano dagli horst adiacenti.

Schema con vista verso Sud: strutture ad horst e graben con Garfgnana, Apuane, Lunigiana 

Schema generale di tettonica distensiva ad horst e graben

Orientamento della faglia che ha generato il terremoto

Per capire l'orientamento della faglia che si è mossa, generando il terremoto avvertito oggi, bisogna osservare quello che viene chiamato meccanismo focale.

Viene rappresentato come una beach ball o pallone da spiaggia, dove vengono indicati i piani di faglia e ausilario, nonché la direzione delle forze agenti (compressive e distensive, sono legate l'une alle altre...).

Bisogna immaginare di avere davanti una semisfera di cui vediamo la parte inferiore, vista dall'alto: le due linee curve rappresentano la superficie intagliata da due invisibili piani orizzontali incrociati; uno sarà il piano di faglia principale, l'altro ausiliario. La semisfera viene divisa quindi in spicchi che possono essere colorati o bianchi: per convenzione, i primi rappresentano l'area sottoposta ad estensione, i secondi a compressione.

Schema generale dei meccanismi focali con la logica della semisfera. Fonte USGS

Se siete interessati a saperne di più, ecco un sito dell'Ingv e della Protezione Civile che spiegano come leggere i meccanismi focali.

Nel terremoto di oggi il meccanismo focale realizzato dall'Ingv dimostra il movimento di una faglia normale, coerente con le faglie generate da una tettonica distensiva come è quella di questa zona dell'appennino.

Secondo L'Ingv in quest'area è possibile avere terremoti con un magnitudo massima di M 6.6 (a Pistoia di M 6.0, nda).

Meccanismo focale prodotto dall'Ingv, secondo le rilevazioni dei sismografi colorati di rosso.

Possibile domanda di un lettore: Si parla di tettonica distensiva a sud e compressiva a nord dello spartiacque appenninico ma nei meccanismi focali ci sono sia compressione che estensione, perché? 
Se un solido viene allungato o stirato in un verso, risulterà raccorciato o compresso nel senso ortogonale, per questo con i terremoti si parla sempre localmente di compressione ed estensione insieme; quando invece si parla di tettonica regionale, l'orientamento delle faglie (quindi come sono rappresentati i meccanismi focali) dànno forma a strutture tettoniche diverse e quindi rappresentative dei due movimenti principali della catena appenninica, compressione e distensione separati dallo spartiacque. 

Effetto di allungamento e raccorciamento di un solido inizialmente sferico

Diverse strutture generate dalle faglie, in distensione (Faglie distensive) e compressione (Thrust frontali).

Il Bárdarbunga e la geologia dell'Islanda

Non pensavo di fare un post sull'eruzione del Bárðarbunga, il vulcano posto sotto il ghiacciaio Vatnajökull che da agosto ha catturato l'attenzione dei geologi e degli appassionati; eppure sotto le richieste di qualche amico, colgo l'occasione per raccontare delle peculiarità geologiche di questa isola affascinante che spero, un giorno, di visitare.

Eruzione del Bárðarbunga
Fonte: photos.gudmann.is

Geologia dell'Islanda

L'Islanda o Ísland (terra del ghiaccio nella lingua locale) è una giovane isola di origine vulcanica formatasi circa 20 milioni di anni fa. La sua particolarità sta nel trovarsi precisamente a cavallo fra la placca nordamericana e la placca euroasiatica, lungo quella che si chiama Dorsale medio-oceanica: una serie di fratture che percorre da Nord a Sud tutto l'Oceano Atlantico e che, con i suoi caratteristici basalti a pillow, è l'effetto visibile dell'azione del mantello terrestre, il motore che ha diviso e sta allontanando l'Europa e l'Africa dalle Americhe.

A rendere l'Islanda un'isola unica nel suo genere è anche la "fortunata" coincidenza di essere formata, oltre che dai magmi prodotti dalla dorsale medio-oceanica, anche da magmi originati dal mantello profondo e slegati dalla tettonica delle placche, attraverso quelli che vengono chiamati hot-spot o punti caldi.

Schema tettonico dell'Islanda

Schema di un Hot-Spot: si può notare come il magma si formi da rocce dal mantello profondo.

Essendo formata da magmi di un oceano in espansione, l'Islanda aumenta nel tempo la sua superficie con l'allontanarsi delle placche dalla dorsale e aumenta il suo volume con le numerose eruzioni che interessano il suo territorio.

Abbiamo quattro serie distinte per età di formazione, crescente con l'allontanarsi dalla Dorsale medio-oceanica:

• Postglaciale (fra 9000-13.000 anni fa)
• Formazione del pleistocene superiore (da circa 780 mila anni fa a circa 11 mila anni fa)
• Formazione del plio-pleistocene (circa 2,6 milioni di anni fa)
• Basalti di plateau, fra 3 e 16 milioni di anni, che ricoprono circa il 50% dell'isola.

Schema vulcanico islandese.
Fonte: "Volcanic system of Iceland-Map-it" da Wikimedia.org

L'eruzione attuale

Dal 16 agosto si è iniziata a rilevare una certa attività sismica nei pressi del ghiacciaio Vatnajökull, spesso 700 metri e che copre un grosso edificio vulcanico chiamato Bárðarbunga che si è innalzato di diversi metri, segno di una variazione dei gas vulcanici sotterranei e di movimenti sospetti nella camera magmatica; nei giorni successivi è stato possibile intravedere una serie di depressioni allineate in direzione nordest che si sono poi sviluppate, il 29 agosto, in una frattura posta a Est del vulcano principale e che ha prodotto spettacolari fontane di lava allineate generando quello che viene chiamato dicco. 

Al momento l'eruzione è ancora in corso, accompagnato da attività sismica che viene registrata in tutta l'area interessata.

Per chi fosse interessato a controllare in ogni momento la situazione del vulcano Bárðarbunga, esiste un sito con telecamere sempre attive, oppure un altro sito con meravigliose foto sia dell'Islanda in generale e dell'eruzione in questione.

Il possibile problema del traffico aereo

Al momento non c'è alcun allarme imminente ma il vulcano viene monitorato continuamente perché, in caso di una grande eruzione, potremmo avere gli stessi problemi al traffico aereo come per l' eruzione dell'Eyjafjöll del 2010, quando le ceneri fini arrivarono fino nella stratosfera mettendo in pericolo il corretto funzionamento dei motori a reazione degli aerei. 

In questo caso i geologi, assieme ai fisici dell'atmosfera, studiano come le dinamiche eruttive dei vulcani possano incidere sul traffico aereo e cercare di limitare i disagi per tutte le persone che hanno bisogno di spostarsi, massimizzando il numero di voli che possono attraversare le aree interessate. Per questo in Europa c'è il Progetto Arise.

Sliding Rocks, svelato il mistero delle pietre che camminano.

All'interno della Death Valley, sul fondo piatto e arido del lago di Racetrack Playa, si possono osservare diverse rocce, pesanti anche centinaia di chili, che pare percorrano diversi metri lasciando lunghi solchi inspiegabili fino ad ora, scientificamente. Niente anomalie magnetiche o centri energetici di qualunque tipo, solo vento e ghiaccio. L'azione di queste due forze naturali era già stata individuata ma ignoto era il meccanismo con cui agissero per provocare questo fenomeno unico al mondo. 

Le famose sliding rocks.
Fonte: Di Pandat at de.wikipedia, da Wikimedia Commons

Il Luogo, il lago Racetrack Playa

E' un lago lungo circa 4 km e largo 2 km perfettamente piatto, la cui superficie è composta essenzialmente da argilla e limo. Il clima generalmente arido rende il fondo intensamente fratturato; infatti le argille si espandono e si contraggono secondo la quantità di acqua che assorbono e nei climi aridi ma occasionalmente interessati da piogge si possono formare quelli che vengono chiamati mud cracks. Quello che si nota è che in occasione di piogge la superficie del lago si ricopre di un sottile strato di acqua che si trasforma in fango, che in ogni caso non riesce a ricoprire interamente le sliding rocks; questa è la chiave di lettura per spiegare il mistero.

La ricerca

Presentata su PLOS ONE, si è sostanzialmente basata sulla misurazione degli spostamenti dei massi e delle condizioni atmosferiche nel momento in cui questo fenomeno si verifica.

E' stato osservato che il fenomeno si verifica quando il fondo del lago è ricoperto da uno strato di acqua tale da poter ghiacciare (nella stagione invernale avvengono la quasi totalità degli spostamenti) ma non tale da ricoprire i massi per intero; quando la temperatura torna alta abbastanza da rompere il ghiaccio in numerose lastre, queste si spostano assieme al masso inglobato scivolando su una pellicola di acqua sottostante, sospinte da un vento che non deve necessariamente essere forte come si pensava un tempo, sono sufficienti 16 km/h. I massi, a contatto con la terra, lasciano sulla superficie del suolo i famosi solchi che li hanno resi celebri in tutto il mondo.