Migliaia di sismometri su un unico cavo

Al giorno d'oggi, i cavi in fibra ottica garantiscono una trasmissione veloce dei dati e permettono di guardare film e serie in streaming con risoluzione HD o addirittura 8K. Anche lavorare da casa è diventato impensabile senza una trasmissione dati veloce e a banda larga attraverso la fibra ottica. Ma non solo le applicazioni più banali sono possibili con i cavi in fibra ottica. Gli operatori di infrastrutture critiche, ad esempio, utilizzano da tempo le fibre ottiche per monitorare i loro sistemi.

"Il fatto che le fibre di vetro possano essere utilizzate per molti scopi non è una novità", afferma Andreas Fichtner, professore di geofisica presso il Dipartimento di scienze Terrestri dell'ETH di Zurigo. Ma ora, insieme a Fabian Walter, professore presso il Laboratorio di Idraulica, Idrologia e Glaciologia (VAW), sta lavorando per ampliare in modo massiccio la gamma di applicazioni dei cavi in fibra ottica. I due professori dell'ETH stanno misurando i terremoti glaciali sul ghiacciaio del Rodano, nelle Alpi svizzere, con una risoluzione senza precedenti.

Mentre Fichtner è principalmente interessato a esplorare il potenziale dei cavi in fibra ottica per la sismologia (ricerca sui terremoti), il glaciologo Walter è interessato soprattutto a comprendere meglio lo scivolamento dei ghiacciai e i processi sismici associati nel ghiaccio: "Sono particolarmente interessato ai terremoti che hanno origine dal letto del ghiacciaio".

Misure ad alta risoluzione

Alla fine di giugno 2020, i ricercatori hanno posato un cavo lungo nove chilometri sulla superficie del ghiacciaio del Rodano e lo hanno collegato a un dispositivo di misurazione noto come interrogatore. I ricercatori hanno montato le loro tende sulla morena laterale; per due mesi, due persone hanno vissuto qui ogni settimana per monitorare l'apparecchiatura, sostituire i dischi rigidi mobili pieni e mantenere in funzione il generatore di energia.

La tecnologia utilizzata dai ricercatori è relativamente semplice. Un fascio di luce di una specifica lunghezza d'onda viene inviato in modo permanente attraverso la fibra di vetro. Qualsiasi pressione o tensione sul cavo modifica l'andamento delle onde luminose. L'interrogatore misura l'interferenza di ritorno, che i ricercatori possono utilizzare per calcolare il punto in cui si sono verificate le vibrazioni e la loro intensità. E con una risoluzione spaziale e temporale molto elevata. "Un cavo sostituisce migliaia di sismometri", sottolinea Fichtner. Anche se la sensibilità è inferiore a quella dei sismometri di alta qualità, questo è di gran lunga compensato dall'enorme numero di punti di misura.

Tuttavia, questo metodo di misurazione ad alta risoluzione genera una montagna di dati: "Le analisi saranno terribili", sorride Fichtner. "La campagna di misurazione genererà probabilmente circa 20 terabyte di dati grezzi, una quantità da 10 a 100 volte superiore a quella che verrebbe raccolta con dieci sismometri distribuiti sul ghiacciaio.

Mini terremoti al secondo

Fichtner e Walter hanno effettuato i primi test con un cavo corto nella primavera del 2019. I ricercatori hanno scritto un articolo scientifico in merito, che è stato recentemente pubblicato sulla rivista "Nature Communications". In esso, i ricercatori non solo hanno dimostrato il grande potenziale del metodo, ma hanno anche evidenziato che i terremoti dei ghiacciai si verificano prevalentemente in sciami, in particolare al confine tra il ghiaccio e il letto del ghiacciaio. Tali sciami suggerirebbero che il ghiaccio non sta scivolando, ma si sta muovendo in avanti. "Secondo le teorie attuali, questo non dovrebbe essere il caso", spiega Fabian Walter, "finora i glaciologi hanno ipotizzato che il letto di un ghiacciaio sia ben lubrificato dall'acqua di fusione, il che lo ammette a scivolare". I mini-terremoti nel ghiacciaio del Rodano si verificano a volte ogni secondo.

"La mia nuova ipotesi è che lo scorrimento dei ghiacciai sia paragonabile allo scorrimento delle placche tettoniche", aggiunge Walter. La maggior parte delle vibrazioni misurate nel ghiacciaio del Rodano ha una magnitudo compresa tra -1 e -2. "Questo corrisponde più o meno allo scricchiolio del ghiaccio quando si pattina su un lago ghiacciato", spiega Walter. "Non si sente come un vero terremoto".

Tuttavia, dall'Antartide sono noti terremoti di ghiacciaio di magnitudo da 3 a 4 e, in casi estremi, anche di magnitudo 7. Per fare un confronto: il terremoto di Gorkha in Nepal nel 2015 ha avuto una magnitudo di 7,8. La differenza è che questi grandi terremoti di ghiacciaio si verificano lentamente rispetto ai terremoti classici e possono durare diversi minuti. Questo li rende meno distruttivi di un terremoto sulle placche tettoniche.

Preparazione ai terremoti con l'aiuto delle reti in fibra ottica

Il geofisico Fichnter, nel frattempo, vuole utilizzare i cavi in fibra ottica non solo per misurare i terremoti dei ghiacciai. Egli prevede di utilizzare un giorno le reti di fibre ottiche delle grandi città per indagare il sottosuolo geologico. Parola chiave: tomografia sismica. I ricercatori possono utilizzare questo metodo per individuare strati rocciosi deboli o fratture critiche. L'obiettivo è generare un'immagine del sottosuolo in base alla velocità e al tempo di percorrenza delle onde sismiche che il cavo in fibra ottica capta, per valutare meglio il rischio sismico. È ipotizzabile che si possano utilizzare le reti in fibra ottica di grandi agglomerati urbani come Istanbul, Atene o San Francisco, che presentano un elevato rischio sismico.

Fichtner ha dimostrato che questa soluzione può funzionare con un test di fattibilità a Berna. Lì, insieme ai suoi collaboratori, ha collaborato con l'operatore internet Switch per effettuare misurazioni sismiche su un cavo in fibra ottica lungo sei chilometri. "Questo corrisponde a circa 3.000 sismometri più piccoli. È semplicemente impossibile installare così tanti dispositivi di questa densità", sottolinea Fichtner.

Ha installato l'interrogatore nella sala server dell'Università di Berna. I dati forniti dalla fibra ottica hanno permesso di ottenere un quadro dettagliato del sottosuolo di Berna. "Berna era l'area di prova ideale, anche perché la geometria della fibra era molto semplice", ricorda Fichtner. Imparare a padroneggiare reti in fibra ottica più complesse è una questione di tempo e di capacità di effettuare tali misurazioni in grandi città.