Quando un fulmine colpisce, surriscalda l’aria circostante e crea un’onda d’urto che percepiamo come tuono. Ma il tuono non si limita a viaggiare attraverso l’atmosfera fino alle nostre orecchie. Nel momento in cui quell’energia raggiunge il suolo, una parte di essa viene convertita in onde sismiche che si propagano attraverso il terreno e la roccia sottostanti. Le vibrazioni che ne derivano sono note come “sisma da tuono” (thunderquake).

Fino a oggi, gli scienziati non avevano compreso questi segnali abbastanza bene da poterne fare un uso pratico. La ricerca del nostro gruppo dimostra che i terremoti da tuono possono essere utilizzati per mappare la struttura del sottosuolo terrestre – per esempio il movimento delle acque sotterranee, la contaminazione ambientale, le doline, o per valutare i cantieri edili e le fondamenta – proprio come i raggi X consentono di ottenere immagini dell’interno del corpo umano.

Lo abbiamo scoperto ascoltando i tuoni con un oggetto presente nelle comunità di tutto il mondo, ma insolito come strumento di misurazione sismica: il cavo in fibra ottica.

Trasformare la fibra ottica in sensori di vibrazione

Utilizzando una tecnica chiamata rilevamento acustico distribuito, abbiamo trasformato un normale cavo in fibra ottica, del tipo utilizzato per Internet o per i servizi telefonici, in una serie di migliaia di sensori di vibrazione. Un computer che genera impulsi laser, chiamato “interrogatore”, invia luce attraverso il cavo e misura le minuscole variazioni causate dalle vibrazioni lungo la sua lunghezza. Nel nostro esperimento, parte del progetto FORESEE della Pennsylvania State University, abbiamo utilizzato un cavo lungo oltre quattro chilometri. Questo ci ha fornito più di 2100 sensori, distanziati di poche decine di centimetri l’uno dall’altro, tutti in grado di “ascoltare” il terreno contemporaneamente.

Nel corso di due anni, abbiamo utilizzato una vecchia fibra ottica delle telecomunicazioni per registrare e identificare 458 terremoti da tuono nitidi e di alta qualità.

L’enorme quantità di dettagli acquisita grazie a questo processo ci ha permesso di osservare qualcosa che prima era difficile da rilevare: tipi specifici di onde sismiche prodotte quando il suono proveniente dall’atmosfera interagisce con il suolo.

Le più importanti tra queste onde sismiche sono quelle che chiamiamo onde di Rayleigh accoppiate all’aria. Sono misurabili in superficie, ma possono essere utilizzate per studiare il sottosuolo molto più in profondità, fino a circa 100 metri.

Come un sisma da tuono fa una radiografia del terreno sottostante

Il segreto di questa tecnica è noto come dispersione sismica: le onde di frequenze diverse viaggiano a profondità diverse. Misurando come la velocità delle onde del sisma da tuono variava in funzione della frequenza, siamo riusciti a ricostruire la velocità delle onde sismiche a diverse profondità, il che ci permette di interpretare le proprietà del terreno sottostante la fibra.

Il risultato è stato l’equivalente di una radiografia del sottosuolo che si estende per circa 100 metri di profondità, senza praticare un solo foro.

L’acquisizione di immagini del sottosuolo richiede in genere apparecchiature specializzate, come sorgenti di vibrazione montate su camion o reti di sensori che devono essere installati per effettuare i rilievi. Questi approcci possono essere costosi e difficili da implementare su aree estese.

I temporali offrono una fonte naturale di energia sismica che è già diffusa sul territorio. Inoltre, i cavi in fibra ottica sono interrati sotto città e paesi in tutto il mondo.

Invece di portare una sorgente sismica a terra, possiamo ascoltare i temporali che passano sopra le nostre teste. Alla fine, questo potrebbe rendere possibile il monitoraggio continuo del sottosuolo superficiale, utilizzando infrastrutture già presenti nel terreno ed energia sismica che già proviene dal cielo.

Che cosa abbiamo scoperto nel nostro sito di prova

A State College, in Pennsylvania, dove abbiamo effettuato i test, la geologia è costituita prevalentemente da calcare e dolomite, rocce che possono dissolversi lentamente via via che l’acqua sotterranea le attraversa. Nel corso del tempo, questo processo crea fratture, grotte e doline.

Il nostro studio sui terremoti da tuono ha rivelato quattro aree distinte in cui le onde sismiche si propagavano molto più lentamente rispetto alla roccia circostante. Queste “zone deboli” potrebbero essere causate da roccia fratturata o alterata dagli agenti atmosferici, oppure dalla presenza di acqua o aria. Due di esse coincidono con aree in cui il radar satellitare mostra che il terreno sta cedendo attivamente. Le profondità di tutte e quattro sono coerenti con le fratture e i vuoti documentati in siti vicini.

Questi risultati sono importanti perché i paesaggi carsici come quello che si trova sotto State College sono molto diffusi. Coprono circa il 20 per cento della superficie continentale mondiale e interessano quasi un quarto della popolazione globale. Le doline, la contaminazione delle acque sotterranee e altri pericoli associati a questi paesaggi possono minacciare edifici, infrastrutture e sicurezza pubblica. Sapere dove si trovano questi pericoli consente di migliorare la costruzione e la pianificazione.

Non solo per i tuoni, e non solo sulla Terra

I nostri risultati dimostrano un processo fondamentale: le onde sonore nell’atmosfera possono essere convertite in onde sismiche utili nella Terra solida. Ma il tuono è solo un esempio.

I boati sonici, le eruzioni vulcaniche e le esplosioni aeree di meteoriti possono produrre onde d’urto atmosferiche simili, creando potenzialmente altre fonti sismiche naturali.

L’idea potrebbe estendersi anche oltre la Terra. Non ci si aspetta che i terremoti tettonici simili a quelli terrestri siano comuni su alcuni altri pianeti e lune, ma potrebbero comunque verificarsi perturbazioni atmosferiche.

Titano, la luna più grande di Saturno e destinazione della prossima missione Dragonfly della NASA, rappresenta un’affascinante possibilità. Se lì si verificassero fulmini e tuoni come prevedono i modelli, l’energia atmosferica potrebbe potenzialmente fornire un altro modo per studiare il suo sottosuolo.

Tornando sulla Terra, l’atmosfera interagisce costantemente con il suolo sotto i nostri piedi. Il nostro lavoro suggerisce che questa interazione potrebbe essere una fonte di informazioni sul mondo nascosto sotto di noi.