Riduzione dei livelli di rumore sismico ambientale nelle città italiane e stima dell'effetto sulla capacità di rilevamento della Rete Sismica ...
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Riduzione dei livelli di rumore sismico ambientale nelle città italiane
e stima dell’effetto sulla capacità di rilevamento
della Rete Sismica Nazionale
a seguito delle misure restrittive COVID-19 del Febbraio-Marzo 2020
Open File Report
24 aprile 2020
Simone Marzorati
Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia – Osservatorio Nazionale Terremoti
Contatti:
simone.marzorati@ingv.it
Introduzione
Il rumore sismico ambientale è la componente del segnale che si scarta nelle procedure di
interpretazione delle forme d’onda dei terremoti.
Il rapporto Segnale/Disturbo (S/N) è uno dei parametri per valutare la qualità del dato sismico in
relazione alla possibilità di rilevare le fasi dei terremoti utili alla loro localizzazione. Il segnale è
rappresentato dall’evento sismico, il quale è un transiente raro quando non sono in corso sequenze
sismiche. Utilizzando strumentazione sismica ad alte prestazioni, il disturbo è rappresentato dal
rumore sismico ambientale, il quale viene rilevato sotto forma di vibrazioni impercettibili dagli esseri
umani. Nei casi in cui la dinamica dello strumento è ristretta e la sua rumorosità intrinseca elevata,
il rumore sismico ambientale non può essere rilevato, si perdono le informazioni relative al mezzo
attraversato dalla sorgente al punto di rilevazione e non si possono seguire le sue variazioni.
Il rumore sismico ambientale è un processo aleatorio dal quale però si posssono estrarre
caratteristiche stazionarie, attribuibili a sorgenti naturali o antropiche che generalmente si
manifestano a frequenze differenti. Vibrazioni rapide con cicli inferiori al secondo sono ben
documentate in letteratura e sono attribuibili in gran parte alle attività antropiche, causate da
impianti industriali, apparecchi domestici, traffico veicolare e a tutto ciò che vibrando trasferisce energia al terreno propagando onde sismiche (Peterson, 1993; McNamara and Buland, 2004). Le misure restrittive decretate dal Governo Italiano nel 2020 a causa del contagio da COVID-19 (http://www.governo.it/it/coronavirus-normativa) hanno ridotto significativamente le sorgenti di rumore sismico antropico che trasmettono nel terreno onde sismiche, le quali mediamente non sono avvertibili dalle persone ma rilevabili solo dagli strumenti sismici. In Italia, il territorio è monitorato in tempo reale e di continuo dalla Rete Sismica Nazionale (RSN) dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV Seismological Data Centre, 2006) con i dati della quale è possibile caratterizzare la variabilità dei livelli di rumore sismico ambientale. Alcuni lavori mostrano come sia possibile caratterizzare la variabilità del rumore sismico sul territorio nazionale, individuando origine e natura delle onde sismiche del rumore di fondo (Marzorati and Bindi, 2006; Marzorati, 2007; Marzorati and Bindi, 2008; Li et al., 2010; Vassallo et al., 2012). In questo report viene mostrata la riduzione dei livelli medi di rumore sismico nell’intervallo di frequenza tra 2 e 8 Hz per escludere sorgenti naturali a più bassa frequenza e analizzare segnali che hanno la capacità di propagarsi a distanze significative dalle sorgenti, in modo da raggiungere stazioni di rilevamento poste in grandi città italiane o nei loro dintorni. Inoltre, viene calcolata una stima dell’effetto della riduzione del rumore sismico sulla capacità di rilevamento della RSN. Sono stati analizzati i dati sismici di stazioni sismiche della RSN estraendo i valori di rumore sismico dai servizi web (INGVWS) dell’Osservatorio Nazionale Terremoti (ONT) INGV (http://webservices.ingv.it). Dati e Analisi Per evidenziare la riduzione del rumore sismico ambientale, sono state selezionate le componenti verticali di alcune stazioni sismiche della Rete Sismica Nazionale (RSN) (http://terremoti.ingv.it/instruments/network/IV) dotate di sensori velocimetrici in grado di rilevare il rumore sismico ambientale. In particolare sono state scelte stazioni situate all’interno o nei pressi di alcune grandi città italiane (Fig.1). Nel Nord Italia, vicino alle prime zone colpite dal contagio, è stato possibile selezionare le stazioni installate nelle città di Milano, Piacenza e Parma. In aggiunta, sono state selzionate altre quattro grandi città del Centro e Sud Italia, in quanto le misure restrittive hanno investito tutto il territorio italiano.
Attraverso richieste all’INGV SQLX Web Service dell’ONT (http://webservices.ingv.it/ingvws/sqlx),
sono stati estratti i dati contenenti i valori spettrali in termini di Power Spectral Density (PSD)
calcolate ogni ora nelle ore diurne tra le 08.00 UTC e le 16.00 UTC a partire dal 1 Gennaio 2019 fino
al 5 Aprile 2020. Le PSD sono estratte dalla banca dati generata con analisi automatiche delle forme
d’onda continue, calcolate dal software SQLX installato presso l’ONT (fonte
http://www.ltd.co.id/index.php/products/details/sqlx).
Da ogni PSD, sono stati estratti i valori del livello di rumore sismico nell’intervallo di frequenza tra 2
e 8 Hz. Di questi valori, è stato calcolato un valor medio giornaliero rappresentativo del livello di
rumore.
Una procedura analoga è stata utilizzata per estrarre i dati di circa 400 stazioni della rete IV
appartenenti alla RSN per comporre le mappe di capacità di rilevamento della rete.
CODICE STAZIONE CITTÀ
MILN Milano
PCN Piacenza
PRMA Parma
FIR Firenze
MA9 Roma
CMSN Napoli
SOLUN Palermo
Figura 1. Stazioni della RSN selezionate per l’analisi della riduzione dei valori di rumore in aree urbane e città in cui sono
installate o più vicine.
Risultati e Discussione
Per ogni stazione analizzata è stato prodotto un grafico (Figure da 2 a 8) che mostra i livelli medi di
rumore sismico per ogni giorno in cui le stazioni erano attive. La serie temporale completa è
rappresentata dai punti blu a partire dal 1 Gennaio 2019, pari al giorno numero 1. I dati del 2019
terminano al giorno numero 365. I dati arrivano fino al 5 Aprile 2020, giorno 461 sui grafici.
Per facilitare la lettura dei grafici sono stati messi in evidenza il giorno infrasettimanale Mercoledì
(punti rossi) e i due giorni del fine settimana, Sabato (punti magenta) e Domenica (punti verdi).
Con le linee verticali tratteggiate è stata indicata la data dei principali decreti legislativi del governo
Italiano contenenti le misure restrittive. Dal 23 Febbraio 2020 (linea tratteggiata nera) sono iniziate
le misure restrittive di circolazione delle persone nei soli 10 Comuni indicati come focolai nelle
Regioni Lombardia e Veneto. Nella prima settima di Marzo 2020 (intervallo tra le linee tratteggiate
blu e rossa) sono state attivate restrizioni di sospensione delle manifestazioni e chiusura delle scuole
nelle 3 Regioni del Nord Italia Lombardia, Veneto e Emilia Romagna e nelle Province di Savona e
Pesaro-Urbino. Il 9 Marzo 2020, la restrizione di circolazione delle persone, di manifestazioni
sportive, chiusura delle scuole e dei luoghi di cultura, oltre che la chiusura di attività commerciali,
viene estesa a tutto il territorio nazionale. Infine, il 22 Marzo vengono interrotte le attività industriali
non essenziali. Le date dei decreti sono riassunti nella Tab.1.
Data Restrizioni N. giorno Colore
23 Febbraio 2020 Divieto allontanamento e accesso, sospensione 419 nero
attività in 10 Comuni focolaio
1 Marzo 2020 Sospensione manifestazioni e scuola in 3 Regioni del 426 blu
Nord Italia e due Province (Savona e Pesaro-Urbino)
8-9 marzo 2020 Vietati spostamenti e chiusura manifestazioni, scuole 434 rosso
e luoghi culturali con estensione a tutto il territorio
nazionale
22 Marzo 2020 Chiusura attività produttive non essenziali 447 magenta
Tabella 1. Date delle principali misure restrittive adottate dal Governo Italiano per il contenimento del contagio da
COVID-19. N. giorno: numero del giorno sui grafici. Colore: colore della linea tratteggiata sui grafici.
Inoltre, nei grafici sono stati indicati i giorni dell’anno 2019 e il primo giorno del 2020 coincidenti
con le principali festività nazionali, i quali rappresentano periodi di minor attività antropica rispetto
ai giorni lavorativi, identificandoli con lettere da “a” a “g” (Tab.2). Questi giorni possono essere utilizzati come riferimento comparativo di momenti in cui ci si attende il minimo del rumore sismico ambientale dovuto a sorgenti antropiche. Per tutte le stazioni analizzate, è possibile riconoscere andamenti simili che rispecchiano le abitudini culturali della società italiana. Nel corso dell’intero anno 2019, i valori maggiori di disturbo si rilevano nei giorni infrasettimanali rappresentati dai punti blu e rossi nei grafici, quando le attività produttive e commerciali sono tutte aperte e lo spostamento merci attraverso il traffico veicolare è massimo. I valori minimi sono registrati durante le domeniche, in cui gran parte delle attività produttive sono ferme. Nei giorni di Sabato, in cui solo una parte della popolazione lavora, si registrano valori intermedi. Tali andamenti risultano chiari per i grafici di Milano, Piacenza, Parma e Napoli. Nelle restanti città gli andamenti sono meno lineari ma è possibile rilevare gli stessi effetti. Le stazioni selezionate hanno livelli di rumorosità differenti dipendenti dalla distanza dalle sorgenti e dalla composizione litologica del terreno al di sotto dei siti dove sono installati i sensori. ID Data Nome Festività Numero del giorno sul grafico a 1 Gennaio 2019 Capodanno 1 b 21 Aprile 2019 Pasqua 111 c 25 Aprile 2019 Festa della Liberazione 115 d 1 Maggio 2019 Festa del Lavoro 121 e 15 Agosto 2019 Ferragosto 227 f 25 Dicembre 2019 Natale 359 g 1 Gennaio 2020 Capodanno 366 Tabella 2. Identificativi (ID) delle festività nazionali indicate sui grafici. Come esempio, i valori di disturbo rilevati a Milano (Fig. 2) durante i giorni infrasettimanali è di circa -109 dB, simile al -110 dB rilevato a Piacenza (Fig. 3). La stazione installata a Parma risulta meno rumorosa (Fig. 4), con valori medi infrasettimanali del rumore intorno a -114 dB e Firenze (Fig. 5) di circa -112 dB. Le stazioni installate nei pressi delle due grandi metropoli di Roma e Napoli, registrano valori più rumorosi, rispettivamente intorno a -105 dB e -99 dB (Fig. 6 e Fig. 7). La stazione vicino a Palermo (Fig. 8) rileva valori particolarmente bassi probabilmente dovuti alla posizione del sito posto su un promontorio roccioso in grado di attenuare e filtrare le onde sismiche ad alta frequenza a parità di distanza dalle sorgenti.
I livelli di rumore medi durante i periodi di festa nazionale (punti da “a” a “g”) si discostano da quelli rilevati nei giorni lavorativi. Se il giorno di festa cade in un giorno infrasettimanale (punti blu o rossi), i livelli di rumore subiscono una significativa riduzione dei valori rispetto ai giorni lavorativi. Se la festività cade di Domenica (punti verdi) le riduzioni risultano minori ma sono comunque evidenti. I valori minimi di disturbo sismico sono raggiunti nei giorni di Capodanno e Natale, intorno ai ponti festivi del 25 aprile e 1 maggio e nel giorni intorno a Ferragosto in cui si registrano i valori minimi dell’anno. I dati relativi alle quattro settimane di agosto 2019 creano un ampio avvallamento nella tendenza dei dati, riflettendo la chiusura estiva di grandi impianti industriali, analogamente ai ponti di fine Aprile tra Pasqua (punto ”b”) e il 1° Maggio (“d”) e del periodo natalizio (punti “a”, “f” e “g”). A partire dalla fine di Febbraio 2020, i trend dei livelli di rumore iniziano una discesa verso il basso che diventa più ampia man mano che vengono emessi i decreti restrittivi. Tra il 23 Febbraio (linea tratteggiata nera) e il 9 Marzo (linea tratteggiata rossa) la discesa è appena accenata. Le misure restrittive, soprattutto legate alla circolazione delle persone e all’interruzione delle manifestazioni, in questo intervallo temporale riguardano solo alcuni Comuni e poi alcune Regioni del Nord Italia. La discesa dei livelli di rumore appare evidente dopo il 9 Marzo quando misure più stringenti vengono estese a tutto il territorio nazionale. In particolar modo, l’ultimo decreto del 22 Marzo che obbliga la chiusura delle attività industriali non essenziali (linea tratteggiata magenta) determina la maggiore e definitiva riduzione delle sorgenti di rumore. Come esempio per descrivere gli effetti di riduzione delle sorgenti sismiche antropiche, si possono considerare i dati della stazione MILN (Fig. 2), situata nei pressi e gestita dalla Sezione INGV di Milano, in cui gli andamenti tra i livelli di rumore dei giorni lavorativi e dei fine settimana sono ben separati. Dopo l’attuazione dei decreti restrittivi dell’8 e 9 Marzo 2020 (linea tratteggiata rossa) e soprattutto dell’ultimo decreto del 22 Marzo (linea tratteggiata magenta), nei giorni di Domenica i valori di rumore sismico scendono a valori mai raggiunti nell’anno 2019, passando da una media di -113 dB a valori intorno a -116 dB. I valori dei giorni infrasettimanali (blu e rossi) raggiungono circa -113 dB. Rispetto ai tempi di normalità del 2019 dove i valori medi erano intorno a -109 dB, la rumorosità del sito si riduce a valori paragonabili a quelli delle Domeniche e in alcuni casi sono meno rumorosi dei minimi raggiunti nei periodi di festività e vacanza, ad esempio se si prende a pargone Agosto 2019 (giorni dal 213 al 243). In quel periodo il Mercoledì centrale (14 agosto 2019, giorno 226) raggiunge un valore minimo di
circa -112.5 dB, che risulta appena più rumoroso dei Mercoledì post 22 Marzo 2020 (punti rossi dei
giorni 449 e 456).
a d
b c f
e g
Figura 2. Livelli medi di rumore sismico ambientale rilevati dalla stazione MILN installata nella città di Milano. Punti: Blu)
giorni infrasettimanali; Rosso) Mercoledì; Magenta) Sabato; Verde) Domenica. Linee tratteggiate: date delle misure
restrittive (vedi Tab.1). Lettere da “a” a “g”: valori registrati durante le festività (vedi Tab.2).
d
b c
e
f g
Figura 3. Livelli medi di rumore sismico ambientale rilevati dalla stazione PCN installata nella città di Piacenza.
Punti: Blu) giorni infrasettimanali; Rosso) Mercoledì; Magenta) Sabato; Verde) Domenica. Linee tratteggiate: date delle
misure restrittive (vedi Tab.1). Lettere da “a” a “g”: valori registrati durante le festività (vedi Tab.2).
Gli stessi effetti possono essere notati anche nei pressi delle altre città italiane considerate. Nei dati
delle Figure da 3 a 8, si ripetono andamenti analoghi nei giorni di festività e poi a seguito dei decreti
restrittivi la riduzione della rumorosità, anche se non esattamente uguali alla Fig.2. Infatti, le misure
più restrittive estese a tutta la nazione a partire dal 9 Marzo 2020 (linee tratteggiate rosse), le quali
portano a ridurre progressivamente e stabilizzare le sorgenti di rumore sismico antropico fino al 22
Marzo (linea tratteggiata magenta), sono rilevabili da Nord a Sud in tutta Italia.
e g
b d f
a c
Figura 4. Livelli medi di rumore sismico ambientale rilevati dalla stazione PRMA installata nella città di Parma.
Punti: Blu) giorni infrasettimanali; Rosso) Mercoledì; Magenta) Sabato; Verde) Domenica. Linee tratteggiate: date delle
misure restrittive (vedi Tab.1). Lettere da “a” a “g”: valori registrati durante le festività (vedi Tab.2).
d g
f
Figura 5. Livelli medi di rumore sismico ambientale rilevati dalla stazione FIR installata nella città di Firenze.
Punti: Blu) giorni infrasettimanali; Rosso) Mercoledì; Magenta) Sabato; Verde) Domenica. Linee tratteggiate: date delle
misure restrittive (vedi Tab.1). Lettere da “a” a “g”: valori registrati durante le festività (vedi Tab.2).
a c d f
g
e
Figura 6. Livelli medi di rumore sismico ambientale rilevati dalla stazione MA9 installata nei pressi della città di Roma.
Punti: Blu) giorni infrasettimanali; Rosso) Mercoledì; Magenta) Sabato; Verde) Domenica. Linee tratteggiate: date delle
misure restrittive (vedi Tab.1). Lettere da “a” a “g”: valori registrati durante le festività (vedi Tab.2).
f
c d
a g
e
Figura 7. Livelli medi di rumore sismico ambientale rilevati dalla stazione CMSN installata nei pressi della città di Napoli.
Punti: Blu) giorni infrasettimanali; Rosso) Mercoledì; Magenta) Sabato; Verde) Domenica. Linee tratteggiate: date delle
misure restrittive (vedi Tab.1). Lettere da “a” a “g”: valori registrati durante le festività (vedi Tab.2).
d
c e g
f
Figura 8. Livelli medi di rumore sismico ambientale rilevati dalla stazione SOLUN installata nei pressi della città di
Palermo. Punti: Blu) giorni infrasettimanali; Rosso) Mercoledì; Magenta) Sabato; Verde) Domenica. Linee tratteggiate:
date delle misure restrittive (vedi Tab.1). Lettere da “a” a “g”: valori registrati durante le festività (vedi Tab.2).
Per avere un’idea preliminare della portata dell’effetto della riduzione dei livelli di rumore e del
miglior rapporto S/N dovuta alle misure restrittive, sono stati analizzati i valori ottenuti
dall’estrazione delle PSD delle ore notturne (dalle 00 UTC alle 03 UTC), in cui normalmente le attività
antropiche si riducono. In Fig. 9 sono mostrati i risultati ottenuti dalla stazione MILN per la città di
Milano.
Come atteso, la prima evidenza è che l’intervallo di rumorosità passa da [-108, -116] dB delle ore
diurne di Fig. 2, a [-112, -120] dB delle ore notturne di Fig.9.
In secondo luogo, è evidente che in Fig.9 spariscono le tendenze rilevate nelle ore diurne di Fig. 2,
sia per quel che riguarda la stabilità dei valori, sia per l’andamento regressivo a seguito delle misure
restrittive.
I dati notturni sono più confusi e meno lineari ma mostrano un andamento annuale che appare
seguire un ciclo stagionale. I minimi si rilevano nei giorni corrispondenti ai mesi invernali (il primo
intervallo da 1 a 80 e il secondo dal 355 al 446) mentre i massimi nel periodo estivo (dal giorno 173
al 265).
Dal resoconto sulle temperature di Milano nel 2019 della Fondazione Osservatorio Meteorologico
Milano Duomo (OMD, https://www.fondazioneomd.it/single-post/2020/01/08/Resoconto-del-
2019-a-Milano-1) si evince che i mesi di Febbraio e Marzo (giorni dal 32 al 91), giugno (giorni dal 152
al 181) e dicembre (dal 335 al 365) risultano oltre la norma delle temperature, mentre il mese di
Maggio (giorni dal 121 al 151) è l’unico periodo in cui sono state rilevate temperature inferiori allaFigura 9. Livelli medi di rumore sismico ambientale rilevati nelle ore NOTTURNE dalla stazione MILN installata nella città di Milano. Punti: Blu) giorni infrasettimanali; Rosso) Mercoledì; Magenta) Sabato; Verde) Domenica. Linee tratteggiate: date delle misure restrittive (vedi Tab.1). media. Questi dati meteorologici sono riflessi nel grafico di Fig. 9 per quel che riguarda i valori infrasettimanali (in rosso i Mercoledì per facilità di lettura). Questo induce a pensare che i valori notturni di rumorosità di fondo subiscano l’effetto delle condizioni di temperatura e pressione quando non è possibile coibentare completamente sensori velocimetrici a larga banda come quello di cui è dotata la stazione MILN. Questo è normale anche in considerazione dell’evidenza dei dati esposti dalla Fondazione OMD in cui si dichiara che la temperatura media del 2019 a Milano è stata la più alta dal 1897. Per quel che riguarda i valori di rumore di fondo notturno a seguito delle misure restrittive del 2020, si ha un unico effetto di rendere i dati meno sparsi, ma i valori assoluti medi non intaccano l’andamento stagionale di risalita primaverile (dal giorno 445 circa). Il valor medio di circa -118 dB è lo stesso rilevato nel 2019 nello stesso periodo stagionale. Questo valore spiega il motivo per cui non si nota l’effetto delle misure restrittive: i valori diurni raggiungono minimi tra i -115 dB e i -116 dB, superiori al -118 dB dei valori notturni. Questo implica che l’effetto delle misure restrittive è leggermente inferiore a quello che si ottiene in condizioni di normalità durante le ore notturne. Perciò il miglioramento del rapporto S/N avviene solo durante il giorno, mentre nelle ore notturne, anche con le misure restrittive, non si ha nessun effetto sulla capacità di rilevamento dello strumento.
Per estendere la stima dell’effetto delle misure restrittive su tutto il territorio nazionale, sono state calcolate le mappe di capacità di rilevamento della RSN utilizzando i dati di circa 400 stazioni in due giorni infrasettimanali analoghi: Mercoledì 3 Aprile 2019 e Mercoledì 1 Aprile 2020. Nei grafici delle città (Figure da 2 a 8) il 1 Aprile 2020 è rappresentato dall’ultimo punto rosso, il quale raggiunge i livelli minori di rumore infrasettimanale a seguito delle misure restrittive e per questo scelto come esempio per le analisi. Le mappe delle Figure da 10 a 13 rappresentano le soglie di magnitudo rilevabili dalla rete per eventi sismici a 5 chilometri di profondità, forme d’onda interpretabili su almeno 8 stazioni con un rapporto S/N>=6 e in una banda di frequenza tra 2 e 15 Hz. Questi parametri simulano procedure di picking automatico degli eventi di simicità locale. La procedura di calcolo è analoga a quella descritta in Marzorati e Cattaneo 2016. La stima dei rapporti S/N è determinata da una relazione empirica tra ampiezza, distanza e magnitudo calibrata per l’Italia centro orientale in cui sono rilevabili anche magnitudo molto piccole come mostrano le Fig.10 e Fig.11. Questa è una buona approssimazione estesa a tutto il territorio nazionale e valida in ogni caso in termini comparativi come quelli mostrati di seguito. Inoltre le stime sono state eseguite con le sole stazioni della rete IV della RSN INGV (http://terremoti.ingv.it/instruments/network/IV) escludendo le stazioni acquisite da altri enti. Mentre sono abbastanza rari, in termini relativi, eventi sismici più superficiali di 5 chilometri, sono molto più frequenti gli eventi più profondi fino a 15 chilometri, escludendo profondità ancora maggiori in zone di subduzione o approfondimento delle strutture della crosta terrestre. Quindi, le mappe di capacità di rilevamento a 5 chilometri di profondità mostrano il limite inferiore delle soglie di magnitudo minima, in quanto per sismicità più profonda le sorgenti risulterebbero maggiormente distanti dalla rete con la conseguente riduzione di capacità di rilevamento, aumentando le soglie di magnitudo minima. Nelle mappe di Fig.10 e Fig.11, relative a Mercoledì 3 Aprile 2019, considerato come giorno di normalità, si nota l’effetto della riduzione di rumorosità dovuta al ciclo culturale giorno-notte, in cui le attività antropiche si riducono nelle ore notturne, permettendo una maggior capacità di rilevazione della RSN, evidenziata al colpo d’occhio dalla maggior estensione delle aree blu ed azzurre nella Fig.11 rispetto alla Fig.10. Quindi, anche in condizioni normali, la rete sismica è in grado di rilevare più terremoti di magnitudo piccole nelle ore notturne rispetto alle ore diurne (Marzorati e Cattaneo, 2015).
Figura 10. Mappa della capacità di rilevamento della RSN valida per il giorno Mercoledì 3 Aprile 2019, ore DIURNE dalle 08.00 UTC alle 16.00 UTC. Scala di colori: soglia di magnitudo rilevabile. Triangoli bianchi: stazioni utilizzate per il calcolo delle soglie di magnitudo. Triangoli neri: stazioni per cui non sono disponibili dati. Triangoli rossi: stazioni escluse dal calcolo per caratteristiche strumentali o malfunzionamenti. Le Fig. 12 e 13 mostrano i risultati nelle stesse condizioni settimanali e stagionali ma per il giorno Mercoledì 1 Aprile 2020, periodo di massima riduzione di rumorosità a seguito delle misure restrittive. In questo caso l’effetto differenziale tra giorno (Fig.12) e notte (Fig.13) è meno evidente grazie alla riduzione di rumorosità diurna dovuto alle misure restrittive. Gli effetti giorno-notte sono più evidenti lungo la dorsale appenninica rispetto a zone industrializzate come il Nord Italia perché la rumorosità è minore e la densità di rete segue sia la diffusione della sismicità sia le zone ad alta pericolosità sismica e vulcanica.
Figura 11. Mappa della capacità di rilevamento della RSN valida per il giorno Mercoledì 3 aprile 2019, ore NOTTURNE dalle 00.00 UTC alle 03.00 UTC. Scala di colori: soglia di magnitudo rilevabile. Triangoli bianchi: stazioni utilizzate per il calcolo delle soglie di magnitudo. Triangoli neri: stazioni per cui non sono disponibili dati. Triangoli rossi: stazioni escluse dal calcolo per caratteristiche strumentali o malfunzionamenti. Per quantificare l’effetto delle misure restrittive, sono state calcolate le differenze di soglia di magnitudo tra le mappe di rilevabilità, andando a compiere una sottrazione puntuale in tutta l’area ricoperta. Sottraendo ai valori di soglia di rilevamento delle ore diurne del 1 Aprile 2020 a quelle del 3 Aprile 2019 si ottiene la mappa di Fig.14 che è un esempio dell’aumento (valori positivi) o della diminuzione (valori negativi) di rumorosita dopo le misure restrittive. Per quel che riguarda le aree urbanizzate e industrializzate, l’effetto di guadagno di rilevabilità nelle ore diurne si nota in ampie zone del Nord Italia, il quale rimane comunque minore di 0.25 gradi di
Figura 12. Mappa della capacità di rilevamento della RSN valida per il giorno Mercoledì 1 aprile 2020, ore DIURNE dalle 08.00 UTC alle 16.00 UTC. Scala di colori: soglia di magnitudo rilevabile. Triangoli bianchi: stazioni utilizzate per il calcolo delle soglie di magnitudo. Triangoli neri: stazioni per cui non sono disponibili dati. Triangoli rossi: stazioni escluse dal calcolo per caratteristiche strumentali o malfunzionamenti. magnitudo. Una parte dell’area veronese e della fascia pedealpina veneta, ad est del lago di Garda, arriva a guadagnare tra 0.25 e 0.50 gradi di magnitudo, pari all’area intorno a Roma e alcune zone dell’Appennino centrale. Tali valori di guadagno di capacità di rilevamento potrebbero essere significativi in quelle aree, come quella dell’Appennino centrale, in cui la rete ha soglie di rilevamento pari a quelle di guadagno, quindi inferiori a 0.5 gradi di magnitudo. Al contrario, in altre aree, ad esempio il Nord Italia, sia per la soglia minima di magnitudo, sia per i minor ratei di sismicità, non è atteso un numero di eventi significativamente maggiore di quello che si registrerebbe in tempi normali.
In Fig.15 si compara l’entità dell’effetto GIORNO-NOTTE nel 2019 in condizioni di normalità (Fig.15a) rispetto a quello ottenuto dopo le misure restrittive del 2020 (Fig.15b). Le due mappe differenziali evidenziano un effetto paragonabile, leggermente più marcato nel 2019, dimostrando che la riduzione di rumorosità dovuta alle misure restrittive è significativo soprattutto nelle ore diurne ma minimo rispetto a ciò che si raggiunge in condizioni di normalità durante la notte. Infatti, paragonando le ore notturne del 1 aprile 2020 rispetto a quelle del 3 Aprile 2019 (Fig.15c), nel Nord Italia le variazioni dei valori di rilevabilità sono 0.00 ± 0.25, con una prevalenza di valori negativi nell’area della pianura padana che indica il lieve effetto ottenuto dalle misure restrittive nelle ore notturne. Tenendo in considerazione i tempi di normalità in cui, in un’area urbanizzata ed industrializzata come il Nord Italia, dove vivono circa 10 milioni di persone, le soglie di minima magnitudo rilevabile si aggirano intorno a valori tra 1.0 e 2.0 (Fig.10 e Fig.11), a seconda delle zone, dell’ora del giorno e del tipo di giorno feriale/festivo e che le aree della pianura padana si spostano più verso il valore 2.0, variazioni dell’ordine di 0.25-0.50 gradi di magnitudo non sono tali da ipotizzare un significativo incremento della sismicità registrata. Una verifica preliminare a supporto di questa ipotesi può essere illustrata estraendo dal catalogo terremoti INGV gli eventi sismici di qualsiasi magnitudo, localizzati nei primi trenta giorni successivi al 22 Marzo 2020, giorno di chiusura delle attività industriali non essenziali, e paragonati a quelli dello stesso periodo nel 2019. Il risultato è mostrato in Fig.16 in cui sono mappati gli eventi sismici registrati nel Nord Italia dal 23 Marzo al 23 aprile, sia del 2019 (eventi verdi), sia nel 2020 (eventi blu). In entrambi gli intervalli temporali del 2019 e 2020, la sismicità oltre ad avvenire praticamente nelle stesse zone, in quanto non sono presenti sequenze sismiche rilevanti, appare dello stesso ordine di magnitudo. Nell’area della pianura padana, nell’intervallo 2020 dopo le misure restrittive sono stati registrati alcuni terremoti ma tutti di magnitudo superiore a 2.0, tranne due casi di magnitudo tra 1.6 e 2.0. Dalle analisi condotte sulla capacità di rilevamento, si può affermare che tali eventi sarebbero stati registrati anche in condizioni di normalità, in quanto la magnitudo è superiore alla soglia minima della capacità di rilevamento della rete. Questo è testimoniato anche dalla presenza di alcuni eventi del 2019 di magnitudo compresa tra 1.6 e 2.0.
Figura 13. Mappa della capacità di rilevamento della RSN valida per il giorno Mercoledì 1 aprile 2020, ore NOTTURNE dalle 00.00 UTC alle 03.00 UTC. Scala di colori: soglia di magnitudo rilevabile. Triangoli bianchi: stazioni utilizzate per il calcolo delle soglie di magnitudo. Triangoli neri: stazioni per cui non sono disponibili dati. Triangoli rossi: stazioni escluse dal calcolo per caratteristiche strumentali o malfunzionamenti.
Figura 14. Effetto delle misure restrittive sulla capacità di rilevamento della RSN nelle ore DIURNE. Scala di colori: differenza di magnitudo rilevabile tra i valori della mappa di Fig.12 rispetto a quelli di Fig.10. I valori negativi indicano il guadagno di capacità di rilevamento nelle ore diurne a seguito delle misure restrittive.
a
b
)
c
Figura 15. Differenza di capacità di rilevamento della RSN nel Nord Italia tra il GIORNO e la NOTTE.
In a) e b), i valori positivi indicano zone a maggior rumorosità delle ore diurne rispetto alle ore notturne.
In c) i valori negativi indicano il guadagno di capacità di rilevamento nelle ore notturne post misure restrittive.
a) Mercoledì 3 Aprile 2019. Scala di colori: differenza di magnitudo rilevabile tra i valori della mappa di Fig.10 rispetto a
quelli di Fig.11.
b) Mercoledì 1 Aprile 2020. Scala di colori: differenza di magnitudo rilevabile tra i valori della mappa di Fig.12 rispetto a
quelli di Fig.13.
c) Ore notturne del 1 Aprile 2020 rispetto a quelle notturne del 3 aprile 2019. Scala di colori: differenza di magnitudo
rilevabile tra i valori della mappa di Fig.13 rispetto a quelli di Fig.11.Figura 16. Eventi sismici registrati dalla RSN dal 23 marzo al 23 aprile. Verde: eventi 2019. Blu: eventi 2020. Fonte dati: http://terremoti.ingv.it Conclusioni La registrazione di forme d’onda in continuo da parte della RSN dell’INGV permette di seguire la riduzione dei livelli di rumore sismico ambientale indotti dalla riduzione forzata delle sorgenti di rumore antropiche a seguito delle misure restrittive attuate dal Governo Italiano a protezione del contagio da COVID-19. L’utilizzo di sensori ad alte prestazioni permette di rilevare la microsismicità su tutto il territorio nazionale, sia dovuta a eventi sismici crostali e vulcanici, sia dovuta alle vibrazioni indotte da altri tipi di sorgenti naturali e antropiche. L’analisi delle bande di frequenza spettrali in cui emergono i disturbi antropici evidenziano e quantificano la riduzione dei livelli medi di rumore sismico ambientale a seguito dell’attuazione delle misure restrittive. L’effetto di riduzione risulta marcato a partire dal giorno 9 Marzo 2020 quando le
misure vengono estese dalle aree del Nord Italia a tutto il territorio nazionale e soprattutto quando vengono interrotte le attività industriali non essenziali a partire dal giorno 22 Marzo 2020. Dopo tale giorno, nelle città italiane si rilevano livelli di rumore sismico ambientale minori di quelle rilevate per tutto l’anno precedente, facendo emergere l’effetto vibratorio indotto dalle attività antropiche in tempi di normalità. Infatti, durante le Domeniche successive al 9 Marzo 2020, i minimi di rumorosità si riducono ulteriormente rispetto alle Domeniche di normalità e rispetto a tutti i giorni di festività del 2019, lasciando intendere che le misure restrittive del Governo Italiano hanno avuto un effetto maggiore di quello dato dalle consuetudini culturali e socio-politiche della nazione. Dal momento che i siti dove sono installate le stazioni diventano meno rumorosi dal punto di vista sismico, questo può permettere di migliorare la capacità di rilevamento della RSN. Considerando i valori registrati dalla stazione MILN nella città di Milano nelle ore notturne, si evince che l’effetto delle misure restrittive sulla capacità di rilevamento di terremoti ha effetto solo di giorno e ha un’ampiezza non superiore a quello che già si ottiene con la riduzione delle attività antropiche durante la notte nelle condizioni di normalità. L’analisi sulla stima della variazione di capacità di rilevamento della RSN indica che le misure restrittive hanno indotto un effetto di miglioramento nelle ore diurne dell’ordine di 0.25 gradi di magnitudo e non superiore a 0.5. La rilevazione di microsismicità naturale nel Nord Italia durante il primo mese successivo alla chiusura degli impianti industriali risulta inalterato, sia per il contenuto effetto di riduzione del rumore sismico ambientale sia perché non sono variate le condizioni di geometria della rete, della profondità e distanza degli eventi e dei ratei di sismicità. I risultati mostrati andranno completati da quelli registrati successivamente all’interruzione di tutte le norme restrittive, in modo da tracciare il ritorno dei livelli di rumorosità ai valori precedenti all’emergenza. Ringraziamenti Si ringraziano tutti i Tecnici, Tecnologi e Ricercatori di tutte le Sezioni INGV che ogni giorno si occupano della manutenzione della RSN, dell’acquisizione e archiviazione dei dati, senza i quali qualsiasi analisi scientifica sulla sismicità del territorio italiano con dati di qualità non sarebbe possibile. Si ringraziano Valentino Lauciani (INGV ONT) per l’implementazione dei web services INGV e l’installazione del software SQLX nei sistemi di analisi automatica dei livelli di rumore della RSN, e
Alfonso Mandiello (INGV ONT) per la gestione del software, nonché tutto il personale delle Unità Funzionali alle quali afferiscono. Le figure sono state generate con Matplotlib (10.5281/zenodo.3714460), GMT© (Wessel et al., 2019), ArcGis Desktop 10.6.1 ESRI©. L’analisi dei dati è stata effettuata con codice scritto in Python3 (python.org), PHP (php.net) e Fortran. Riferimenti INGV Seismological Data Centre. (2006, January 1). Rete Sismica Nazionale (RSN). Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), Italy. https://doi.org/10.13127/SD/X0FXNH7QFY Li H., Bernardi F., Michelini A. (2010), Surface wave dispersion measurements from ambient seismic noise analysis in Italy, Geophys. J. Int., 180, 1242–1252, doi: 10.1111/j.1365-246X.2009.04476.x Marzorati S. (2007), Fenomenologia del Noise Sismico Ambientale: dalla conoscenza del segnale alle applicazioni empiriche, Tesi di dottorato, hdl.handle.net/2122/7960 Marzorati S. and Bindi D. (2006), Ambient Noise Levels in North Central Italy, Geochem. Geophys. Geosyst., 7, doi:10.1029/2006GC001256. Marzorati S. and Bindi D. (2008), Characteristics of ambient noise cross correlations in northern Italy within the frequency range of 0.1-0.6 Hz, Bull. seism. Soc. Am., 98, 1389–1398 Marzorati S. e Cattaneo M. (2016), Stima automatica della magnitudo minima rilevabile dalla rete sismica ReSIICO, Quaderni di Geofisica, 136, http://editoria.rm.ingv.it/quaderni/2016/quaderno136 McNamara D. E. and Buland R.P. (2004), Ambient Noise Levels in the Continental United States, Bull. Seismol. Soc. Am. 94, 4, 1517–1527 Peterson J. (1993), Observation and modeling of seismic background noise, U.S. Geol. Surv. Open- File Rept. 93-322, 94 pp.
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