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I tuoni possono svelare cosa si nasconde sotto i nostri piedi
Un gruppo di ricercatori della Penn State ha dimostrato che l'energia trasferita dai tuoni al terreno può essere utilizzata per ricostruire la struttura del sottosuolo. Il metodo trasforma i cosiddetti thunderquake, piccoli eventi sismici prodotti dai temporali, in una sorgente naturale per osservare gli strati più vicini alla superficie, senza attendere terremoti e senza generare onde mediante esplosivi.
Il fenomeno nasce quando un fulmine produce lungo il proprio percorso una successione di bolle di plasma surriscaldato. Ogni bolla genera un'onda d'urto acustica, creando una catena di segnali provenienti da quote e posizioni differenti. Quando raggiunge il suolo, parte dell'energia si propaga in profondità, mentre un'altra componente forma onde di Rayleigh che viaggiano lungo la superficie terrestre.
Interpretare questi segnali è complicato perché terreno soffice, roccia compatta, edifici e altre infrastrutture modificano il trasferimento dell'energia. I ricercatori hanno quindi sviluppato una simulazione basata su SPECFEM3D Cartesian, software dedicato alla ricostruzione tridimensionale delle onde sismiche. Il modello atmosferico considera uno strato omogeneo spesso 3,6 chilometri e dilata virtualmente i primi 20 metri di terreno fino a 200 metri per compensare alcuni limiti di calcolo.
La verifica sperimentale è stata effettuata sfruttando una linea in fibra ottica predisposta per il rilevamento sismico sotto il campus. Il collegamento, lungo 4 chilometri, funziona come una sequenza continua di sensori: le variazioni microscopiche provocate dalle onde alterano il segnale luminoso e permettono di misurare come le vibrazioni si spostano lungo il tracciato.
Due anni di osservazioni hanno prodotto 458 eventi sufficientemente definiti, verificati attraverso i registri della rete statunitense di rilevamento dei fulmini. Ogni impatto acustico sul terreno ha generato un impulso ad alta energia seguito da una coda dominata dalle onde superficiali, con una durata compresa tra uno e due secondi. La molteplicità degli impulsi riflette la geometria irregolare del fulmine nell'atmosfera.
Elaborando queste misure, il gruppo ha individuato quattro zone deboli nelle quali le onde rallentano attraversando materiali meno rigidi. Le anomalie possono indicare sedimenti, rocce fratturate oppure concentrazioni elevate d'acqua. Il risultato è coerente con la natura carsica dell'area, dove l'acqua ha modificato nel tempo il substrato calcareo, creando cavità e discontinuità.
Le quattro anomalie sono state confrontate con radar per la deformazione superficiale, rilievi ingegneristici, perforazioni e dati sismici indipendenti. La corrispondenza ottenuta mostra che, pur ricorrendo a diverse approssimazioni, il modello fornisce ricostruzioni utilizzabili. I temporali potrebbero così alimentare un imaging sismico frequente e non invasivo degli strati superficiali, dove si trovano fondazioni, tubazioni, strade e gran parte delle infrastrutture urbane.
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