Fig.1: Distribuzione delle stazioni della rete RING.

Fig. 2 - Esempi di monumentazioni geodetiche usate per la rete RING. A) stazione RING completa, B) antenna montata su pilastrino in cemento armato, C) antenna montata su tripode superficiale, D) antenna montata su edificio.

Il monitoraggio delle deformazioni del suolo attraverso reti di stazioni Global Navigation Satellite System (GNSS) costituisce uno dei principali compiti istituzionali dell’INGV. Globalmente, i dati forniti dalle reti GNSS hanno permesso un significativo passo avanti delle conoscenze sui processi di accumulo e rilascio di deformazione, durante le varie fasi del ciclo sismico. Le motivazioni che hanno spinto alla realizzazione, e continua densificazione della rete RING sono legate alla necessità di meglio comprendere quali sono i tassi e le direzioni di spostamento dei blocchi crostali che compongono il complesso mosaico tettonico del Mediterraneo centrale, e misurare, con il maggior dettaglio spaziale possibile, i tassi di deformazione lungo la catene Appenninica ed Alpina, dove si concentra la maggior parte del rilascio di energia sismica nel nostro paese.

La rete RING è attualmente costituita da 207 stazioni GNSS attive in Italia, Grecia e Malta (Fig. 1). La rete è stata installata a partire dal 2004 per il monitoraggio delle deformazioni del suolo in aree non-vulcaniche. Alla RING, infatti, si associano reti GNSS più dense per il monitoraggio dei vulcani attivi. La rete RING è stata realizzata nell’ambito di varie convenzioni e progetti, molti dei quali, ormai, chiusi; tra questi, le convenzioni con DPC 2004-2006 e 2007-2009, i progetti PROSIS e FIRB finanziati dal MIUR, l’APQ Sicilia e recentemente il progetto Otrions e il PON Vulcamed. Nell’ambito del progetto PON-Grint, a partire dal 2019, è previsto un significativo aggiornamento del parco strumentale, oltre che ad una densificazione della rete.

La RING è gestita da personale afferente a diverse sezioni, ed in particolare all'Osservatorio Nazionale Terremoti (ONT), la Sezione di Bologna, l’Osservatorio Etneo (OE) e l’Osservatorio Vesuviano (OV). In particolare la manutenzione e gestione della RING è coordinata dall’Osservatorio Geodetico e Sismico di Grottaminarda che si avvale dei contributi della sedi di Roma e di Bologna per il Centro e Nord Italia e della sede di Ancona per l’area umbro-marchigiana, dall’OV e dall’OE, invece, per le stazioni GPS rispettivamente della Sicilia e dell’area campana. L’installazione di stazioni RING in Grecia e Malta sono il frutto di collaborazioni scientifiche rispettivamente con il National Observatory of Athens e l’University of Malta.

La quasi totalità dei sensori GNSS installati trasmettono i dati, sia in tempo reale che in quasi real time, presso le sedi di Roma, Grottaminarda e Ancona. Il sistema di trasmissione si avvale prevalentemente di vettori satellitari (TCP/IP, UDP, VSAT, Broadsat) e collegamenti internet o intranet, cablati o wireless (Wi-Fi e GPRS/UMTS).

Vista la complessità geologica del territorio italiano, le stazioni della rete RING sono state realizzate, negli anni, utilizzando diverse tipologie di monumentazione geodetica. In Fig. 2 ne sono riportati alcuni esempi. La maggior parte delle stazioni della rete RING sono state realizzate utilizzando un tripode superficiale in acciaio (https://webring.gm.ingv.it/index.php/ring-infrastructure/#sites).

Il controllo di qualità e l’archiviazione del dato GPS e delle informazioni ad esso relative viene fatto nella banca dati RING che è una infrastruttura tecnologica avanzata e finalizzata alla completa gestione e condivisione dei dati e del relativo contenuto informativo. I dati GPS delle stazioni RING, disponibili per l’intera comunità scientifica (https://webring.gm.ingv.it:44324/rinex/RING), sono elaborati, assieme ai dati delle altre reti operative sul territorio nazionale, da tre Centri di Analisi organizzati per garantire il processamento secondo gli standard internazionali definiti dall'International GNSS Service (IGS) e tempi di latenza contenuti, compatibilmente con la disponibilità dei prodotti IGS richiesti dai software di elaborazione e dei dati giornalieri.

Il rilevamento del campo elettromagnetico naturale all’interno della cavità magneto-ionosferica è di notevole rilevanza per un duplice motivo. Da una parte è alla base di studi per la miglior comprensione dei fenomeni relativi alla fisica della magnetosfera e della ionosfera, dall'altra è alla base delle ricerche di eventuali emissioni di segnali ULF-VLF provenienti dalle strutture interne della Terra.

Le frequenze dei segnali investigati vanno dalla regione più bassa dello spettro dove è attiva una rete di sensori magnetici per frequenze ULF e stazioni di rilevamento per segnali elettromagnetici fino a frequenze di 25 kHz. In questo range ricadono anche gli effetti di fulmini, spherics, whistler e tweeks, che costituiscono tipici esempi di emissioni elettromagnetiche innescate da impulsi di energia all’interno della cavità Terra-Ionosfera.

La nuova rete sperimentale Cassandra per il monitoraggio elettromagnetico in banda VLF si affianca alla rete IRON per il monitoraggio del gas radon in una campagna di studio sistematico e comparato dei precursori sismici che impiegherà anche algoritmi a rete neurale. La rete prevede 4 siti distribuiti lungo l’Appennino.

In esperimenti di laboratorio, su rocce portate alla rottura con compressione uniassiale, il monitoraggio dello spettro elettromagnetico a bassissima frequenza (ELF – VLF) ha evidenziato l’esistenza di emissioni elettromagnetiche impulsive associate alla microfratturazione necessaria all’enucleazione della frattura. Un analogo processo di emissione è stato riscontrato anche sui versanti di roccia calcarea immediatamente dopo l’abbattimento di fronti di cava: stavolta in condizioni di sforzo distensivo durante il processo di assestamento dei versanti. Queste esperienze sperimentali lasciano sperare la possibilità di individuare anche in natura delle emissioni elettromagnetiche a bassissima frequenza generate spontaneamente dal processo meccanico di preparazione del terremoto. In sostanza si tratterebbe di un precursore associato, come molti altri, alla dilatanza della roccia ma in questo caso si tratterebbe di una radiazione generata direttamente e sistematicamente dalla dilatanza.

Appare quindi promettente il monitoraggio continuo della radiazione elettromagnetica VLF come possibile precursore sismico. Tuttavia, come per ogni altro fenomeno precursore, non bisogna lasciarsi impressionare dal nome: allo stato attuale della ricerca non è ancora possibile un impiego operativo al fine della previsione. La migliore strategia è invece lo studio comparato del maggior numero possibile di potenziali precursori.

I segnali radio nella banda VLF hanno centinaia di chilometri di lunghezza d’onda. L’antenna attiva impiegata nella rete di monitoraggio è lunga solamente un metro e lavora come ricevitore di campo della sola componente campo elettrico. La banda di lavoro si estende da 20 Hz a 20 kHz, con una risposta uniforme nell’intervallo tra 1 e 13 kHz e sensibilità di 1μV. Il monitoraggio avviene in modo continuo alla frequenza di campionamento di 44100 Hz, che è la stessa usata nei CD musicali.

La banda di lavoro delle stazioni di monitoraggio VLF corrisponde a quella delle frequenze acustiche e il segnale elettromagnetico, convertito in segnale elettrico, viene analizzato attraverso spettrogrammi acustici o “sonogrammi”.