Geografia

Terremoti: onde P e S, magnitudo e 8 esercizi svolti

Un terremoto è il rilascio improvviso di energia lungo una faglia: nasce all'ipocentro, si misura con la magnitudo. Tabelle, scale e 8 esercizi svolti.

Consigliato per: 1ª media · 2ª media · 3ª media

Un terremoto (o sisma) è una vibrazione improvvisa del suolo causata dalla rottura delle rocce in profondità. Le rocce della crosta sono sottoposte per secoli a una spinta lenta, quella delle placche, e accumulano energia come una molla che si carica. Quando lo sforzo supera la resistenza della roccia, la faglia si spezza, i due blocchi scorrono uno rispetto all’altro e l’energia accumulata si libera in pochi secondi sotto forma di onde sismiche.

La domanda che organizza tutto l’argomento è: come si descrive un terremoto con dei numeri. Dove è nato (ipocentro), quanto è forte (magnitudo), quanto ha colpito un luogo (intensità) e a che distanza è avvenuto (ritardo tra le onde).

Le parole da conoscere

TermineCosa significa
fagliafrattura della crosta lungo cui scorrono due blocchi di roccia
ipocentro (fuoco)punto in profondità dove la roccia si rompe: qui nasce il terremoto
epicentropunto in superficie sulla verticale dell’ipocentro
onde sismichevibrazioni che partono dall’ipocentro e attraversano la Terra
sismografostrumento che registra le vibrazioni del suolo
sismogrammail grafico tracciato dal sismografo
sciame sismicoserie di molte scosse piccole, senza una scossa principale
scossa di assestamentoscossa più debole che segue quella principale, per giorni o mesi

Le onde sismiche: P, S e di superficie

OndaMoto del terrenoVelocità tipicaQuando arrivaEffetto
P (primarie)compressione avanti-indietro, come una molla5-7 km/s nella crostaper primecolpo secco, poco distruttive
S (secondarie)oscillazione laterale, su-giù3-4 km/sdopo le Pscuotimento forte, molto dannose
Loveoscillazione orizzontale in superficiesotto i 4 km/sper ultimemolto distruttive
Rayleighmovimento circolare, come le onde del maresotto i 4 km/sper ultimemolto distruttive

Le onde P attraversano solidi, liquidi e gas; le S passano solo nei solidi. È così che si è scoperto che il nucleo esterno della Terra è liquido: le S non lo attraversano, come si vede nella struttura della Terra. Il ritardo tra P e S è anche lo strumento per localizzare un terremoto, come mostra l’esercizio 4.

Perché avvengono: le placche

I terremoti non sono distribuiti a caso: circa il 90% avviene lungo i margini delle placche, in particolare nella “cintura di fuoco” del Pacifico, la stessa dove si trova la maggior parte dei vulcani.

MargineCosa accadeEsempio
convergenteuna placca si scontra o scivola sotto l’altra: terremoti i più forti e profondiGiappone, Cile, Appennino
divergentedue placche si allontanano: terremoti deboli e superficialidorsale medio-atlantica, Rift africano
trasformedue placche scorrono di latofaglia di Sant’Andrea (California)

Quasi tutti i terremoti sono tettonici. Ne esistono di altri tipi, molto meno frequenti: vulcanici (legati al movimento del magma), da crollo (cavità sotterranee che cedono) e indotti dall’uomo (iniezione di fluidi, grandi invasi).

La profondità dell’ipocentro

TipoProfonditàNote
superficiale0-70 kmcirca 3 terremoti su 4, i più dannosi
intermedio70-300 kmfrequenti nei margini convergenti
profondo300-700 kmsi sentono su aree vaste ma con danni modesti

Un’informazione che stupisce: sotto il Tirreno meridionale ci sono terremoti profondi anche 500 km, legati alla placca ionica che scende sotto la Calabria. Il perché dei pochi danni è nell’esercizio 7.

Magnitudo e intensità: due scale diverse

MagnitudoIntensità
cosa misural’energia rilasciata alla sorgentegli effetti in un luogo
quanti valori per terremotouno solotanti, uno per ogni località
strumentosismografoosservazione di danni e percezione
scaleRichter (ML), magnitudo momento (Mw)Mercalli-Cancani-Sieberg (MCS), EMS-98
valorinumeri decimali (6,0; 6,9)gradi in numeri romani, I-XII

La scala della magnitudo è logaritmica: +1 vuol dire ampiezza × 10 ed energia × 31,6. Chi ha dimestichezza con le proprietà delle potenze ci arriva subito: l’energia cresce come 10^(1,5 M), e gli esercizi 5 e 6 fanno i conti.

MagnitudoEffetti tipiciQuanti all’anno nel mondo
< 3quasi mai avvertitocentinaia di migliaia
3-3,9avvertito da pochi, nessun dannocirca 130.000
4-4,9oggetti che oscillano, danni raricirca 13.000
5-5,9danni agli edifici più debolicirca 1.300
6-6,9distruttivo in un raggio di circa 100 kmcirca 130
7-7,9grave, danni su vaste areecirca 15
8 e oltrecatastrofico, a centinaia di kmcirca 1

Il più forte mai misurato è quello del Cile del 1960, con magnitudo momento 9,5.

I terremoti in Italia

L’Italia è uno dei paesi più sismici del Mediterraneo perché si trova nel punto di scontro tra la placca africana e quella euroasiatica. Le zone più colpite sono l’Appennino, dal Nord al Sud, la Calabria, la Sicilia e il Friuli. Il territorio è classificato in quattro zone sismiche (zona 1 = pericolosità massima, zona 4 = minima). I dati ufficiali sono forniti dall’INGV, l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia.

TerremotoMagnitudoVittime
Messina-Reggio Calabria, 1908circa 7,1decine di migliaia (stima fino a circa 80.000), anche per lo tsunami
Friuli, 19766,5circa 990
Irpinia, 19806,9circa 2.900
L’Aquila, 20096,3309
Amatrice, 20166,0299
Norcia, 20166,5nessuna vittima, ma danni enormi al patrimonio

Il caso di Norcia, senza vittime nonostante la magnitudo 6,5, mostra che non conta soltanto la magnitudo: contano l’ora della scossa, la qualità degli edifici e la distanza dai centri abitati.

Cosa fare durante un terremoto

  • Durante la scossa: ripara sotto un tavolo robusto o accanto a un muro portante, lontano da finestre, specchi e mobili alti; non usare l’ascensore.
  • Dopo la scossa: esci con calma dalle scale, non dall’ascensore, e raggiungi uno spazio aperto lontano da edifici, cornicioni e fili elettrici.
  • Tieni a portata di mano un kit di emergenza (torcia, acqua, documenti) e conosci l’area di attesa del tuo comune, indicata nel piano di protezione civile.

Gli errori più comuni

  • Confondere ipocentro ed epicentro. L’ipocentro è sotto terra e l’epicentro è sopra, in superficie.
  • Confondere magnitudo e intensità. La magnitudo è una per terremoto, l’intensità è una per luogo.
  • Pensare che la scala sia lineare. Magnitudo 8 non è il doppio di magnitudo 4: sono 10 mila volte l’ampiezza e un milione di volte l’energia.
  • Dire ‘scala Richter’ per ogni terremoto. I sismologi oggi usano la magnitudo momento (Mw), più affidabile per i terremoti forti.
  • Credere che l’epicentro sia dove ‘nasce’ la scossa. Nasce all’ipocentro; l’epicentro è solo la sua proiezione.
  • Pensare di poter prevedere i terremoti. Si calcola la probabilità, non il giorno.
  • Ritenere che i terremoti profondi siano i più pericolosi. A parità di magnitudo, i più superficiali sono quelli che scuotono di più.

Gli otto esercizi qui sotto vanno dal più semplice al più difficile e nessuno si risolve con lo stesso metodo del precedente. I primi due fissano il lessico e il calcolo con le onde P e S, il terzo usa il teorema di Pitagora per passare dall’epicentro all’ipocentro, il quarto localizza l’epicentro con il ritardo tra le onde, il quinto e il sesto lavorano sulla scala logaritmica e sull’energia, il settimo spiega perché due terremoti uguali fanno danni diversi, l’ottavo calcola la velocità di uno tsunami con la stessa idea del moto rettilineo uniforme.

Esercizi svolti

1. Associa ogni definizione al termine corretto: (a) punto in profondità in cui si rompe la roccia; (b) punto della superficie sulla verticale del primo; (c) frattura lungo cui scorrono due blocchi di roccia; (d) strumento che registra le vibrazioni del suolo; (e) onde che arrivano per prime alla stazione. base

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  1. (a) Il punto in profondità dove la roccia si spezza è l'ipocentro: è qui che il terremoto nasce davvero.
  2. (b) Il punto in superficie sulla verticale dell'ipocentro è l'epicentro: è dove di solito si sente di più.
  3. (c) La frattura lungo cui scorrono i due blocchi è la faglia.
  4. (d) Lo strumento che registra le vibrazioni è il sismografo, e il tracciato che produce è il sismogramma.
  5. (e) Le prime a arrivare sono le onde P (primarie), le più veloci.
  6. Attenzione all'errore classico: l'epicentro non è il punto in cui il terremoto 'nasce', è solo la sua proiezione in superficie.

Risultato: (a) ipocentro; (b) epicentro; (c) faglia; (d) sismografo; (e) onde P.

2. Una stazione sismica si trova a 90 km dall'ipocentro. Supponi che le onde P viaggino a 6 km/s e le onde S a 3 km/s. In quanto tempo arriva ciascuna onda e quanti secondi passano tra le due? base

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  1. Uso la relazione del moto uniforme: tempo = distanza : velocità.
  2. Onde P: 90 km : 6 km/s = 15 s.
  3. Onde S: 90 km : 3 km/s = 30 s.
  4. Differenza tra i due arrivi: 30 s - 15 s = 15 s.
  5. Controllo: la differenza deve essere positiva, perché le S sono più lente e arrivano dopo.

Risultato: Le P arrivano dopo 15 s, le S dopo 30 s: tra le due passano 15 s. È proprio questo ritardo che permette di calcolare la distanza dell'epicentro.

3. Un sismografo è a 24 km dall'epicentro in linea d'aria sulla superficie, e l'ipocentro è a 7 km di profondità. A che distanza reale dall'ipocentro si trova la stazione? Quanto impiegano le onde P (6 km/s) per arrivarci? intermedio

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  1. Distanza orizzontale e profondità sono i due cateti di un triangolo rettangolo: l'ipotenusa è la distanza dall'ipocentro.
  2. Applico il teorema di Pitagora: d² = 24² + 7² = 576 + 49 = 625.
  3. d = √625 = 25 km.
  4. Tempo delle onde P: 25 km : 6 km/s = 4,17 s.
  5. Le onde S (3 km/s) impiegherebbero 25 : 3 = 8,33 s, cioè 4,17 s dopo le P.

Risultato: La stazione è a 25 km dall'ipocentro, non a 24: le P arrivano dopo circa 4,2 s. La profondità conta, anche se in superficie sembra 'solo' una distanza di 24 km.

4. Un sismogramma mostra che le onde S arrivano 12 secondi dopo le P. Con P a 6 km/s e S a 3 km/s, a che distanza è l'ipocentro? Perché una sola stazione non basta per localizzare l'epicentro? intermedio

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  1. Chiamo d la distanza. Le P impiegano d/6, le S impiegano d/3.
  2. Il ritardo è d/3 - d/6 = d/6.
  3. Quindi d/6 = 12 s, da cui d = 6 x 12 = 72 km.
  4. Verifica: 72 : 3 = 24 s per le S, 72 : 6 = 12 s per le P, differenza 12 s. Torna.
  5. Una stazione dà solo la distanza, non la direzione: l'epicentro può stare su qualunque punto di una circonferenza di raggio 72 km attorno alla stazione.
  6. Con due stazioni le circonferenze si incontrano in due punti, con tre in uno solo: è la triangolazione.

Risultato: 72 km. Servono almeno tre stazioni perché le tre circonferenze si incrociano in un unico punto, l'epicentro.

5. Il terremoto dell'Irpinia del 1980 ebbe magnitudo momento 6,9; quello di Amatrice del 2016 ebbe magnitudo 6,0. Di quanto è maggiore l'ampiezza delle onde registrate nel primo e quante volte è maggiore l'energia rilasciata? (L'ampiezza cresce di 10 volte per ogni unità di magnitudo, l'energia di circa 31,6 volte.) intermedio

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  1. Differenza di magnitudo: 6,9 - 6,0 = 0,9.
  2. Ampiezza: 10^0,9 = 7,94 volte.
  3. Energia: 31,6^0,9, che equivale a 10^(1,5 x 0,9) = 10^1,35 = 22,4 volte.
  4. Controllo con le unità intere: per 1 unità l'energia è 10^1,5 = 31,6; per 0,9 unità deve essere un po' meno, ed è 22,4. Torna.

Risultato: L'ampiezza delle onde è circa 7,9 volte maggiore, l'energia circa 22 volte maggiore. Meno di un'unità di magnitudo di differenza vuol dire già venti volte più energia.

6. Usa la formula log E = 4,8 + 1,5 M (E in joule) per calcolare l'energia del terremoto di Amatrice (M = 6,0). Poi convertila in tonnellate di tritolo sapendo che 1 t di tritolo libera 4,184 x 10^9 J. intermedio

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  1. Sostituisco M = 6,0: log E = 4,8 + 1,5 x 6,0 = 4,8 + 9,0 = 13,8.
  2. Quindi E = 10^13,8 = 6,3 x 10^13 J (perché 10^0,8 = 6,3).
  3. Converto: 6,3 x 10^13 : 4,184 x 10^9 = 15.080 t circa.
  4. In chilotoni: 15.080 t = 15 kt.
  5. Per dare un'idea: è l'ordine di grandezza dell'energia della bomba di Hiroshima, che però era concentrata in pochi istanti e in un solo punto.

Risultato: Circa 6,3 x 10^13 J, cioè 15 chilotoni di tritolo. Un terremoto di magnitudo 6 rilascia l'energia di una bomba atomica.

7. Due terremoti hanno la stessa magnitudo, 6,0, e la stessa posizione dell'epicentro. Il primo ha l'ipocentro a 8 km di profondità, il secondo a 80 km. Una città si trova a 6 km dall'epicentro. Confronta le distanze dagli ipocentri e dì quale scuote di più, ipotizzando che lo scuotimento sia inversamente proporzionale alla distanza. avanzato

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  1. Primo terremoto: d1 = √(6² + 8²) = √(36 + 64) = √100 = 10 km.
  2. Secondo terremoto: d2 = √(6² + 80²) = √(36 + 6.400) = √6.436 = 80,2 km.
  3. Rapporto: 80,2 : 10 = 8,0.
  4. Se lo scuotimento è proporzionale a 1/d, il primo scuote la città circa 8 volte più forte del secondo.
  5. È una semplificazione (le onde si attenuano anche per assorbimento), ma mostra il punto: stessa magnitudo non significa stessi danni.
  6. Per questo si usano due scale: la magnitudo misura il terremoto (un numero solo), l'intensità misura gli effetti in ciascun luogo (cambia da città a città).

Risultato: Quello a 8 km, circa 8 volte più forte in città. La magnitudo è una sola per terremoto, l'intensità dipende dalla distanza e dalla profondità: per questo i terremoti profondi del Tirreno, anche di magnitudo alta, fanno pochi danni.

8. Un terremoto sul fondo dello Ionio, dove il mare è profondo 3.000 m, genera uno tsunami. La velocità è v = √(g h) con g = 9,8 m/s². Calcola v in m/s e km/h, il tempo per arrivare a una costa distante 600 km e la velocità sulla piattaforma costiera profonda 30 m. avanzato

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  1. In mare aperto: v = √(9,8 x 3.000) = √29.400 = 171,5 m/s.
  2. In km/h: 171,5 x 3,6 = 617 km/h.
  3. Tempo per 600 km = 600.000 m: 600.000 : 171,5 = 3.499 s, cioè 58 minuti circa.
  4. Su 30 m di profondità: v = √(9,8 x 30) = √294 = 17,1 m/s = 62 km/h.
  5. Rapporto tra le due velocità: 171,5 : 17,1 = 10. La profondità è diminuita di 100 volte e la velocità di 10 (radice quadrata).
  6. L'onda rallenta ma l'energia resta: l'acqua si accumula e l'altezza dell'onda cresce, ed è per questo che vicino alla costa lo tsunami diventa distruttivo.

Risultato: 171,5 m/s (617 km/h) in mare aperto, arrivo in circa 58 minuti; vicino alla costa 17,1 m/s (62 km/h). In mare aperto è veloce come un aereo e quasi invisibile, a riva rallenta e si alza.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra ipocentro ed epicentro?

L'ipocentro è il punto sotto terra in cui la roccia si rompe e il terremoto ha origine; l'epicentro è il punto della superficie che si trova esattamente sulla sua verticale. L'epicentro è il luogo dove di solito i danni sono maggiori, ma il terremoto nasce all'ipocentro. La profondità dell'ipocentro cambia molto gli effetti: più è superficiale, più il terremoto è distruttivo.

Qual è la differenza tra magnitudo e intensità di un terremoto?

La magnitudo misura l'energia rilasciata alla sorgente ed è un solo numero per terremoto (scala Richter o, oggi, magnitudo momento Mw). L'intensità misura gli effetti osservati in un luogo, con scale come la Mercalli o la EMS-98 (da I a XII), e cambia da paese a paese a seconda di distanza, profondità e tipo di edifici. Un terremoto ha una magnitudo ma molte intensità.

Come si calcola la distanza dell'epicentro?

Si misura sul sismogramma il ritardo tra l'arrivo delle onde P e quello delle onde S: più la stazione è lontana, più il ritardo è grande. Con velocità tipiche di 6 e 3 km/s, la distanza è circa 6 volte il ritardo in secondi. Una sola stazione dà una circonferenza di possibili epicentri, con tre stazioni le circonferenze si incrociano in un punto (triangolazione).

Quanto è più forte un terremoto di magnitudo 7 rispetto a uno di magnitudo 6?

L'ampiezza delle onde è 10 volte maggiore e l'energia rilasciata circa 31,6 volte maggiore. La scala è logaritmica: un terremoto di magnitudo 8 rilascia circa 1.000 volte l'energia di uno di magnitudo 6, perché 31,6 x 31,6 = 1.000.

Si possono prevedere i terremoti?

No, non si può prevedere con precisione quando e dove avverrà un terremoto. Si possono invece individuare le zone più pericolose e calcolare la probabilità di un forte terremoto in un certo numero di anni: su questo si basa la classificazione sismica dell'Italia in quattro zone e le norme per costruire edifici antisismici. Esistono anche sistemi di allerta che avvisano pochi secondi prima che arrivino le onde S più distruttive.