Fibra ottica per monitorare e rilevare terremoti: come funziona

Open Fiber, INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia), INRiM (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica), Bain & Company e Metallurgica Bresciana hanno avviato da circa due anni una interessante sperimentazione che ha come obiettivo quello di migliorare l’approccio tecnico nella gestione delle attività di rilevamento e monitoraggio dei terremoti.

Il progetto si chiama MEGLIO (Measuring Earthquakes signals Gathered with Laser Interferometry on Optic Fibers) e la rete in fibra ottica può aiutare enormemente gli studiosi nell’esaminare i movimenti tellurici.
Una rete interamente in fibra ottica capillarmente diffusa come quella di Open Fiber può rappresentare uno strumento preziosissimo per raccogliere informazioni sui sismi rilevati a livello nazionale.

La rete in fibra si trasforma in un unico sensore capace di monitorare l’intera lunghezza del cavo permettendo una raccolta dei dati ad alta precisione con la possibilità di trasmetterli istantaneamente ai centri di elaborazione.
Questi ultimi si servono di un sistema matematico-statistico basato sull’intelligenza artificiale (machine learning) che garantisce un accurato monitoraggio, molto meglio delle soluzioni tradizionali adottate fino ad oggi.
Rispetto ai classici sismografi distribuiti sul territorio nazionale che offrono una rilevazione puntiforme, la nuova tecnica mima il funzionamento del sistema nervoso ed è in grado di rilevare movimenti sismici lungo tutta la tratta.

Le fibre ottiche sono immuni ai disturbi elettromagnetici, possono resistere a un ampio spettro di temperature (da -100 °C a 300 °C), a pressioni elevate (fino a 10.000 psi) e allo stress meccanico: tutte caratteristiche che sono state prese in considerazione per realizzare il progetto MEGLIO.

Dal punto di vista tecnico, i movimenti sismici vengono monitorati e quantificati grazie a una coppia di laser ultra-stabili installati su una porzione di fibra ottica interrata sull’infrastruttura di rete Open Fiber.
Misurando tempi di percorrenza e basando i calcoli sulla velocità di propagazione della luce si possono ottenere in tempo reale informazioni accurate incrociando i dati provenienti dalle varie fibre ottiche.

Presentati i primi risultati della sperimentazione che ha trasformato la rete Open Fiber in un sismografo diffuso sul territorio

I primi risultati di due anni di sperimentazioni sono stati presentati nel corso di un evento svoltosi ad Ascoli Piceno.

Nel corso del tavolo tecnico i responsabili di Open Fiber, INGV e delle varie società coinvolte nel progetto hanno spiegato che MEGLIO è stato sviluppato nell’ambito di un ambizioso programma scientifico italiano volto a realizzare un sistema innovativo di monitoraggio delle onde sismiche grazie al Fiber Sensing, approccio che consente misurazioni continue in tempo reale su tutta la lunghezza di un cavo in fibra ottica.

Si tratta della prima volta al mondo che viene realizzato un progetto di monitoraggio dei terremoti utilizzando fibre ottiche in un contesto terrestre ricco di rumore antropico perché situato anche in ambiente urbano, su una rete commerciale che trasporta in simultanea i dati provenienti dallo scambio di informazioni via Internet.

Circa due anni fa sono stati realizzati sensori laser interferometrici che a giugno 2021 sono stati installati a ridosso della rete in fibra ottica che collega Teramo e Ascoli Piceno, due località considerate da INGV a maggior interesse scientifico.

Entrambi i sensori hanno già prodotto grandi quantità di dati che sono disponibili sui server di Open Fiber e sotto analisi di Bain & Company. L’azienda, attraverso sofisticati algoritmi matematici, sta ripulendo dal rumore gli impulsi utili in modo da renderli fruibili ad INGV per caratterizzare la presenza di fenomeni sismici sul territorio.

La sperimentazione si concluderà quest’anno quando tutto il lavoro di post processing dei dati sarà completato.
Se i test daranno buon esito e quindi i sensori venissero poi applicati sull’intera rete Open Fiber su scala nazionale il Paese sarebbe dotato di un innovativo sistema di monitoraggio che modifica il paradigma classico.

La tecnologia messa a punto potrebbe anche rappresentare un sistema di allerta precoce sui terremoti (Earthquake Early Warning, EEW): potrebbe cioè essere in grado di segnalare le scosse imminenti prima dell’arrivo delle onde sismiche stesse.

Francesco Carpentieri, responsabile ingegneria del trasporto Open Fiber, ha sottolineato come “questa applicazione della fibra ottica sia un’altra esternalità positiva della rete Open Fiber che potrebbe trovare numerose applicazioni che vanno oltre il monitoraggio dei terremoti. Il Fiber sensing trasforma un comune cavo in fibra ottica in una serie continua di migliaia di ‘microfoni’ virtuali che ascoltano in tempo reale le vibrazioni e i suoni prodotti nell’ambiente in cui si trova il collegamento in fibra. Attraverso l’uso di avanzati algoritmi software è possibile ascoltare, monitorare e rilevare diverse attività ed eventi che accadono nell’ambiente, non solo sismi ma anche il traffico dei veicoli e persone, scavi, perdite nelle condotte energetiche, difetti sulle linee di trasporto ferroviarie, e così via“.

“INRiM ha progettato, realizzato e installato il sensore, portando il contenuto di innovazione e di trasferimento tecnologico della scienza delle misure e della metrologia“, racconta Davide Calonico, responsabile divisione di metrologia quantistica INRiM. “Insieme ad Open Fiber INRiM ha curato la piena compatibilità con la rete dati esistente, con INGV sviluppa il confronto dei dati misurati rispetto a sismografi convenzionali e con Bain si occupa dei modelli più avanzati di analisi del dato“.

“Bain & Company, attraverso il suo team AAG dedicato agli Advanced Analytics, immagazzina, processa ed analizza i dati ricevuti da INRiM“, ha aggiunto Francesco Piccolo, director, data science, advanced analytics group di Bain & Company. “Bain si occupa inoltre della creazione e installazione di un’applicazione che permetta di estrarre e monitorare dati storici e real time con l’obiettivo di sviluppare nel lungo periodo un algoritmo in grado di rilevare i terremoti sfruttando le fibre ottiche già installate sul territorio nazionale“.

Andrè Herrero, primo ricercatore dell’INGV, sottolinea che “il ruolo principale dell’INGV nel Progetto MEGLIO è la validazione delle osservazioni realizzate sulla fibra ottica, grazie alla sua rete di oltre 500 strumenti ripartiti sul territorio nazionale. L’INGV condivide le registrazioni delle stazioni sismiche vicine e le confronta con le rilevazioni fatte tramite la fibra ottica. Una stazione sismica supplementare è stata installata vicino alla strumentazione MEGLIO ad Ascoli Piceno proprio per paragonare i dati rilevati. Inoltre, i ricercatori dell’INGV offrono consulenze in materia di terremoti, propagazione delle onde e interpretazioni delle osservazioni a supporto del progetto MEGLIO“.