Ancora sul “silenzio sismico” indotto dal COVID-19

Come già descritto in un articolo precedente, le misure di contenimento alla diffusione del COVID-19 imposte dalle autorità a partire dalla fine di febbraio hanno comportato una diminuzione del livello del rumore sismico in molti Paesi del mondo, inclusa l’Italia. Qui riportiamo l’analisi effettuata da un team composto da ricercatori dell’INGV, dell’Università di Padova e del CNRS francese sui dati sismici dell’Italia settentrionale.

Gli autori mostrano come il segno distintivo delle misure di contenimento del virus sia facilmente visibile analizzando le serie temporali continue dei sismometri sparsi sul territorio nazionale. Dal confronto tra i segnali prima e dopo il blocco (lockdown) si può caratterizzare il rumore ambientale dovuto a causa antropiche.

Gli effetti del lockdown sul rumore sismico sono particolarmente evidenti nei siti ubicati all'interno o in prossimità di città, come nel caso della stazione di Milano (MILN), come già osservato nel precedente post.

Qui mostriamo come un’analisi spettrale del segnale sismico registrato giorno dopo giorno (attraverso la misura della densità spettrale) è possibile quantificare l’energia associata al rumore sismico ambientale e monitorare come questo vari nel tempo. La figura sotto mostra l’esempio di questo procedimento applicato al sismometro di Milano (MILN) della rete sismica INGV: la riduzione del rumore sismico è graduale, inizia a vedersi già dopo l’applicazione delle prime misure restrittive a febbraio e continua lentamente anche dopo il blocco nazionale a fine marzo.

Ripetendo questo esercizio per 140 stazioni sismiche operative in Italia settentrionale nel periodo novembre 2019 – aprile 2020, e mediando i dati su intervalli settimanali (dal lunedì al venerdì dalle 6 alle 18), si può verificare la variazione del rumore sismico nel tempo (in un intervallo di frequenze tra 3 e 5 Hz). L’animazione sotto mostra queste variazioni settimana dopo settimana. I colori sono indicativi del livello (rosso = molto rumoroso; blu = molto tranquillo). Gli effetti del lockdown sono evidenti in tutto il nord Italia, non limitandosi alle zone urbane.

Negli ultimi 10-20 anni, i sismologi hanno imparato a usare il rumore sismico per misurare le onde di superficie e mappare così la struttura della crosta terrestre e monitorare i cambiamenti nelle proprietà elastiche in aree a elevata pericolosità. Questo studio mostra come l’analisi del rumore può aiutarci a caratterizzare e monitorare le attività antropiche in un ampio range di frequenze.

A cura di I. Molinari (INGV-Bologna), L. Boschi (Università di Padova and INGV-Bologna), P. Poli (CNRS e ISTERRE, Francia), J. Boaga (Università di Padova), V. Cascone (Università di Padova).

il testo completo in inglese è disponibile sotto

More on the "seismic silence" induced by COVID-19

In February/March 2020, the Italian government responded to the coronavirus outbreak with a sequence of increasingly strict “lockdown” measures: (i) on February 21 people (and vehicle) mobility was strongly reduced within the territory of eleven municipalities in the North; (ii) on March 8, the lockdown was extended to the entire region of Lombardy and fourteen neighbouring provinces; (iii) on March 22, it was finally decided to apply these measures to the rest of the country, to close down all non-essential industries and inter-city movement was further restricted on the entire national territory.

The seismic signature of containment measures in Italy can be identified through a relatively simple analysis of continuous recordings at seismic stations. Comparing the signal recorded before and after the lockdown, the seismic signature of anthropic noise can be characterised more clearly than ever before.

The seismic effects of the lockdown are particularly prominent at sites located near the city as Milan (Figure 1) as already noted in a previous post. By a Fourier analysis of continuous seismic signal recorded on each day (i.e., deriving the “power spectral density” of the signal recorded over one day, and averaging it over frequency), it is possible to quantify the energy associated with seismic ambient noise, and monitor how that changes as a function of time. This is shown in the figure below, here, for station IV.MILN, in the city of Milan: the reduction in ambient noise is gradual rather than abrupt, is already significant shortly after the implementation of the February measures, and continues, at a slower rate, even after the national lockdown in late March.

One can repeat this exercise for ~140 seismic stations, collecting relevant data through the INGV EIDA node, for the period November 2019-April 2020. Then, the difference between average PSD for a given week (Mon to Fri, from 6AM to 8PM), and a reference average PSD calculated over this entire period of time (Mon to Fri, from 6AM to 8PM), shows the variation of the noise level. This is visualized (in the frequency band 3-5Hz), as a function of time, November through March, in the animation below, where colour is used to denote the level of noise (red = very noisy; blue = very quiet). The effects of the lockdown are a global feature in northern Italy, not limited to major cities or industrial districts.

In the past 10-20 years, seismologists have learned to use seismic ambient noise to measure seismic surface waves, and so map the structure of the Earth’s crust, or monitor changes in the elastic properties of areas prone to geophysical hazard. Our study shows that the ambient-noise toolbox can help us in characterising and monitoring anthropic activities over a broad range of frequencies.

Authors: I. Molinari (INGV-Bologna), L. Boschi (Università di Padova and INGV-Bologna), P. Poli (CNRS e ISTERRE, Francia), J. Boaga (Università di Padova), V. Cascone (Università di Padova).

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