I principali terremoti in Italia osservati con le immagini satellitari

L’Interferometria SAR, anche conosciuta con l’acronimo InSAR, è una tecnica di telerilevamento che utilizza immagini satellitari acquisite da sensori noti come Radar ad Apertura Sintetica (SAR) per misurare le deformazioni del suolo con precisione millimetrica. Il SAR è un sensore attivo in grado di acquisire immagini della superficie terrestre sia di giorno che di notte, anche in presenza di copertura nuvolosa. Il principio di funzionamento è basato sull’invio a terra di un segnale elettromagnetico caratterizzato da un’ampiezza, che ci dice quanto è intenso, e una fase, ossia la posizione dell’onda in un certo momento, espressa con valori tra 0 e 360 gradi, che equivalgono a [0 – 2π] radianti. Raggiunto il suolo, il segnale viene diffuso in diverse direzioni e la frazione che torna al sensore è quella che si utilizza nella tecnologia SAR. Avremo quindi un contributo di ampiezza, dipendente dalle caratteristiche degli oggetti a terra e dalla loro capacità di riflettere, e un contributo di fase, legato alla distanza percorsa dal segnale per coprire il tragitto satellite-superficie terrestre. E’ proprio tramite l’analisi dei contributi di fase inviati da un sensore SAR in intervalli temporali differenti che è possibile ricostruire i campi di spostamento indotti sulla superficie terrestre da fenomeni naturali o antropici.

Se il suolo si deforma, ad esempio a causa di un terremoto, immagini SAR acquisite prima (T1) e dopo (T2) l’evento sismico saranno infatti caratterizzate da contributi di fase diversi tra loro. Questo perché la deformazione del suolo indotta dal sisma, avrà un impatto sul tempo di percorrenza del segnale inviato dai sensori (Figura 1).

Figura 1: Principio di funzionamento dell’Interferometria SAR. Se il terreno si deforma nell’intervallo temporale tra la prima acquisizione (T1) e la seconda acquisizione (T2), ci sarà un diverso tempo di percorrenza del segnale elettromagnetico che si traduce in un contributo di fase addizionale nella seconda immagine (linea rossa).

L’interferometria SAR utilizza l’informazione contenuta nella differenza di fase tra due immagini acquisite a cavallo di un evento per calcolare di quanto si è deformato il terreno nell’intervallo temporale tra le due acquisizioni. La mappa delle differenze di fase tra due immagini, pixel per pixel, è il cosiddetto interferogramma, ed è il principale prodotto dell’analisi interferometrica. Esso consiste in un’immagine composta da frange di colore, le frange interferometriche, ognuna delle quali rappresenta un valore di differenza di fase nell’intervallo [-π, π], a sua volta rappresentativo di una deformazione di pochi centimetri. Per avere una rappresentazione maggiormente comprensibile del processo deformativo in atto è quindi necessario trasformare, mediante alcuni passaggi matematici, l’interferogramma in una vera e propria mappa di deformazione, in cui ogni pixel riporta un valore di deformazione assoluto del terreno. Il primo terremoto a essere studiato con questa tecnica è stato il terremoto di magnitudo momento Mw 7.3 nella comunità di Landers, in California, nel 1992. In un lavoro su Nature, gli autori evidenziarono le potenzialità dell’Interferometria SAR, applicata a immagini acquisite dalle missioni ERS-1 dell’Agenzia Spaziale Europea, mostrando per la prima volta come appariva un terremoto visto da satellite (Figura 2).

Figura 2: Interferogramma relativo al terremoto di magnitudo momento Mw 7.3 avvenuto a Landers, in California, nel 1992. Questo evento fu il primo a essere studiato con la tecnica InSAR. Sono ben visibili le cosiddette frange interferometriche in cicli di colore, ognuna delle quali è rappresentativa di una deformazione del terreno di circa 3 centimetri.

I principali eventi in epoca strumentale in Italia

La tecnica interferometrica è sensibile a deformazioni superficiali dell’ordine di diversi centimetri, associate solitamente a eventi sismici di magnitudo momento Mw superiore a 5, che fortunatamente non sono molto frequenti in Italia. A partire dai primi anni ’90, quando i satelliti ERS dell’Agenzia Spaziale Europea hanno acquisito e reso per la prima volta disponibili alla comunità scientifica immagini SAR della superficie terrestre, si possono individuare quattro principali sequenze sismiche che hanno interessato in modo significativo il territorio italiano, con conseguenze talvolta anche drammatiche (Figura 3).

*Figura 3: Principali eventi sismici registrati in Italia e analizzati con le immagini SAR. Le stelle gialle rappresentano gli epicentri dei terremoti.*

Nel nostro paese, la prima applicazione dell’Interferometria SAR allo studio di un evento sismico risale al terremoto di Colfiorito del 1997 . Il 26 settembre 1997 alle ore 11:40 (ora italiana) un evento sismico di magnitudo locale ML 5.8 (https://terremoti.ingv.it/event/849549) colpì un’area di circa 15 km di lunghezza tra Umbria e Marche, tra Colfiorito (PG) e Serravalle di Chienti (MC). Il sisma enucleò a una profondità di circa 6 km e i risentimenti furono avvertiti distintamente in gran parte dell’Italia centrale. L’analisi InSAR, applicata a una coppia di immagini SAR acquisite dalle costellazioni ERS-2 dell’Agenzia Spaziale Europea, mostrò un abbassamento dell’Altopiano di Colfiorito di circa 25 centimetri (Figura 4), consistente con un meccanismo di faglia di tipo normale tipico delle zone dell’Appennino centrale.

*Figura 4: Mappa di deformazione del terreno ottenuta tramite analisi InSAR relativa al terremoto di Colfiorito del 26 settembre 1997 (dati ERS-2).*

Il secondo terremoto analizzato con la tecnica dell’Interferometria SAR è stato l’evento di magnitudo momento Mw 6.1 (https://terremoti.ingv.it/event/1895389) che ha colpito L’Aquila durante la notte del 6 aprile 2009. In questo caso le immagini SAR applicate a dati acquisiti durante la missione Envisat dell’Agenzia Spaziale Europea, hanno dato la possibilità di stimare spostamenti cosismici massimi pari a circa 25 cm e un’area di deformazione estesa circa 30 chilometri in lunghezza (Figura 5), permettendo di ricostruire la faglia responsabile dell’evento, anche in questo caso con un meccanismo normale consistente con il regime estensionale dell’Appennino (Atzori et al., 2009).

*Figura 5: Mappa di deformazione del terreno relativa al terremoto che ha colpito l’Aquila il 6 aprile 2009 (dati Envisat).*

Successivamente, nel maggio 2012 il territorio emiliano è stato colpito da due forti terremoti. Il primo, di magnitudo momento Mw 5.8 e profondità 10 km, avvenuto il 20 maggio nei pressi di Finale Emilia (https://terremoti.ingv.it/event/772691), mentre il secondo di magnitudo momento Mw 5.6 e profondità 8 km localizzato a sud della città di Mirandola (https://terremoti.ingv.it/event/841091), entrambi in provincia di Modena. Questi eventi sono stati oggetto di analisi InSAR utilizzando i dati acquisiti dalle missioni spaziali Radarsat (Agenzia Spaziale Canadese) e COSMO-SkyMed (Pezzo et al., 2013). In particolare questi ultimi dati, distribuiti dall’Agenzia Spaziale Italiana, sono stati fondamentali fin dalle prime fasi di gestione dell’emergenza per una rapida valutazione degli spostamenti cosismici nell’area, stimati intorno ai 14 cm (Figura 6).

*Figura 6: Mappa di deformazione del terreno relativa al terremoto dell’Emilia del 2012 (dati Cosmo-SkyMed).*

L’ultimo forte evento che ha colpito la nostra penisola è rappresentato dalla sequenza sismica che ha interessato il centro Italia nel 2016-2017 per circa 8 mesi, con più di 3500 eventi di magnitudo maggiore di 2.5, causando gravi danni all’edificato, danneggiando irrimediabilmente il patrimonio artistico e provocando, purtroppo, anche più di 300 vittime. La sequenza è stata caratterizzata da 4 eventi principali: il terremoto di Amatrice/Accumoli (RI) del 24 agosto 2016, con una magnitudo momento Mw pari a 6.0 (https://terremoti.ingv.it/event/7073641), il terremoto di Visso (MC) del 26 ottobre 2016, con una magnitudo momento Mw di 5.9 (https://terremoti.ingv.it/event/8669321), il terremoto di Norcia (PG) del 30 ottobre 2016, con una magnitudo momento Mw di 6.5 (https://terremoti.ingv.it/event/8863681) e il terremoto di magnitudo momento Mw 5.5 avvenuto a Capitignano (AQ) il 18 gennaio 2017 (https://terremoti.ingv.it/event/12697591). Il dato interferometrico ha permesso di stimare la deformazione totale causata dalla sequenza, che ha determinato un abbassamento di circa 1 metro della Piana di Castelluccio (Figura 7), e vincolare geometria, meccanismo e profondità delle faglie responsabili. In questo ultimo caso, l’Interferometria SAR è stata applicata alle immagini delle costellazioni Sentinel-1 dell’ESA, il cui primo satellite è stato lanciato nel 2014.

*Figura 7: Mappa di deformazione del terreno relativa al terremoto di Norcia del 30 ottobre 2016 (dati Sentinel-1).*

Questo excursus sui principali eventi sismici, che hanno interessato il territorio italiano e che sono stati studiati mediante la tecnica InSAR, ha consentito di apprezzare i significativi miglioramenti raggiunti in questi decenni sia dagli algoritmi e dai software utilizzati per il calcolo degli interferogrammi, che dalla tecnologia applicata ai sensori SAR. Dall’evento di Colfiorito, analizzato con dati ERS, fino alla sequenza che ha colpito il centro Italia tra il 2016 e il 2017, investigata nel dettaglio con dati Sentinel-1, risultano evidenti i progressi nella qualità delle immagini ottenute. I miglioramenti in termini di risoluzione spaziale, tempo di rivisita, prestazioni dei sensori, insieme ad algoritmi di elaborazione dei dati sempre più sofisticati, hanno permesso di affinare in modo sostanziale l’informazione estratta dal dato satellitare, contribuendo a una conoscenza sempre più approfondita e accurata dei fenomeni sismici e della sismicità del nostro Paese.

A cura del Laboratorio GEOSAR dell’INGV

Riferimenti

Massonnet, D., Rossi, M., Carmona, C. et al. (1993). The displacement field of the Landers earthquake mapped by radar interferometry. Nature, 364, 138–142. https://doi.org/10.1038/364138a0

Stramondo, S., Tesauro, M., Briole, P., Sansosti, E., Salvi, S., Lanari, R., Anzidei, M., Baldi, P., Fornaro, G., Avallone, A,, Buongiorno, M. F., Franceschetti, G., Boschi E. (1999). The September 26, 1997 Colfiorito, Italy, earthquakes: Modeled coseismic surface displacement from SAR interferometry and GPS. Geophys. Res. Lett., 26, https://doi.org/10.1029/1999GL900141.

Atzori, S., Hunstad, I., Chini, M., Salvi, S., Tolomei, C., Bignami, C., Stramondo, S., Trasatti, E., Antonioli, A., and E. Boschi (2009). Finite fault inversion of DInSAR coseismic displacement of the 2009 L’Aquila earthquake (central Italy). Geophys. Res. Lett., 36, L15305, doi:10.1029/2009GL039293.

Pezzo, G., Merryman Boncori, J. P., Tolomei, C., Salvi, S., Atzori, S., Antonioli, A., … & Giuliani, R. (2013). Coseismic deformation and source modeling of the May 2012 Emilia (Northern Italy) earthquakes. Seismological Research Letters, 84(4), 645-655.

Cheloni, D., et al. (2017). Geodetic model of the 2016 Central Italy earthquake sequence inferred from InSAR and GPS data. Geophys. Res. Lett., 44, 6778–6787, doi:10.1002/2017GL073580.

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