Terremoto in Basilicata? No, è un meteoroide

Dal 2021 è operativo il Centro di Monitoraggio delle Attività di Sottosuolo (CMS) il cui compito principale è quello di monitorare l’attività sismica eventualmente associata ad attività antropogenica. Il CMS basa le sue analisi 24/7 su apposite reti di monitoraggio sismologico e geodetico, attualmente operative nelle aree geotermiche Toscane, nella Pianura Padana e in Basilicata.

La mattina del giorno 27 dicembre 2023 la rete sismica del CMS, operativa in Basilicata, in particolare nella zona della Val d’Agri, ha rilevato dei segnali “insoliti”, che si distinguevano nettamente dalle abituali forme d’onda generate dalla sismicità locale (Figura 1).

Figura 1: Forme d’onda del segnale sismico relativo all’evento “insolito” registrato dalla rete sismica del CMS e dalla Rete Sismica Nazionale (INGV). Le tracce delle 61 stazioni che hanno registrato questo segnale sismico sono mostrate con tempo d’arrivo crescente.

È stata registrata una distinta fase sismica che si propaga con una velocità apparente più lenta, rispetto alle velocità sismiche tipiche per la crosta terrestre. Ampliando lo sguardo all’intera Rete Sismica Nazionale dell’INGV si nota che è possibile osservare la fase in molte altre stazioni situate in Italia meridionale (Figura 2).

Figure 2: Rappresentazione in mappa dei tempi di ritardo relativi al primo arrivo dell’onda registrata dalle stazioni della Basilicata e della Rete Sismica Nazionale rispetto a un tempo di riferimento, da 0 secondi (bianco) fino a oltre 120 secondi (nero). La freccia bianca indica la risultante direzione di propagazione secondo la cronologia dell’arrivo della fase sismica; la freccia rossa mostra la direzione della traiettoria osservata del meteoroide, calcolata dall’INAF (rete Prisma*).

La bassa velocità apparente di propagazione durante l’attraversamento della rete sismica indica che si tratta di un’onda di pressione che viaggia in atmosfera e che, nel momento del contatto con la superficie terrestre, viene registrata come onda sismica. L’onda di pressione è talmente energetica che viene osservata su sismogrammi a scala regionale, un fatto che esclude l’ipotesi di una esplosione in cava e rende più probabile quella di un aereo militare o l’entrata in atmosfera di un meteoroide.

Dal punto di vista sismologico il segnale generato da un meteoroide è ben noto. La Figura 3 (presa da Edwards et al., 2008) riassume la dinamica dell’entrata in atmosfera di un meteoroide e la generazione delle rispettive onde durante il suo viaggio verso la superficie terrestre. La velocità di entrata in atmosfera è maggiore della velocità del suono (~340 m/s) e viene quindi chiamata ipersonica (a). Lungo la traiettoria il meteoroide emette un fronte d’onda di pressione noto come Cono di Mach. Qualche volta il bolide si frammenta in maniera esplosiva, dovuto alle alte temperature prodotte dall’attrito con l’atmosfera (b). In funzione della massa finale del meteorite, l’impatto con la superficie terrestre può generare un’onda sismica (c).

Figura 3: Schema della registrazione di onde sismiche e onde d’aria, dovuto a onde atmosferiche causate da un meteoroide (secondo Edwards et al., 2008): (a) Generazione di onde d’urto durante l’entrata a velocità ipersonica. (b) Generazione dell’onda d’urto (shock wave) durante la frammentazione del meteoroide. (c) Generazione dell’onda sismica durante l’impatto del meteorite. (d) Precursore sismico generato dall’onda d’urto sul terreno (vedi testo), (e) accoppiamento dell’onda di pressione con il terreno sottostante alla stazione sismica.

L’impatto dell’onda di pressione con il terreno crea un’onda sismica (d) che si propaga con le tipiche velocità della crosta terrestre (P, S, Rayleigh) può essere registrata alla stazione sismica (triangolo grigio in Figura 3) prima dell’arrivo dell’onda acustica diretta (e). La Figura 4 mostra un esempio di forma d’onda delle fasi (d), (e) registrata alla stazione sismica TP01 vicino a Gorgoglione in Basilicata.

Figure 4: Registrazione delle fasi (d) (e) alla stazione TP01.

Risulta quindi più probabile che i segnali sismici registrati vengono generati da una sorgente acustica continua – o meglio come proposto da Edwards et al. (2008) – dal cono di Mach che si forma durante il volo della meteora con velocità supersonica (Figura 3).

Assumendo il caso dell’esplosione di un bolide in aria, l’ipocentro che risulta dall’inversione dei tempi d’arrivo alle stazioni sismiche, assumendo un modello di atmosfera semplice, risulta nella posizione della stella (Figura 2) ad una quota di circa 90 km. Dato che i residui del calcolo ipocentrale rimangono alti dopo l’inversione, sembra più probabile la registrazione del passaggio del cono di Mach (a in Figura 3) alle singole stazioni sismiche, come recentemente osservato in un evento simile (Olivieri et al., 2023).

Indicando con una scala di colori su mappa i tempi d’arrivo per ogni singola stazione e interpolando tali valori, si può ottenere un’idea sulla direzione di propagazione del bolide. Ordinando in modo cronologico i tempi d’arrivo alle stazioni si può osservare che la fase sismica registrata si propaga da Nord (N) verso Sud (S), lasciando immaginare una identica direzione di spostamento del meteoroide (freccia bianca in Figura 2).

Da una ricerca sul web, è stato possibile reperire numerose testimonianze visive del fenomeno: in particolare una webcam installata a Campoli (MT), con campo visivo in direzione est, ha registrato il passaggio del meteoroide e suggerisce una direzione di volo da S a N, direzione opposta rispetto alle osservazioni sismiche.

Per ottenere informazioni di dettaglio sul fenomeno che abbiamo osservato sulle stazioni sismiche, abbiamo interpellato i colleghi dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), che gestiscono la rete PRISMA (Prima Rete Italiana per la Sorveglianza Sistematica di Meteore e Atmosfera). Dalle analisi preliminari della rete PRISMA sono stati ottenuti i seguenti parametri:

Ora di ingresso in atmosfera:	2023-12-27 05:04:23 UTC
Coordinate iniziali:	Latitudine: 39.6321°; Longitudine: 15.8512°; Altezza: 83.0 km
Coordinate finali:	Latitudine: 41.6434°; Longitudine: 15.7728°; Altezza: 49.5 km
Lunghezza traiettoria visibile:	228 km; Durata: 16.5 s
Inclinazione della traiettoria rispetto all’orizzonte:	8.3°; Direzione: Sud -> Nord
Velocità pre-atmosferica del meteoroide (velocità di ingresso):	14.2 km/s
Massa pre-atmosferica stimata del meteoroide:	5 kg (preliminare)
Dimensione pre-atmosferica stimata del meteoroide:	15 cm (preliminare, assumendo una densità del meteoroide di 3.3 g/cm^3)

Tabella 1: Parametri rilevati dalla rete PRISMA*

Confrontando i dati ottenuti dalle due reti di osservazioni, sebbene la traiettoria abbia una direzione molto simile (vedi Figura 2), si nota una evidente incongruenza legata alla direzione di spostamento del meteoroide. Infatti la direzione di spostamento desunta dalle osservazioni ottenute dalla rete sismica (da N a S) è opposta a quella osservata dalla rete PRISMA, che indica da S a N. Per spiegare questa incongruenza (solo apparente) è stato necessario fare alcuni calcoli utilizzando i dati forniti dalla rete PRISMA.

Secondo i dati rilevati infatti, il meteoroide entra nel campo visivo ad una quota di 83 km, sotto un angolo di 8.3° rispetto all’orizzonte, e si propaga con una velocità di 14.2 km/s in direzione N. La sua velocità è di Mach 42.64 quindi 42 volte maggiore rispetto alla velocità del suono. La visibilità dell’oggetto incandescente dura 16.5 s, una finestra temporale in cui la meteora percorre una traiettoria quasi orizzontale di 228 km e perde complessivamente 33.5 km di quota (altezza finale 49.5 km, vedi Tabella 1). La velocità di discesa verticale è determinata dal rapporto tra la differenza di quota (iniziale e finale di 33.5 km) e la durata di volo (16.5 s), e risulta quindi 2.03 km/s. Essendo la velocità di discesa (direzione verticale) sei volte più alta della velocità del suono (340 m/s), l’onda di pressione trasmessa in direzione verticale dal cono di Mach raggiunge la superficie terrestre prima. Di conseguenza il segnale di pressione arriva prima nei sismogrammi delle stazioni situate a N, con successivo ritardo nelle registrazioni delle stazioni sismiche poste più a sud. Questo meccanismo spiega la propagazione della fase sismica in direzione opposta rispetto alla traiettoria osservata, con una velocità apparente di circa 2.7 m/s. In Figura 5 è schematizzato il meccanismo che è stato appena descritto.

Figure 5: Schema che descrive la traiettoria del meteoroide (linea rossa tratteggiata) che entra a Sud ad una quota di 83 km con una velocità di 14.2 km/s, ed è visibile per 16.5 s in direzione N fino ad una quota di 49.5 km. Nella figura vengono riportati i parametri calcolati utilizzando i dati forniti dalla rete PRISMA. Come è possibile osservare, sebbene la traiettoria del meteoroide si muova da S verso N, le stazioni poste a N registrano il segnale prima di quelle poste a S, per effetto della propagazione del Cono di Mach e dell’angolo di incidenza al suolo del fronte di pressione. Le stazioni sismiche registrano un segnale che si propaga verso S alla velocità apparente di 2.7 km/s.

Tenendo conto del meccanismo appena descritto e dei parametri della traiettoria derivati dalle osservazioni della rete PRISMA, abbiamo calcolato i tempi teorici di arrivo di onde acustiche alle stazioni sismiche assumendo un valore medio e uniforme della velocità del suono nell’atmosfera (~343 m/s) e che la generazione di onde acustiche sia un processo continuo lungo tutta la traiettoria del meteorite. I residui di tempo calcolati come differenza tra il ritardo osservato e quello teorico, sono stati poi confrontati con la traiettoria visibile del meteorite. Mentre i residui nelle stazioni localizzate lungo la traiettoria del meteorite (i.e., a sud dell’area, tra Basilicata e Calabria) sono molto contenuti, risulta particolarmente interessante l’alto residuo (negativo) nelle stazioni localizzate a N del punto finale della traiettoria osservata tramite la rete PRISMA (in particolare nella stazione OT14 (nel Gargano, che è quella dove si osserva il primo arrivo nei registri sismici e dove il tempo osservato è ~14s prima del tempo teorico) e nella stazione IV.TREM (isole Tremiti). Questa osservazione indica che la traiettoria del meteorite generatrice di onde acustiche vada oltre il punto finale di avvistamento identificato dalla rete PRISMA; infatti considerando una traiettoria più lunga (Figura 6) è possibile estendere a Nord la traiettoria per trovare il punto (localizzato a Nord del Gargano) fino al quale è possibile presumere la generazione di onde acustiche registrate nelle stazioni sismiche disponibili nella zona.

Figura 6. Rappresentazione in mappa dei ritardi relativi al primo arrivo dell’onda di pressione alle stazioni della Basilicata e della rete sismica nazionale rispetto a un tempo di riferimento (primo arrivo osservato alla stazione OT.OT14) considerando la traiettoria estesa (segmento in rosso oltre il punto finale della traiettoria visibile) del meteorite.

A cura di T. Braun, A. Garcia, I. Molinari, D. Piccinini, INGV con il contributo dell’INAF.

Note

*PRISMA (Prima Rete Italiana per la Sorveglianza Sistematica di Meteore ed Atmosfera) è una collaborazione avviata e coordinata dall’INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica) che coinvolge membri fra istituti di ricerca, università, associazioni e scuole in tutta Italia (http://www.prisma.inaf.it). PRISMA è partner della collaborazione internazionale FRIPON (Fireball Recovery and InterPlanetary Observation Network – https://www.fripon.org/). PRISMA è un progetto sostenuto da Fondazione CRT.

Bibliografia

Edwards, W. N., D. W. Eaton, and P. G. Brown (2008). Seismic observations of meteors: Coupling theory and observations. Rev. Geophys., 46, RG4007, doi:10.1029/2007RG000253.

Heimann, S, Á. González, R. Wang, S. Cesca, and T. Dahm (2013). Seismic Characterization of the Chelyabinsk Meteor’s Terminal Explosion. Seis. Res. Lett. 84 (6), 1021-1025. doi: 10.1785/0220130042

Olivieri, M., Piccinini, D., Saccorotti, G., Barghini, D., Gardiol, D., Pino, N.A., Ripepe, M., Betti G., Lacanna, G. and Arcidiaco, L. (2023): The optical, seismic, and infrasound signature of the March 5 2022, bolide over Central Italy. Scientific Reports 13:21135. https://doi.org/10.1038/s41598-023-48396-8.

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