Per ovviare alle numerose limitazioni del sismografo di Wood-Anderson, nel corso del Ventesimo secolo sono stati sviluppati un gran numero di strumenti, diversi da quello in precedenza illustrato, in particolare per rivelare eventi sismici anche debolissimi nelle loro componenti orizzontali e verticale. La maggior parte di tali sismografi – e la quasi totalità di quelli moderni – sono di tipo elettromagnetico: per esempio, il movimento relativo di una bobina di filo di rame (che funge anche da massa di un pendolo orizzontale o verticale) tra i poli di un potente magnete permanente fisso genera nella bobina una corrente, proporzionale non allo spostamento ma alla velocità relativa dei due elementi; tale corrente è amplificata e filtrata in frequenza da un apposito circuito elettronico e inviata a un’unità di registrazione e visualizzazione, che in passato poteva essere un registratore a carta e oggi è sempre più spesso un comunissimo personal computer. Dunque un tipico sistema sismografico moderno, dilettantistico o professionale, è composto sostanzialmente da un sensore, da un amplificatore e un filtro, da un digitalizzatore e da un computer con processore e memoria adeguati.

I sismografi concepiti per monitorare i terremoti locali devono rispondere a una frequenza del movimento del suolo diversa da quella usata per registrare gli eventi lontani. Infatti le onde di un terremoto si indeboliscono viaggiando attraverso la Terra, ma a grandi distanze le (più preziose) onde ad alta frequenza quasi scompaiono. Di conseguenza, per rivelare i terremoti che si verificano entro un ambito regionale si utilizzano i cosiddetti sismografi a corto periodo (accordati su un periodo T < 1 secondo, cioè su frequenze di 1 Hz o superiori), sensibili alle onde sismiche che oscillano diverse volte al secondo ed a parte della banda dei microsismi (che va da 0,1 a 5 Hz). Al contrario, per captare i telesismi si adoperano sismografi a lungo periodo (ovvero accordati su T > 10 secondi, o frequenze < 0,1 Hz), che rispondono a onde di frequenza più bassa. Infine, per registrare i forti terremoti locali si usano dei sismografi strong motion che, a differenza dei precedenti strumenti, applicano un’amplificazione minima (inferiore a 100 ×) al movimento del suolo.

Come un’amplificazione è necessaria per raggiungere la sensibilità desiderata, così un filtraggio in frequenza via hardware (oppure via software, ma allora non in tempo reale, del segnale digitale) è utile per selezionare l’intervallo di frequenze, o “banda”, del segnale più opportuno da evidenziare in funzione dei nostri interessi. Ad esempio, a livello amatoriale il segnale viene di solito filtrato eliminando tutte le frequenze superiori almeno ai 10 Hz, per sopprimere o quanto meno attenuare il rumore “civile” urbano (traffico, officine, persone che camminano a pochi metri dal sensore, etc.). Nonostante questo filtraggio del segnale, comunque, la traccia sismica conterrà sempre un rumore di fondo che non coincide con un aumento dell’attività sismica. Per una regola base della conversione A/D (il teorema di Nyquist), un segnale va campionato ad almeno il doppio della frequenza massima (f₀) che occorre registrare, altrimenti la forma d’onda campionata sarà molto diversa da quella originale, e ciò può condurre l’osservatore ad errate conclusioni. Onde evitare errori di aliasing – come viene in gergo chiamato questo deleterio fenomeno, dalla parola latina alias (“altro”) – si raccomanda, in pratica, di campionare il segnale analogico a 4-5 volte la frequenza f₀; nonché di eliminare, attraverso un filtro elettronico posto a monte del convertitore A/D, le frequenze superiori a f₀ (altrimenti otterremo, in uscita dall’ADC, delle forme d’onda spurie che sono alias delle frequenze superiori a f₀). Dunque, per registrare ad esempio l’intervallo in frequenza da 0 a 10 Hz, dovremo prendere 50 campioni al secondo e filtrare a 10 Hz il segnale proveniente dal sensore: naturalmente, se già filtriamo tale segnale a 10 Hz (via hardware) per eliminare il rumore urbano, per quanto riguarda il filtraggio siamo già a posto.

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Sismografi per lo scienziato dilettante

Le componenti di un sismografo più difficili da realizzare sono senza dubbio i sensori di movimento, costituiti di solito da pendoli di varia natura che funzionano tutti con lo stesso principio ma differiscono tra loro per caratteristiche tecniche e costruttive. Scartando l’idea di usare dei sensori professionali (Kinemetrics, Geotech, etc.) a causa del loro costo assai elevato, il sensore sismico va autocostruito o, al massimo, acquistato usato.

I modi per mettere a punto un sensore per il nostro sismografo sono tantissimi, parecchi dei quali estremamente semplici. I sensori più facili da assemblare in assoluto sono i cosiddetti geofoni, dei dispositivi usati per ricerche petrolifere o per prospezioni geologiche costituiti sostanzialmente da un magnete permanente libero di oscillare posto vicino a una bobina di filo di rame, la cui corrente indotta va amplificata e filtrata. I geofoni sono molto semplici da costruire, e rappresentano i più economici sensori sismici. Pur essendo sensibili, hanno due svantaggi di cui occorre tener conto. Il primo è che si tratta di sensori a cortissimo periodo, con una “frequenza naturale” (definita come la frequenza alla quale il sistema – molla o pendolo che sia - compie un’oscillazione completa) spesso di 4,5 Hz o superiore, il che li rende utilizzabili solo per il monitoraggio della sismicità locale fino a un raggio di 100 km. Il secondo è che sono sensori “generici”, cioè percepiscono soltanto che il suolo si è mosso, senza dare un’idea precisa del tipo di movimento: ciò li rende utili al massimo per stimare la distanza del sisma, non per misure di magnitudo o altre analisi raffinate

Per la sismologia amatoriale, un buon sismografo “orizzontale” (ossia che rivela le oscillazioni laterali del suolo) a corto periodo è quello progettato dal mensile Nuova Elettronica con i suoi kit LX1358-59-60 e descritto nel N.195 del Giugno-Luglio 1998, kit ai quali va aggiunto il mobile contenitore (MO1358) e l’eventuale stampante termica STP1010. Il sensore è costituito da un nucleo ferroxcube che si può muovere liberamente all’interno di quattro bobine con una sospensione detta di Shackleford-Gundersen. Il progetto di un eccellente sismografo orizzontale a lungo periodo che utilizzava lo stesso tipo di sensore ma un diverso circuito elettronico era stato pubblicato con notevole successo dalla stessa rivista nel N.130-131 del Maggio-Giugno 1989. Quest’ultimo kit ora non è più disponibile, ma come sensore si può usare lo stadio LX1358, mentre i componenti elettronici previsti da quel progetto circuitale sono ancora reperibili sul mercato. Dal sito Nuovaelettronica.it, possono essere acquistati sia i numeri arretrati sia i singoli kit.

Nel già citato sito web gestito da Larry Cochrane, quello del Public Seismic Network (PSN), troverete invece varie figure e schemi dettagliati di come realizzare due ottimi sismografi orizzontali a lungo periodo, con sensore del tipo di Shackleford-Gundersen o di Lehman, basati rispettivamente su due articoli usciti nel Settembre 1975 e nel Luglio 1979 sul mensile Scientific American. Si tratta, anche in questo caso, di strumenti semi-professionali, realizzabili a scopo didattico da Istituti Tecnici o semplici appassionati grazie alla possibilità di acquistare dallo stesso Cochrane almeno parte del materiale necessario per la loro costruzione, compresa la circuiteria elettronica. Nel già menzionato sito web di Mauro Mariotti, infine, troverete le indicazioni per la realizzazione di un elementare sensore verticale a corto periodo e di un geofono, oltre che gli schemi di schede ADC ed alcune interessanti migliorie tecniche applicabili ai sismografi di Nuova Elettronica (sotto la completa responsabilità di chi decide di eseguirle).

Infine, un tipo di sismografo interamente elettronico del tipo strong motion può essere facilmente realizzato utilizzando come sensore non un pendolo, bensì un accelerometro, un minuscolo chip impiegato su larga scala dall’industria automobilistica nella realizzazione degli airbag, il quale può rivelare le accelerazioni prodotte dai più violenti terremoti locali. Con l’aggiunta di pochi altri comunissimi componenti, il chip può essere utilizzato come una sorta di sismometro e venire collegato al computer tramite una scheda ADC. Un circuito molto semplice, che utilizza come accelerometro l’ADXL05 della Analog Devices, è illustrato in un articolo pubblicato nell’Aprile 1996 dalla rivista Scientific American. Il grosso neo di questo tipo di sismografi è che, affinché registrino qualcosa, occorre un terremoto locale piuttosto forte, per cui non bisogna sorprendersi se trascorrono come minimo parecchi mesi senza che tali apparati rivelino un evento sismico. Ciò li rende naturalmente di gran lunga meno interessanti e diffusi tra i dilettanti rispetto a tutti i ben più sensibili strumenti descritti in precedenza.

Come creare una stazione sismologica

Qualunque sia il tipo di sismografo che deciderete di costruire, arriverà poi il momento di scegliere se dedicarsi all’osservazione più o meno in solitario degli eventi sismici, magari per semplice curiosità o per il gusto di emulare i professionisti, oppure se realizzare una vera e propria stazione sismologica inserita in una rete operante a livello locale o internazionale. Chi desidera intraprendere un’attività amatoriale nell’affascinante campo della sismologia può prendere in considerazione la possibilità di diventare membro della Rete Sismica Sperimentale Italiana (IESN), che opera in forma privata ed in tempo reale su tutto il territorio italiano con una decina di stazioni di rilevamento, gestite da altrettanti individui singoli o gruppi di persone. La IESN, aderisce al ben più ampio Public Seismic Network (PSN), una rete mondiale – composta da decine di osservatori dilettanti sparsi in varie zone del globo – gestita ottimamente dall’instancabile Larry Cochrane. Entrambe le reti tengono d’occhio la microsismicità a livello nazionale e gli eventi di più rilevante magnitudo che si verificano a livello globale, mettendo i dati raccolti a disposizione del pubblico e degli affiliati, via Internet.

Se pensate di utilizzare un solo sismografo, allora il nostro consiglio è quello di indirizzarsi su uno strumento orizzontale a lungo periodo (come ad esempio quello di Lehman), che è in grado di rivelare terremoti di magnitudo relativamente modesta finanche a migliaia di chilometri di distanza. Si noti che in Italia conviene orientare un tale sensore in direzione Est-Ovest, perché così è più facile percepire gli eventi lontani, che avvengono solitamente nelle cinture tropicali. In alternativa, specie se si è agli inizi, si può optare per la costruzione di un sismografo orizzontale a corto periodo (come ad esempio quello di Nuova Elettronica) oppure di un sensore verticale, tipicamente a periodo abbastanza corto (circa 1 Hz), strumenti più adatti per il monitoraggio dei terremoti a livello locale. Non a caso, la Rete Sismica Nazionale dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) utilizza in prevalenza sensori di questo tipo per tenere sotto controllo il territorio italiano.

La maggior parte delle stazioni del PSN hanno un solo sismografo, sebbene una stazione sismologica ben attrezzata impieghi almeno tre elementi sensibili, per poter registrare contemporaneamente le 3 componenti del moto del suolo: oscillazioni orizzontali nella direzione Nord-Sud (N-S, o “N”) e nella direzione Est-Ovest (E-O, o “E”) e movimenti verticali (U-D, o “Z”). Se la vostra stazione sarà composta da tre elementi sensibili, allora vi conviene decisamente orientarvi su due sismografi orizzontali a lungo periodo N e E, in grado di registrare anche i terremoti lontani, e su un sismografo verticale Z a corto periodo, che vi fornirà la componente sussultoria dei sismi locali e regionali. Una stazione sismologica non può dirsi comunque totalmente completa se non ha anche un set di sensori strong motion, per permettere la registrazione dei seppur rari terremoti locali medio-forti, che farebbero andare senz’altro fuori scala gli altri sismografi, specie quelli a corto periodo.

Uno dei più efficienti e completi osservatori sismologici costruiti da un dilettante viene mantenuto in esercizio dal già citato Larry Cochrane a Redwood City, in California. Dato che in genere più strumenti, sostanzialmente diversi, sono sempre in funzione nel suo laboratorio, egli difficilmente perde la cognizione di un qualsiasi movimento tellurico si verifichi sulla Terra. Ma per avere enormi soddisfazioni in campo sismologico è sufficiente avere anche un solo strumento, perché tutti i terremoti hanno componenti in tutte le direzioni. Ciò che conta davvero è sapere come utilizzare al meglio il proprio apparato per ricavare delle informazioni relative agli eventi registrati.

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