Enrico Barsanti
Brevettato
© Copyright 1997 by Enrico Barsanti - Barga (Lucca)
Nella ricerca per la previsione dei terremoti, riveste una certa importanza
l'osservazione delle variazioni del campo magnetico terrestre, come risulta
da studi condotti in alcuni paesi (Vedere la Bibliografia). In effetti è
dimostrata ampiamente la presenza di variazioni geomagnetiche prima dei terremoti
(Ad es. Rikitake, 1976 e 1987) e ciò si può spiegare con l'effetto
piezomagnetico che si determina per l'enorme pressione e stiramento a cui
sono sottoposte le rocce focali prima della liberazione dell'energia
sismica.
Il rilevamento sistematico di tali variazioni nel loro massimo stadio (variazioni
sismomagnetiche), che permetterebbe di prevedere i terremoti alcuni giorni
prima, non è però cosa attualmente possibile, soprattutto per
due motivi. Il primo è di carattere economico, perché una rete
di moderni magnetometri in grado di tenere costantemente sotto osservazione
un intero territorio è estremamente costosa, e si ritiene quindi
improbabile una sua realizzazione (Mulargia & Boschi, 1978). Il secondo
motivo è di ordine tecnico, perché sebbene le anomalie causino
delle modificazioni del campo geomagnetico sia in intensità che in
direzione e sebbene le anomalie di origine crostale (come quelle sismomagnetiche)
abbiano effetti notevoli soprattutto sulla variazione di direzione della
polarizzazione magnetica (Cassinis, 1989, pag.84), le osservazioni si compiono
con strumenti che misurano l'intensità, e le variazioni sismomagnetiche
rilevate risultano molto deboli e perciò non distinguibili chiaramente
dal rumore di fondo.
Il presente strumento porta un contributo alla soluzione di entrambi i suddetti
problemi. Primo perché è molto economico, pur avendo doti di
affidabilità e precisione più che buone per lo scopo che ci
si prefigge. Secondo perché rileva direttamente, con monitoraggio
continuo, le variazioni di direzione del campo geomagnetico. Inoltre esso
può segnalare da solo variazioni superiori a una determinata soglia
che, secondo la zona, possono corrispondere a variazioni sismomagnetiche.
Lo strumento dunque può svolgere due diverse funzioni:
FUNZIONE 1:
Se collegato con apparecchiature esterne di lettura e registrazione, permette
di tenere sotto osservazione le variazioni di direzione del campo geomagnetico
nella zona dove esso è collocato, con utilità nel funzionamento
in rete per un monitoraggio economico di ampie aree, come un intero territorio
nazionale, ai fini (e non solo) della ricerca scientifica sulla previsione
dei terremoti.
FUNZIONE 2:
Se utilizzato come segnalatore automatico di variazioni oltre una certa soglia
regolabile (utilizzando un proprio dispositivo interno), può indicare
la presenza di variazioni sismomagnetiche, consentendo per la prima volta
anche a singoli utenti (comunità, enti, cittadini) di utilizzare uno
strumento per la previsione dei terremoti, con un grado accettabile di
affidabilità.
Componenti dello strumento e loro funzioni
Lo strumento è composto di due parti fisicamente distinte e
distanziate:
1) il rilevatore magnetico; 2) la centralina di alimentazione, pilotaggio,
lettura e avviso.
1. Rilevatore magnetico
Questa parte è costituita da un trasduttore ad ago magnetico per rilevare
le variazioni locali della direzione del campo magnetico terrestre e da un
trasduttore ottico (pick-up optoelettronico) che permette di trasformare
tali variazioni in segnali elettrici, entrambi racchiusi in un contenitore
cilindrico, opaco e coibente, di materiale amagnetico. Il contenitore, con
base e altezza di circa cm 6, ha un proprio appoggio, anch'esso amagnetico,
che consente di fissarlo stabilmente su qualunque superficie liscia, in modo
da inclinarlo e orientarlo (tramite una vite senza fine) nella direzione
dovuta. L'ago magnetico, del tipo usato nelle bussole di declinazione (ma
in alcune zone conviene il tipo usato in quelle di inclinazione, o entrambi),
è girevole intorno a un asse fissato sul disco interno della base.
Il trasduttore optoelettronico è formato da un diodo emettitore di
luce (led) all'infrarosso e da un fototransistor accoppiato, per rilevare
qualsiasi spostamento dell'ago magnetico. Il fototransistor, fissato sul
disco interno della base circolare del contenitore, che tiene lo stesso asse
di appoggio della bussola, è collocato a circa mezzo centimetro dall'ago
magnetico e verso l'estremità che indica il Sud dove la larghezza
dell'ago è in grado di ricoprirlo esattamente e completamente. Dalla
parte opposta, a due centimetri dall'ago stesso e allineato col fototransistor,
è situato il diodo led, fissato sul disco interno del coperchio che
chiude il contenitore. La distanza di due centimetri dipende dal fatto che
generalmente in commercio si trovano led con i piedini di materiale ferroso
che, se troppo vicini, possono disturbare l'ago magnetico. Per la declinazione,
al centro del disco interno del coperchio è fissato un secondo asse,
che arriva a sfiorare (senza toccare) la parte centrale e superiore dell'ago
magnetico, impedendogli di uscire di sede durante la fase di installazione.
Sulla parte esterna (disco esterno) del coperchio sono segnati due punti,
uno al centro e uno in corrispondenza del led, utili per la messa a punto.
2. Centralina di alimentazione, pilotaggio, lettura e avviso
La centralina è racchiusa in una scatola metallica (circa cm 20x15x10)
ed è composta dalle seguenti parti: 1) alimentatore generale; 2) piastra
di pilotaggio e lettura; 3) dispositivo di avviso.
2.1. Alimentatore generale
L'alimentatore è costituito da una batteria ermetica di accumulatori
al piombo a 12 volt, con una capacità di circa 1,8 - 2,7 amperora,
collegata in circuito tampone a un alimentatore stabilizzato con ingresso
da rete e in grado di erogare una corrente massima di carica di 0,5 ampere
alla tensione di 13,6 volt. Tale sistema garantisce una continuità
di funzionamento per diverse ore, in mancanza di energia dalla rete elettrica,
ed una ragionevole rapidità di ricarica della batteria.
2.2. Piastra di pilotaggio e lettura
Questa parte è costituita dai circuiti elettronici per l'alimentazione
del trasduttore ottico e per l'amplificazione del segnale da esso fornito,
permettendo la lettura e la registrazione dei valori delle variazioni, se
collegato con appositi apparecchi esterni.
Consiste di:
A) Una presa di alimentazione collegata alla linea a 12 volt cc nominali
dell'alimentatore generale.
B) Un regolatore di tensione, alimentato con la presa del punto A, con uscita
di 5 volt.
C) Un circuito per l'alimentazione a corrente costante del diodo led
all'infrarosso.
D) Un circuito di alimentazione del fototransistor.
E) Un circuito di amplificazione della corrente passante per il fototransistor,
in modo da avere una regolazione del guadagno da 0 a circa 100 volte. La
tensione presente sul collettore del fototransistor viene inviata all'ingresso
non invertente dell'amplificatore. L'ingresso invertente è mantenuto
a una tensione di 2,5 volt, ottenuta tramite partitore resistivo dal regolatore
del punto B.
F) Un voltmetro, collegato all'uscita del circuito del punto precedente,
utile per la taratura dello strumento e la lettura immediata delle
variazioni.
G) Una presa collegata all'uscita del circuito del punto E per la connessione
dello strumento con eventuali apparecchi esterni di lettura e registrazione
delle variazioni.
2.3. Dispositivo di avviso
Si tratta di un dispositivo disinseribile per l'interpretazione delle variazioni
geomagnetiche rilevate che può avvisare del probabile verificarsi
di un terremoto qualora le variazioni superino un prescelto valore di
soglia.
Esso è composto da un circuito (indipendente, con un proprio
discriminatore) che permette di regolare quanto possa oscillare in più
o in meno la tensione di uscita del circuito del punto E, rispetto alla tensione
mediana, prima che sia accesa una coppia di led "di sinistra" (variazione
in meno oltre la soglia prescelta rispetto alla tensione mediana) o che sia
accesa una coppia di led "di destra" (variazione in più).
Entrambe le coppie di led sono formate da un led rosso che rimane acceso
solo durante la variazione e da un led giallo (con funzione di memoria) che
invece rimane acceso finché non viene premuto un pulsante di
spegnimento.
In caso di superamento dei valori di soglia, sia in più che in meno,
può anche essere azionato un microrelè comandato da un
temporizzatore che permette di chiudere un circuito con cicalina piezoelettrica
per un tempo regolabile (Es. 30 secondi).
a) Il rilevatore si fissa stabilmente con la base orizzontale (se del tipo
utilizzato per la declinazione) nella parte alta di un muro, in posizione
non casualmente accessibile alle persone e il più lontano possibile
da fonti magnetiche di disturbo, come il traffico di automezzi, un generatore
di corrente continua, degli altoparlanti, ecc..
b) La centralina si colloca ad almeno due metri dal rilevatore e deve essere
collegata ad esso con cavo elettrico schermato, dal momento che la separazione
tra le due parti si rende opportuna per evitare disturbi dovuti ai componenti
che sono presenti nei circuiti elettronici, che in ogni caso devono essere
schermati elettricamente.
Essa mostra nel frontale, disposti in modo adeguato e funzionale, il voltmetro,
tre buchini per accedere con un cacciavite ai potenziometri di regolazione
del guadagno, del valore di soglia e del temporizzatore, le due coppie di
led di sinistra e di destra, il pulsante di spegnimento dei led gialli di
memoria, l'interruttore di accensione del dispositivo di avviso e quello
del temporizzatore, la presa per il collegamento con apparecchi esterni.
c) Si agisce girando i potenziometri del guadagno e del valore di soglia
a circa un terzo della loro escursione e girando la base del rilevatore (con
la vite senza fine) intorno al proprio asse, in modo tale che il puntino
disegnato sul coperchio in corrispondenza del led del sistema optoelettronico
sia verso Sud, e quindi la parte dell'ago magnetico che indica il Sud si
trovi approssimativamente tra il led e il fototransistor. A questo punto
si gira ancora la vite senza fine finché il voltmetro della centralina
non indichi il valore di metà scala. Quest'ultima condizione si ottiene
quando l'ago magnetico oltrepassa da una parte o dall'altra la linea ideale
che attraversa il centro del sistema optoelettronico, in modo tale che solo
una parte della luce del led (parzialmente oscurato dall'ago magnetico) raggiunga
il fototransistor. Lo strumento è così regolato in posizione
di "riposo". I potenziometri possono poi essere girati nuovamente, permettendo
di regolare adeguatamente la sensibilità e il valore di soglia.
d) Per nuove regolazioni può essere sufficiente agire leggermente
sulla vite senza fine, ad esempio per sopperire alle normali variazioni generali
del campo magnetico terrestre (variazioni secolari).
In caso di variazione del campo geomagnetico, e quindi di spostamento dell'ago magnetico, il voltmetro indicherà un valore diverso. Se è presente il collegamento con apparecchi esterni di lettura e registrazione, l'indicazione mediana del voltmetro deve corrispondere al segnale di centro, mentre una variazione dell'indice deve corrispondere proporzionalmente allo spostamento del segnale verso l'una o l'altra delle bande laterali. Se viene utilizzato il sistema di avviso, devono risultare spenti i led rossi e gialli, e solo quando le variazioni superano la soglia prescelta si accenderà, a seconda del tipo di spostamento, l'una o l'altra delle due coppie di led e potrà suonare, se inserita, la cicalina per il tempo voluto.
RISULTATI TEORICO-SPERIMENTALI
1) Lo strumento è molto economico (prodotto industrialmente potrebbe
avere un costo di vendita intorno alle cento o duecentomila lire).
2) Ha una buona precisione e sensibilità (è in grado di rilevare
abbondantemente le variazioni del campo geomagnetico provocate da un'automobile
che si trovi ad oltre cento metri di distanza dal sensore - un'automobile
a 50 metri provoca approssimativamente una variazione di intensità
di appena 1 nT). La sensibilità è quindi decisamente superiore
a quella dei magnetometri classici, anche se ovviamente inferiore a quella
di un magnetometro a precessione protonica.
3) Rispetto ai moderni e costosi magnetometri comunemente usati, esso rileva
direttamente le variazioni di direzione del campo geomagnetico, permettendo
di osservare forme diverse delle medesime anomalie.
4) Realizzato appositamente per la previsione dei terremoti, è stato
sperimentato a partire dal 1985 e ha permesso di rilevare variazioni
geomagnetiche che si originano qualche giorno prima di un terremoto e si
concludono qualche giorno dopo, con valori massimi, relativamente consistenti,
presenti in media due giorni e mezzo prima dei terremoti.
Sul piano sperimentale, del resto, l'associazione delle variazioni del campo
geomagnetico ai terremoti risale perlomeno a circa due secoli fa (osservazione
di Von Humboldt).
Sul piano teorico, la spiegazione di tale rapporto si trova nelle opere di
F.D.Stacey e T.Nagata (vedere la Bibliografia).
I risultati ottenuti col presente strumento (che non rileva valori assoluti,
ma variazioni nel corso del tempo) dimostrano che è possibile realizzare
una rete economica di variometri mirati e sufficientemente sensibili. Esso
apporta un nuovo contributo tecnico, perché consente con facilità
e in modo diretto un rilevamento continuo delle variazioni di direzione e
non una determinazione della direzione del campo attraverso la composizione
vettoriale delle intensità delle componenti. Questo incide sulla forma
delle anomalie rilevate, dal momento che esse sono influenzate dalle
modalità di misura, e quelle di origine crostale provocano variazioni
notevoli soprattutto di direzione. A questo riguardo si possono ricordare
tre fatti:
1) i ricercatori di pozzi petroliferi e di giacimenti minerari traggono poco
aiuto da misurazioni del campo totale, e quando gli strumenti lo consentono
cercano di misurare le componenti (l'ipotesi che la direzione del campo
perturbato coincida con quella del campo normale è accettabile quando
il vettore anomalia è piccolo rispetto al campo normale);
2) le tabelle che riportano le variazioni geomagnetiche prima di terremoti
importanti (Rikitake, 1976), e di solito portate come esempio di misure poco
attendibili fatte in passato, possono anche mostrare come tali variazioni
risultino consistenti se rilevate con misure angolari, un po' più
deboli se misurate con le intensità delle componenti e del tutto lievi,
tali da confondersi col rumore di fondo, se misurate con l'intensità
del campo totale;
3) in generale, i valori rapportati alla declinazione, ma misurati con il
campo totale, sono molto inferiori a quelli misurati direttamente con gli
angoli, come lo strumento può dimostrare sulla base delle stesse
variazioni diurne.
Naturalmente nessuno vuole mettere in dubbio l'utilità e la precisione
di altri strumenti, si dice solo che si dovrebbe notare come la misurazione
delle anomalie sia cosa sicuramente dipendente dall'elemento osservato e
dal tipo di strumento utilizzato; del resto, quello che qui interessa non
è tanto la difficile determinazione di valori assoluti riguardanti
il campo geomagnetico, ma soltanto le sue variazioni. La troppa sensibilità
comunque può rivelarsi un ostacolo, a causa di disturbi di origine
antropica, e sembra proprio che le variazioni sismomagnetiche si presentino
con valori superiori al rumore di fondo solo se rilevate con misurazioni
angolari.
Le prospettive sono numerose, legate sia all'ambito della ricerca scientifica,
sia all'applicazione pratica rivolta ad utenti finali.
La prima può trarre vantaggio dallo strumento che, a un prezzo decisamente
basso, comunque offre garanzie di affidabilità e precisione; la seconda
è essa stessa interessante e possibile, pur considerando le
difficoltà psicologiche e sociali connesse in generale alla previsione
dei terremoti.
Per la previsione dei terremoti sarebbe utile la costituzione di una rete
di rilevamento delle variazioni del campo geomagnetico. Attualmente, però,
ciò trova un ostacolo negli alti costi dei magnetometri moderni. Per
di più questi apparecchi non tengono sotto osservazione diretta le
variazioni di direzione, fondamentali allo scopo. Lo strumento qui descritto
risolve entrambi i problemi.
Esso è composto di due parti distinte: il rilevatore magnetico e la
centralina di alimentazione, pilotaggio, lettura e avviso.
Il rilevatore è racchiuso in un contenitore di materiale amagnetico
di forma cilindrica, ed è costituito esclusivamente dai componenti
specifici per il rilevamento delle variazioni di direzione.
La centralina è costituita da una batteria ermetica di accumulatori
con sistema di carica in tampone, dai circuiti di alimentazione e lettura
del rilevatore e dal sistema di avviso.
Lo strumento, se collegato con apparecchiature esterne di lettura e
registrazione, offre un'economica e valida alternativa ai magnetometri nella
ricerca sulla previsione dei terremoti, con buoni livelli di sensibilità
e precisione.
Se utilizzato come segnalatore di variazioni oltre una certa soglia (utilizzando
il proprio dispositivo interno), può indicare esso stesso con un discreto
grado di probabilità l'eventuale verificarsi di un terremoto.
Fine