Discriminazione tra eventi sismici naturali ed esplosioni nucleari sotterranee

Abstract

Nel 1996, l'Assemblea generale delle Nazioni Unite ha adottato il Comprehensivenuclear-Test-Ban-Treaty (CTBT), Trattato per la proibizione totale delle esplosioninucleari e la sua rispettiva organizzazione (CTBTO). L’Italia è membro permanente del Consiglio Esecutivo della CTBTO, e come Stato firmatario ha la possibilità di effettuare proprie valutazioni soggettive sull’osservanza del Trattato da parte degli altri firmatari, sulla base delle informazioni di carattere oggettivo diffuse dal Centro Internazionale Dati (IDC), facente parte del sistema di verifiche messo a punto dalla CTBTO. Il presente lavoro di ricerca si colloca proprio all’interno di tale contesto, ed è stato sviluppato nell’ambito delle attività che l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) svolge presso l’Unità Tecnica Operativa del Ministero degli Affari Esteri. L’INGV infatti fa parte integrante della struttura nazionale di attuazione del Trattato ai sensi della L. 197/2003, con l’incarico di gestire il Centro Nazionale Dati che si interfaccia con l’IDC. Lo scopo di questo lavoro di ricerca è stato quello di sviluppare una metodologia innovativa per la discriminazione fra eventi sismici naturali ed esplosioni nucleari sotterranee, basato sia su una rigorosa modellazione fisica delle sorgenti sismiche, sia su un’accurata analisi sperimentale dei dati rilevati dal Sistema di Monitoraggio Internazionale (IMS). In particolare possono essere individuate due fasi tra loro complementari di questo lavoro: una fase prettamente fisica e sperimentale mirata ad un’ estensione in ambito regionale del classico discriminante mb : M S (basato sulla constatazione che per sorgenti di tipo esplosivo la magnitudo ottenuta dalle onde di volume (mb) a breve periodo è considerevolmente maggiore di quella ottenuta dalle onde superficiali (Ms) a lungo periodo), ed un’altra fase legata ad una trattazione su basi statistiche, della discriminazione attraverso l’utilizzo di tecniche di analisi statistiche multivariate. La metodologia prescelta per l’individuazione della natura delle sorgenti sismiche si basa sulla recente letteratura sull’argomento. Essa tende a valorizzare l’informazione contenuta nelle registrazioni sismiche a larga banda, per quanto riguarda soprattutto il contenuto in onde sismiche superficiali a periodo considerevolmente inferiore a quello sul quale è tipicamente definita la magnitudo Ms. Queste onde sono rilevabili a distanze relativamente brevi (entro alcune migliaia di km) dalle sorgenti, e per questo particolarmente adatte all’analisi degli eventi di piccole dimensioni, come quelli costituiti dall’esplosione di cariche nucleari al disotto di 1 kt di potenza. L’applicazione di tale idea ha consentito di ottenere, in particolar modo per le stazioni vicine, un miglioramento nel rapporto segnale/disturbo e una più agevole determinazione dei valori di ampiezze e magnitudo, mediante i quali sono stati ottenuti dati utili ai fini della discriminazione. Il metodo prescelto in questo lavoro di tesi è basato sul confronto fra l’ampiezza osservata e quella ottenuta teoricamente per l’onda di Rayleigh nel caso di una sorgente esplosiva. Si dimostra che, a parità di distanza dalla sorgente, il logaritmo di tale ampiezza è linearmente correlato alla magnitudo mb dell’evento considerato. Si è adottato il criterio di dichiarare come esplosivo un evento sismico per il quale l’ampiezza dell’onda di Rayleigh osservata supera quella teorica. L’analisi fatta sui dati del test nucleare condotto dalla R.P.D. della Corea del 25-05-2009 ha poi permesso, per la prima volta con buona precisione, di poter calibrare la costante q delle rette decisionali log(A) = 1.18mb + q in funzione della distanza. La metodologia applicata a dati successivi, e chiaramente indipendenti dai precedenti, ha poi consentito di verificare che per eventi naturali i valori di log(A) si collocavano correttamente al di sopra della retta decisionale. La seconda fase, invece, ha riguardato l’ottimizzazione e l’applicazione delle tecniche statistiche multivariate: in particolar modo, del metodo della “Analisi Discriminante”, sia come algoritmo statistico di discriminazione, sia come strumento di verifica della metodologia sviluppata nella fase precedentemente descritta. La messa a punto di tale tecnica e la sua successiva applicazione hanno infatti fornito un supporto matematico oggettivo al lavoro svolto. Tale metodologia è stata ottimizzata come algoritmo indipendente di discriminazione, applicata ad un gruppo di eventi generici e ad un gruppo costituito dagli eventi non screen-out (ovvero eventi non classificati come eventi sicuramente naturali dall’IDC). Per entrambi i gruppi sono stati ottenuti ottimi risultati sempre in relazione alle attuali tecniche di screening utilizzate presso la CTBTO. Un’ulteriore innovazione è stata quella dell’introduzione e dell’utilizzo delle probabilità a priori come mezzo matematico “di pilotaggio” della discriminazione. Tale introduzione permette infatti di tener conto di informazioni indipendenti da quelle puramente geofisiche (ad esempio quelle provenienti da operazioni di “intelligence” etc). L’inserimento di tali informazioni nel processo decisionale, cosa fino ad ora non contemplata da nessuna metodologia di discriminazione dell’ambito CTBTO, potrà essere utilizzato in futuro in un contesto politico nazionale di applicazione del sistema di verifica del CTBT.