La stazione geofisica dei pendoli

La stazione geofisica ipogea che ospita i pendoli e tutta la strumentazione è ospitata in un piccolo edificio posto sul Piazzale di fondo all’interno della grande cavità .

I pendoli della Grotta Gigante furono costruiti all’inizio degli anni ’60 sotto la supervisione del prof.A. Marussi allo scopo di registrare tutte le deformazioni alle quali è sottoposta la Grotta Gigante. Dal 1960, anno in cui sono iniziate le misure, ha fornito una serie ininterrotta di dati.

La stazione è di proprietà /gestita dal Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Trieste ed è sotto la responsabilità scientifica della Dott.ssa C. Braitenberg. Riceve inoltre una sovvenzione da parte dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia.

I dati raccolti rappresentano lo spostamento reciproco orizzontale di due punti situati rispettivamente sulla volta e sul fondo della grotta. Dopo essere stati elaborati e graficati i dati sono in grado di fornire preziose indicazioni sui movimenti lenti della crosta del nostro pianeta. All’esperienza umana la superficie terrestre appare normalmente ferma ed immobile, se si escludono le scosse provocate da forti terremoti o da potenti esplosioni. In realtà la crosta terrestre è continuamente soggetta a molteplici deformazioni, le cui cause ed effetti variano enormemente tra di loro. Queste deformazioni avvengono molto lentamente e richiedono decine di anni di osservazioni continue per essere rilevate, inoltre, trattandosi di movimenti piccolissimi, la maggior parte di essi possono essere rilevati solo da strumenti particolari dotati di una grande sensibilità .

Gli scienziati che studiano i movimenti lenti del nostro pianeta utilizzano diversi strumenti, tra cui sismometri e clinometri (chiamati anche pendoli geodetici). Entrambi questi tipo di strumenti sono presenti nella Grotta Gigante e fanno parte della Stazione Geofisica situata sul fondo della cavità .

I primi sono costruiti per rilevare le onde sismiche e tutti i movimenti veloci del terreno, i secondi invece misurano movimenti lenti come le piccole deformazioni della crosta per esempio indotte da terremoti, da effetti di marea, da movimenti tettonici delle placche o da effetti idrologici. Le deformazioni misurate dai pendoli possono essere suddivise nelle seguenti componenti:

- variazione di inclinazione (cioè l’angolo tra la verticale e la retta formata da due punti fissati rispettivamente alla volta ed al pavimento)

- deformazione di taglio

- rotazione della grotta

- oscillazioni orizzontali del terreno causate da onde sismiche

La scelta di collocare questi strumenti in questo sito si è rivelata molto buona, grazie alle particolari caratteristiche geo-morfologiche della cavità ed alle eccezionali dimensioni della volta (= caratteristichedistabilità dell’ambiente->rumore attenuato) la quali insieme hanno permesso la realizzazione di uno strumento in grado di misurare deformazioni dell’ordine di 1/2 nanoradiante*.

Agli occhi del visitatore i due pendoli si presentano come due lunghi tubi di plastica (vedi foto in Fig.1) che si staccano dalla volta e terminano sul tetto di una casetta posta sul Piazzale di Fondo. In realtà i pendoli veri e propri sono nascosti e si trovano dentro l’edificio che ospita la strumentazione, mentre quello che appare all’esterno sono solo i lunghi tubi (chiamati camicie) che proteggono i fili con cui i pendoli orizzontali sono attaccati alla volta (vedi Fig.2a).

Caratteristiche meccaniche e raccolta dei dati

Tecnicamente i pendoli sono stati realizzati mediante una sospensione bifilare detta di Zöllner. Ognuno di essi è composto da una asta lunga circa 1 metro e mezzo attaccata alla volta ed al suolo mediante due fili. L’asta di ogni pendolo è libera di ruotare nel piano orizzontale attorno ad un asse virtuale passante per il punto d’attacco superiore del filo superiore ed inferiore del filo inferiore (vedi Fig.2b).

Le due aste sono disposte a 90° tra di loro, in direzione N-S ed E-W (vedi Fig.3), in modo da misurare entrambe le componenti della deformazione.

Ogni deformazione della grotta corrisponde ad una piccola rotazione delle aste dei pendoli, la cui ampiezza è di diversi ordini di grandezza superiore a quella della variabile che si vuole misurare (l’inclinazione della grotta rispetto alla verticale).

Due rilevatori CCD provvedono a misurare l’angolo di rotazione dei pendoli tramite un raggio laser riflesso da uno specchio che ruota insieme all’asta del pendolo. Il segnale digitale cosi’ ottenuto viene trasmesso in superficie mediante cavo per essere raccolto, memorizzato e analizzatio dai ricercatori.

Osservazioni e studi realizzate grazie ai pendoli

I dati di inclinazione ottenuti grazie ai pendoli sono stati utilizzati per studiare alcuni eventi sismici molto particolari come il terremoto del Cile avvenuto nel 1960 (magnitudo 9.5) e quello piu’ recente di Sumatra che ha (tristemente) interessato l’Indonesia nel dicembre 2004 (magnitudo 9.3). Entrambi gli eventi hanno permesso lo studio delle oscillazioni libere della Terra.

Lo studio della serie storica di dati a partire dal 1960 hanno invece permesso di studiare le variazioni annuali e secolari. Con il termine secolare si intendono variazioni di inclinazione che interessano intervalli di tempo da qualche anno a qualche decina d’ anni. I dati indicano un’inclinazione media verso NO del punto di misura, che corrisponde al movimento della crosta causato dallo scontro della placca Adria con la placca Eurasiatica (vedi Fig.4). Inoltreo è stato appurato che la grotta subisce una variazione di inclinazione che segue un ciclo stagionale dalla durata di un anno, durante il quale la grotta subisce una massima inclinazione verso SW in Novembre e verso NE in Marzo.

E’ da ricordare che per i tre anni precedenti il disastroso sisma Friulano del 6 maggio 1976 i pendoli hanno registrato oscillazioni anomale aventi una periodicità di quqalche minuto, che sono cessate in concomitanza con il terremoto. Dopo l’evento queste oscillazioni sono state interpretate come movimenti precursori (Zadro, 1978; Bonafede et al., 1086). Fino a oggi quei segnali non si sono ripetuti, ma se in futuro si ripetessero potrebbero fornire un campanello d’allarme. Altre stazioni sotterranee per il monitoraggio della deformazione con strumenti di grandi dimensioni(>40 m) sono in funzione oggi in Giappone, California e Belgio.

(Nella seguente) tabella( vengono elencati alcune) delle componenti piu’ significative che contribuiscono alla deformazione della grotta:

- fenomeni mareali (dovuti all’attrazione lunisolare)

- cause tettoniche (eventi sismici locali e oscillazioni libere della Terra causate da grandi terremoti)

- cause annuali (spostamenti delle acque sotterranee e ad effetti termoelastici collegati alla dilatazione e contrazione della crosta al variare della temperatura annuale, direzione SW - NE)

- cause idrologiche (variazioene del manto nevoso sulle Alpi, circolazione delle acque sotterranee in seno alle masse carsiche e piene del Timavo sotterraneo)

- onde sismiche ed oscillazioni libere (grandi terremoti)

Effetto marea marina:

per un cm di aumento del livello dell’acqua nel golfo di Trieste alla frequenza semidiruna, il tilting risulta:

NS: -0.7 nrad/cm.

EW: -0.9 nrad/cm.

L’effetto completo è dato dalla somma di tutte le frequenze che compongono la marea marina.

I pendoli in cifre

Lunghezza attacco superiore dei pendoli: 94 m

Dimensioni dell’asta: 1.5 m ca.

Sensibilità : 0.1 nrad*

Fattore di amplificazione meccanico: 25000

Fattore di amplificazione complessivo (sistema ottico-meccanico): 40000

Massa del pendolo:18 kg

*1 nanoradiante è definito come la miliardesima parte di un radiante (1 nrad = 10^ -9 rad, dove 1 rad è l’unità di misura degli angoli pari a circa 57°),ed equivale approsimativamente all’angolo sotteso da un pallone di calcio posto sulla Luna e visto dalla Terra.