Il terremoto di Tohoku-Oki dell'11 marzo 2011 è stato il più grande e distruttivo nella storia del Giappone. I ricercatori giapponesi, e i loro partner norvegesi, sono al lavoro per cercare di capire cosa lo abbia reso così devastante.

Il violento terremoto che ha scosso il Giappone l'11 marzo 2011 ha ucciso più di 20 persone, 000 persone, rendendolo uno dei disastri naturali più mortali nella storia del paese. Praticamente tutte le vittime sono annegate in uno tsunami che in alcuni punti superava i 30 metri di altezza.

Lo tsunami ha anche paralizzato la centrale nucleare di Fukushima Daiichi, causando crolli in tre dei sei reattori dell'impianto e rilasciando quantità record di radiazioni nell'oceano. I reattori erano così instabili a un certo punto che l'ex Primo Ministro, Naoto Kan, in seguito ha ammesso di aver preso in considerazione l'evacuazione di 50 milioni di persone dalla regione metropolitana di Tokyo. Infine, 160, 000 persone hanno dovuto lasciare le loro case a causa delle radiazioni.

Questo disastro nazionale, Il più grande terremoto mai avvenuto in Giappone, era un invito all'azione per gli scienziati della terra giapponesi. La loro missione:capire esattamente cosa è successo per rendere questo terremoto così distruttivo. Per questo, si sono rivolti a JAMSTEC, la Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology per sondare i segreti nella fossa giapponese profonda 7000 metri, l'epicentro del terremoto.

Nei cinque anni dal disastro, i ricercatori hanno trovato indizi interessanti su ciò che ha reso il terremoto così pericoloso. L'esperienza petrolifera norvegese derivante dal lavoro sulla piattaforma continentale norvegese sta ora aiutando a scoprire nuovi dettagli mentre gli scienziati continuano a cercare di capire quali fattori contribuiscono a rendere davvero grande un terremoto in questa regione. Così facendo, sperano di essere in grado di prevedere meglio l'entità e la posizione di futuri terremoti e tsunami.

Un miscuglio di placche tettoniche

Il Giappone si trova in quello che potrebbe essere uno dei posti più pericolosi possibili quando si tratta di terremoti. La parte settentrionale del paese giace su un pezzo della placca nordamericana, mentre la parte meridionale del paese si trova sulla placca eurasiatica. Al Nord, la placca del Pacifico sta scivolando sotto la placca nordamericana, mentre a sud, la placca euroasiatica sta cavalcando la placca del Mar delle Filippine. Quando un piatto si sposta rispetto a un altro, il movimento può innescare un terremoto e uno tsunami.

Il complesso miscuglio di placche tettoniche spiega perché all'incirca 1, 500 terremoti scuotono il paese ogni anno, e perché ospita 40 vulcani attivi, il 10% del totale mondiale.

Dato che il Giappone sperimenta così tanti terremoti, il sisma che ha scosso il Paese nel pomeriggio dell'11 marzo non è stato del tutto inaspettato. Infatti, i ricercatori hanno previsto che la regione vedrà un terremoto di magnitudo 7,5 o più nei prossimi 30 anni.

I terremoti sono abbastanza comuni in Giappone che il paese ha norme edilizie rigorose per prevenire danni. La maggior parte dei grandi edifici si contorce e ondeggiano al tremare della terra - un uomo a Tokyo ha detto alla BBC che i movimenti nel suo grattacielo sul posto di lavoro durante il terremoto del 2011 erano così forti che si sentiva il mal di mare - e persino la centrale nucleare di Fukushima Daiichi era protetta da 10 diga alta un metro.

Tuttavia, una combinazione di fattori ha reso il terremoto di Tohoku-Oki più grande e con uno tsunami più mortale di quanto gli scienziati si aspettassero. Ma cosa?

"Questo è ciò che vogliamo capire e mitigare, "dice Shin'ichi Kuramoto, Direttore Generale del Centro per l'Esplorazione della Terra Profonda di JAMSTEC. "Perché si verificano questi grandi terremoti?"

Davvero un grande scivolone

I ricercatori di JAMSTEC si sono mobilitati quasi subito dopo il disastro, e hanno inviato la loro nave da ricerca lunga 106 metri RV Kairei all'epicentro del terremoto pochi giorni dopo che si è verificato.

Da poco più di due settimane, la nave ha attraversato la Fossa del Giappone al largo della costa di Honshu. Lo scopo era quello di creare un'immagine batimetrica del fondale marino e raccogliere dati sismici a riflessione, che consente ai ricercatori di scrutare i sedimenti e le rocce sotto il fondo marino.

Una successiva crociera dell'RV Kaiyo di JAMSTEC 7-8 mesi dopo il terremoto ha raccolto ulteriori immagini sismiche a riflessione ad alta risoluzione nell'area. Fortunatamente, i ricercatori avevano anche dati da uno studio simile che era stato fatto nel 1999 nella stessa regione.

I dati hanno mostrato loro che il fondo marino verso terra nell'area della trincea è scivolato fino a 50 metri orizzontalmente, disse Yasuyuki Nakamura, Vice capogruppo nel gruppo di sismologia strutturale del Centro per i terremoti e gli tsunami di JAMSTEC.

"Questo è stato un grande scivolone nell'area dell'asse della trincea, " ha detto. "Per confronto, il terremoto di Kobe del 1995, che ha ucciso più di 6000 persone ed era una magnitudo 7,3, aveva uno slittamento medio di 2 metri."

Un altro terremoto di magnitudo 8 nel 1946 nella zona di Nankai nel sud del Giappone che ne distrusse 36, 000 case avevano uno slittamento massimo di 10 metri, ha detto Nakamura.

"Quindi puoi vedere che 50 metri sono uno scivolone enorme, " ha detto. Questo di per sé spiega in parte perché l'onda dello tsunami è stata così grande, Egli ha detto.

Creare immagini usando le onde sonore

Quando Martin Landro, un geofisico presso l'Università norvegese di scienza e tecnologia (NTNU), ha letto del terremoto giapponese e ha appreso che i suoi omologhi giapponesi avevano raccolto dati sismici sia prima che dopo il terremoto, pensava di poter offrire un aiuto.

Da più di 20 anni, Landrø ha lavorato con l'interpretazione e la visualizzazione dei dati sismici. Le compagnie petrolifere e i geofisici usano abitualmente questo approccio per raccogliere informazioni sulla geologia del fondo marino. Landrø ha studiato tutto, dall'utilizzo dei dati sismici per scoprire nuovi giacimenti petroliferi sottomarini alla visualizzazione di cosa succede alla CO2 iniettata in un giacimento sottomarino, come si sta facendo ora nello Sleipner Field nel Mare del Nord.

Funziona così:una nave naviga in linea retta per 100 chilometri o più, e usa pistole ad aria compressa per inviare un segnale acustico ogni 50 metri mentre la nave naviga. La nave traina anche un lungo cavo dietro di sé per registrare i segnali acustici che vengono riflessi dai sedimenti e dal substrato roccioso sotto il fondo del mare. Semplicemente dichiarato, i materiali più duri riflettono i segnali più rapidamente dei materiali più morbidi.

I geologi possono creare un'immagine bidimensionale, una sezione trasversale della geologia sotto il fondo del mare, trainando un lungo cavo dietro una nave. Un'immagine tridimensionale può essere creata trainando un certo numero di cavi con sensori su di essi e combinando essenzialmente una serie di immagini bidimensionali in una tridimensionale.

Un tipo molto speciale di dati sismici, però, si chiama 4-D, dove la quarta dimensione è il tempo. Qui, i geofisici possono combinare immagini 2D di diversi periodi di tempo, o immagini 3D di diversi periodi di tempo per vedere come un'area è cambiata nel tempo. Può essere molto complesso, soprattutto se sono stati utilizzati sistemi diversi per raccogliere i dati sismici dei due diversi periodi di tempo. Ma l'analisi sismica 4-D è l'esperienza speciale di Landrø.

Dai giacimenti petroliferi del Mare del Nord alla Fossa del Giappone

Landrø ha contattato Shuichi Kodaira, direttore del Centro per terremoti e tsunami di JAMSTEC, e disse che voleva vedere se alcune delle tecniche che erano state usate per scopi legati al petrolio potevano essere usate per capire i cambiamenti di stress legati ai terremoti. Kodaira accettò.

Quindi si trattava solo di ottenere i dati e "rielaborarli, "Landoro ha detto, per rendere i due diversi periodi di tempo il più comparabili possibile.

"Potremmo quindi stimare i movimenti e i cambiamenti causati dal terremoto sul fondo del mare e sotto il fondo del mare, " ha detto Landro.

Dopo quasi un anno di collaborazione in remoto sui dati, Landrø e i suoi colleghi norvegesi sono volati in Giappone nel novembre 2016 per incontrare per la prima volta i loro omologhi giapponesi. Sono ora in procinto di scrivere insieme un articolo scientifico per la pubblicazione, quindi è riluttante a descrivere in dettaglio le loro nuove scoperte prima che vengano pubblicate.

"L'obiettivo finale qui è capire cosa è successo durante il terremoto nel modo più dettagliato possibile. Il quadro generale è più o meno lo stesso, " Ha detto Landrø. "È più come se stessimo esaminando dettagli minori che potrebbero essere importanti utilizzando una tecnica che è stata utilizzata nell'industria petrolifera per molti anni. Forse vedremo alcuni dettagli che non sono stati visti prima".

Un sistema di allerta precoce

Landrø è anche interessata a un sistema che JAMSTEC ha installato nell'oceano al largo della parte meridionale del paese, chiamato il sistema Dense Oceanfloor Network per terremoti e tsunami, più comunemente noto come DONET.

Il sistema DONET (di cui ora ce ne sono due) è una serie di sensori di pressione collegati installati sul fondo dell'oceano nel Nankai Trough, una zona che è stata colpita da ripetuti pericolosi terremoti, Nakamura di JAMSTEC ha detto.

Il Nankai Trough si trova dove la placca del Mare delle Filippine sta scivolando sotto la placca eurasiatica ad una velocità di circa 4 cm all'anno. Generalmente, ci sono stati grandi terremoti lungo la depressione ogni 100-150 anni.

DONET 1 include anche una serie di sismometri, misuratori di inclinazione e indicatori di deformazione che sono stati installati in una fossa a 980 metri sotto un noto centro sismico nel Nankai Trough. I sensori della fossa e del fondale sovrastante sono tutti collegati in una rete di cavi che invia osservazioni in tempo reale alle stazioni di monitoraggio, alle amministrazioni e alle imprese locali.

Essenzialmente, se c'è un movimento abbastanza grande da causare un terremoto e uno tsunami, i sensori lo segnaleranno. I ricercatori di JAMSTEC hanno condotto studi che mostrano che la rete DONET potrebbe rilevare uno tsunami in arrivo fino a 10-15 minuti prima rispetto alle stazioni di rilevamento terrestri lungo la costa. Quei minuti in più potrebbero significare salvare migliaia di vite.

"Uno degli scopi principali qui è quello di fornire un sistema di allerta precoce per lo tsunami, " Ha detto Nakamura. "Abbiamo collaborato con i governi locali per stabilire questo".

Altre applicazioni una possibilità

Landrø afferma di pensare che l'utilizzo di tecniche di imaging sismico 4-D potrebbe essere utilizzato anche con i dati raccolti da tutti i sensori DONET.

L'approccio DONET, o qualche sua variazione, potrebbe anche essere utile in futuro mentre la Norvegia e altri paesi esplorano l'utilizzo di giacimenti petroliferi per immagazzinare CO2. Una delle maggiori preoccupazioni sullo stoccaggio della CO2 nei serbatoi sottomarini è il monitoraggio dell'area di stoccaggio per assicurarsi che la CO2 rimanga al suo posto. Un sistema di monitoraggio in stile DONET potrebbe essere interessante qui, disse Landro.

Landrø afferma inoltre di pensare che le tecniche di imaging sismico 4-D potrebbero essere utilizzate con i dati raccolti da tutti i sensori DONET per ottenere una migliore comprensione di come l'area sta cambiando nel tempo.

DONET "è dati passivi, ascoltando la roccia, " ha detto Landrø. "Ma qui potresti anche usare alcune delle stesse tecniche dell'analisi 4-D per saperne di più."