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Monitoraggio dei Campi EM Naturali

Nelle bande ULF-ELF-VLF-LF (0.001 Hz - 100 kHz)

Di Paolo Palangio

7. Sorgenti interne alla Terra

Il monitoraggio elettromagnetico dei processi geodinamici si basa su due aspetti distinti:

  • cambiamenti nel tempo della struttura di conducibilità elettrica del sottosuolo dovuti a variazioni dello stress tettonico a cui sono sottoposte le rocce nelle aree sismogenetiche;
  • emissioni di campi elettromagnetici dovute a diversi meccanismi di trasformazione di energia meccanica in energia elettromagnetica. Questi meccanismi dipendono dalla struttura e dalla natura delle rocce.

Il punto 1 viene affrontato mediante il monitoraggio continuo delle funzioni di trasferimento e degli elementi del tensore impedenza. Per quanto riguarda il punto 2 bisogna considerare la natura della sorgente EM ipogeica, la valutazione dello spettro intrinseco e, attraverso le funzioni di risposta impulsiva del sottosuolo, dello spettro osservabile in superficie.
In letteratura sono presenti numerosi lavori sulle anomalie elettromagnetiche associate a eventi sismici che riportano osservazioni in una banda di frequenze estremamente ampia che si estende dai mHz fino ai MHz. La banda 0.001 Hz – 1000 Hz viene attribuita a processi lineari, mentre alla banda superiore possono essere associati processi non lineari nella trasformazione di energia meccanica in energia EM.
Tuttavia considerata l'attenuazione del mezzo attraversato dai segnali EM è ragionevole prevedere di poter osservare sulla superficie terrestre segnali nell'estremo inferiore della banda, 0.001 Hz – 1000 Hz. Questo dovrebbe essere l'intervallo di frequenze su cui focalizzare le indagine in quanto i segnali possono, sotto certe condizioni, raggiungere la superficie terrestre con ampiezze sufficienti
da consentirne la discriminazione dal rumore di fondo EM In questa banda di frequenze la propagazione dei segnali elettromagnetici deve essere trattata in termini di diffusione anche all'esterno della Terra, in quanto siamo nella banda al di sotto della frequenza di cut-off minima di cavità per i modi TM e TE.
Un'altra banda di interesse è quella nota come “dead band” che si estende da 1 kHz fino a 5 kHz.
In questa banda si ha una elevata attenuazione nel sottosuolo dovuta alle caratteristiche dei materiali attraversati, nel contempo si ha un basso livello del rumore ambientale in quanto tale banda coincide con quella relativa ai modi di risonanza trasversale di cavità.
Poiché i segnali di origine interna non si propagano nella cavità, questi possono essere osservati soltanto in prossimità della sorgente.
Il campo misurato sulla superficie terrestre è dato dalla sovrapposizione del campo sorgente, del campo indotto dall'interazione del campo sorgente con l'interno della Terra e dal campo di origine interna alla Terra. Per affrontare il problema della separazione dei campi la cui genesi sia nel sottosuolo si assumono alcune semplificazioni che si riassumono nella seguente rappresentazione:

Il legame tra le funzioni sorgente e il campo misurato è dato dal tensore T (6x6) che rappresenta le proprietà dell'interno della Terra, in cui il pedice m si riferisce alla grandezza misurata, con il pedice i sono indicati i segnali di ingresso al sistema T.
Così posto il problema non vi sono soluzioni concrete in quanto non sono conoscibili tutte le funzioni sorgente.
Una relazione ulteriormente semplificata, con le seguenti condizioni al contorno: Exi=Eyi=Ezi=Hzi=0, è data dalla seguente espressione:

In cui il campo sorgente è rappresentato dalla sola componente orizzontale del campo magnetico.
Gli unici minori del tensore T effettivamente calcolabili sono i seguenti:

Dagli elementi di questi minori del tensore T, calcolati nel dominio della frequenza, vengono determinate le 6 funzioni “risposta impulsiva I1(t), I2(t), I3(t), I4(t), I5(t), I6(t)”. Queste funzioni consentono di calcolare una delle incognite del problema mediante la convoluzione delle funzioni “risposta impulsiva” con i campi misurati:



La differenza tra i campi misurati e le funzioni ricostruite fornisce il campo di origine interna:



Questi segnali differenza possono però essere stati generati anche sulla superficie terrestre vicino al punto di misura, i segnali prossimali non producono effetti induttivi rilevanti, il loro contributo nelle funzioni di risposta impulsiva è praticamente nullo, questi segnali compaiono nelle funzioni differenza. Per discriminare questa ulteriore ambiguità si applica, a questo campo residuo, il teorema della divergenza del vettore di Poynting. Gli algoritmi connessi con questo teorema forniscono la direzione di arrivo dei segnali residui, consentendo quindi di isolare il campo di origine interna alla Terra. Spesso però l'ambiguità direzionale non viene risolta in quanto anche il rumore locale appare essere emesso dal sottosuolo. Uno strumento di maggiore efficacia è costituito dal tensore elettromagnetico. I segnali sintetizzati vengono introdotti nel tensore al posto delle omologhe componenti , opportunamente normalizzati. Lo studio degli autovettori in funzione della frequenza consente di discriminare la componente interna dal rumore locale.

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