Simulazioni sismiche mille volte più veloci: il nuovo approccio matematico che cambia la scienza dei terremoti
Un nuovo modello matematico sviluppato da un team internazionale riduce di mille volte il tempo necessario per simulare terremoti, migliorando l’analisi del rischio sismico.
Sebbene non consenta previsioni, questa innovazione potrebbe rivoluzionare la preparazione e la risposta alle emergenze legate a eventi tellurici.
Il limite della previsione e la sfida dell’analisi del rischio
Ogni giorno si verificano nel mondo decine di terremoti. Secondo lo United States Geological Survey (USGS), si registrano in media circa 55 eventi sismici quotidiani, per un totale annuo superiore a 20.000 scosse. Tra questi, una decina all’anno superano la magnitudo 7, mentre uno solo raggiunge o oltrepassa l’8.0. Nel 2025, un sisma offshore di magnitudo 8.8 presso la Penisola di Kamchatka, in Russia, si è collocato tra i dieci più forti mai registrati.
I terremoti hanno impatti devastanti: perdita di vite umane, danni infrastrutturali, interruzione delle economie locali. Negli Stati Uniti, i danni annui sono stimati in 14,7 miliardi di dollari, cifra in crescita anche a causa della crescente urbanizzazione in zone a rischio sismico.
Prevedere con precisione il momento e il luogo esatto di un terremoto rimane scientificamente irrealizzabile. Tuttavia, è possibile migliorare la valutazione del rischio sismico attraverso una migliore comprensione della struttura geologica del sottosuolo.
Struttura del sottosuolo e propagazione delle onde sismiche
Durante un terremoto, la propagazione delle onde sismiche dipende fortemente dalla composizione dei materiali sotterranei. Strati di roccia compatta, sabbia o argilla rispondono in modo diverso alle sollecitazioni, influenzando direttamente la percezione del sisma in superficie.
Secondo Kathrin Smetana, docente al Dipartimento di Scienze Matematiche del Stevens Institute of Technology, è essenziale mappare con precisione il sottosuolo per stimare come un terremoto potrà manifestarsi in una determinata area. Questa conoscenza consente di comprendere quali zone siano maggiormente soggette a scosse intense, anche in presenza di eventi sismici di magnitudo simile.
Full Waveform Inversion: come si ricostruisce il sottosuolo
Per ottenere un’immagine dettagliata della struttura interna della Terra, i sismologi utilizzano una tecnica nota come Full Waveform Inversion (FWI). Questo metodo consiste nel:
- Simulare terremoti su computer ad alte prestazioni
- Analizzare come le onde sismiche si propagano attraverso i modelli geologici digitali
- Confrontare i risultati con i dati reali registrati dai sismografi
Ogni simulazione viene raffinata in più iterazioni, modificando progressivamente il modello del sottosuolo fino a quando le simulazioni coincidono con le osservazioni reali. Questo processo richiede migliaia di simulazioni, ognuna delle quali può coinvolgere milioni di variabili.
Anche con infrastrutture informatiche avanzate, ogni singola simulazione può impiegare diverse ore, rendendo impraticabile l’uso continuo su larga scala per il monitoraggio in tempo reale o per valutazioni rapide post-evento.
Un nuovo modello ridotto: 1.000 volte più veloce
Per superare queste limitazioni computazionali, il team guidato da Kathrin Smetana ha collaborato con Rhys Hawkins e Jeannot Trampert dell’Università di Utrecht, e con Matthias Schlottbom e Muhammad Hamza Khalid dell’Università di Twente nei Paesi Bassi.
Il risultato è un approccio di model order reduction che permette di ridurre drasticamente la complessità del problema matematico, senza compromettere l’accuratezza dei risultati. Il nuovo sistema riduce il numero di equazioni necessarie per descrivere una simulazione sismica di circa mille volte.
“Abbiamo trovato un modo efficace per costruire modelli ridotti che preservano la fedeltà delle simulazioni originali”, afferma Smetana. “Il progetto è stato profondamente interdisciplinare, unendo matematica, geofisica e informatica scientifica”.
I risultati sono stati pubblicati sulla SIAM Journal on Scientific Computing nell’articolo “Model Order Reduction for Seismic Applications”.
Analisi del rischio sismico più rapida ed efficiente
Il nuovo approccio non consente ancora di prevedere con esattezza quando o dove si verificherà un terremoto, ma migliora in modo decisivo la valutazione del rischio sismico locale. Disporre di una rappresentazione precisa del sottosuolo permette agli ingegneri e alle autorità pubbliche di individuare le aree più vulnerabili, migliorando le politiche di mitigazione e pianificazione urbana.
Il modello potrebbe anche rivelarsi utile in situazioni di emergenza, ad esempio per valutare il rischio tsunami a seguito di un terremoto sottomarino. Nella maggior parte dei casi, l’onda impiega almeno un’ora per raggiungere la costa. Simulazioni rapide e accurate, effettuate immediatamente dopo la scossa, potrebbero fornire informazioni cruciali per la gestione dell’evacuazione e la protezione civile.
Un passo avanti nella resilienza sismica globale
Il valore del lavoro di Smetana e dei suoi collaboratori si misura nella capacità di combinare matematica applicata e modellazione geofisica per migliorare concretamente la comprensione dei rischi sismici. L’ottimizzazione del calcolo consente di ampliare l’applicazione di tecniche sofisticate come la FWI anche in contesti a risorse computazionali limitate.
Secondo Smetana, “non esiste attualmente alcun metodo affidabile per prevedere i terremoti, ma costruire modelli più realistici del sottosuolo in tempi brevi può rendere la nostra risposta più efficiente, riducendo le perdite e aumentando la resilienza delle comunità esposte al rischio”.
Il nuovo metodo segna un punto di svolta per la sismologia computazionale e offre strumenti concreti per una gestione proattiva del rischio, in un’epoca in cui la vulnerabilità sismica è destinata a crescere con l’espansione urbana e il cambiamento climatico.