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La Terra è un complesso insieme di sistemi in continua interazione tra loro: l’atmosfera (l’involucro gassoso che avvolge il pianeta), l’idrosfera (l’insieme dei mari e delle acque continentali), la biosfera (le zone in cui si sviluppa la vita), la criosfera (le calotte polari, i ghiacciai, le coperture ghiacciate dei mari e dei laghi, i suoli ghiacciati) e la geosfera (il suolo e il sottosuolo roccioso, la litosfera e il mantello). Scambi continui di materia ed energia si sviluppano attraverso complessi meccanismi di azione e reazione in tutte le componenti del sistema Terra, in un equilibrio dinamico capace di modificare profondamente l’ambiente in cui l’uomo vive.

 Comprendere le complesse interazioni tra tali sistemi richiede un approccio multidisciplinare che in modo olistico integri dati di diverse discipline, permettendo  una più ampia comprensione dei processi osservati.

In questo ambito studiamo, per esempio, la struttura della litosfera (integrando dati geofisici e geochimici), la variabilità delle dinamiche oceanografiche profonde e i processi che li governano, l’origine e distribuzione del gas naturale (il metano e i fenomeni di “seepage” del gas sulla superficie terrestre e sui fondali marini), le emissioni di metano in atmosfera e la sua potenziale origine su Marte. Alcuni studi si basano su tecnologie innovative, come gli osservatori multidisciplinari sottomarini (descritti più avanti).

 I nostri studi hanno implicazioni per l’ambiente (inquinamento del suolo e delle acque; geo-hazard), per i cambiamenti climatici (budget atmosferico del metano, studio delle correnti marine), per l’esplorazione delle risorse energetiche, per l’astrobiologia, la geologia planetaria, l’origine della vita sulla Terra e su altri pianeti.

manifestazioni naturali di gas metano

Esempi di manifestazioni naturali di gas metano sulla superficie terrestre. Il metano fuoriesce principalmente lungo le faglie della crosta terrestre nelle aree petrolifere. (a) Deleni, Romania; (b) Yanardag, Azerbaijan; (c) Giswil, Switzerland; (d) Baba Gurgur, Iraq; (e) Chimaera, Turkey; and (f) Faros-Katakolo, Greece.(foto tratta da Etiope, 2015) 

Gli osservatori sottomarini

Attraverso lo sviluppo di una tecnologia marina specifica, in grado di gestire in modo centralizzato componenti strumentali tra loro anche molto diverse (sismometri, idrofoni, magnetometri, correntometri, sensori oceanografici e geochimici di vario tipo) gestiamo osservatori multiparametrici sottomarini sia cablati che autonomi (http://www.moist.it  http://emso.eu) che ci consentono di monitorare, anche in tempo reale, i siti abissali, permettendo così la caratterizzazione di fenomeni naturali complessi mediante l’analisi di dati acquisiti da più strumenti con un riferimento temporale comune e accurato.

Attraverso il monitoraggio simultaneo di parametri sismologici e geochimici di un’area è possibile studiare l’eventuale correlazione tra il rilascio dell’energia sismica e la fuoriuscita di gas dal fondale marino. Ad esempio nella zona del Golfo di Izmit, lungo il segmento sommerso della North Anatolian Fault (NAF) è stata condotta un'indagine con l’obiettivo di evidenziare la possibile connessione tra la deformazione tettonica lungo la NAF e la fuoriuscita di metano (Gasperini et al, 2012, Embriaco et al., 2013).

 

 mappa variazione di metano disciolto 

a)  (sinistra) Traccia della NAF ottenuta con la batimetria a multibeam (destra) fotomosaico delle immagini raccolte da MEDUSA durante i sondaggi. b) Variazioni orizzontali del metano disciolto (CH4), della temperatura (T) e dell’ossigeno (O2) vicino al fondo mare. In corrispondenza della frattura tettonica sono evidenti i picchi di CH4

L’installazione di strumentazione a fondo mare, estende il monitoraggio geofisico e geochimico consentendo di osservare fenomeni da una prospettiva diversa e di contribuire quindi anche allo studio della sismicità e dell’attività vulcanica off-shore. Se da un lato l’uso di sismometri, accelerometri e idrofoni sottomarini permette di estendere verso il mare la rete di sensori sismici di terra e di contribuire allo studio della litosfera e del mantello superiore, l’acquisizione congiunta di dati di corrente marina, temperatura e salinità non solo migliorano la comprensione dei processi oceanici profondi ma possono anche evidenziare come un’attività vulcanica influenzi le dinamiche del mare. Ad esempio l’osservatorio SN1, deposto a 25 km a largo di Catania ad una profondità di circa 2100 m, ha permesso di rilevare processi di sedimentazione lungo la colonna d’acqua associati alla ricaduta delle grandi quantità di ceneri emesse durante l’eruzione dell’ Etna (Giovanetti et al., 2016). 

correntometro dati

Nella figura di sinistra sono riportati i profili dell’intensità del correntometro ADCP rilevati a diverse profondità a partire dal fondo del mare. Essi mostrano chiaramente l’arrivo delle ceneri in profondità ed il lungo lasso di tempo (circa otto ore) necessario per il ripristinarsi della normalità. Il rettangolo rosso riporta la durata dell’emissione di cenere dall’Etna. Nella figura di destra, la stella gialla evidenzia la posizione dell’osservatorio SN1 rispetto all’orientazione della dispersione delle ceneri indicata dalla linea rossa.

La sinergia tra diverse discipline come la sismologia, l’oceanografia e la propagazione acustica sottomarina ha consentito inoltre di comprendere i meccanismi di generazione e propagazione nel canale SOFAR delle onde T, onde idroacustiche che possono essere generate da sorgenti sismiche (De Caro et al., 2020), studiare lo “shipping noise”, il rumore antropico prodotto dalle navi (Viola et al., 2016) e il suo effetto sugli ecosistemi marini. 

sismografo

a) Esempio della componente verticale di un sismogramma (filtro passa banda 2-10 Hz) in cui sono visibili le onde di volume (P e S) e la fase T per il terremoto di magnitudo ML 5.5 (National Observatory of Athens, http://www.gein.noa.gr/en/seismicity/earthquake-catalog), registrato da SN1, avvenuto a Creta il 12/09/2012 ad una profondità di  26km  b) ingrandimento della fase T c) spettrogramma della fase T dove sono indicate le conversioni P->T e S->T

L’approccio multidisciplinare che ci caratterizza non si risolve nelle questioni scientifiche e tecnologiche, ma le amplia fino a comprendere anche la riflessione sui valori che dovrebbero essere alla base dei nostri comportamenti, come scienziati e tecnologi, quando con le nostre attività andiamo ad interagire con il sistema Terra ed il nostro sapere viene messo a disposizione della società. È dall’intersezione tra geoscienze, filosofia, sociologia ed economia che si sviluppa la Geoetica (Peppoloni and Di Capua, 2020). Le attività svolte in tale ambito hanno lo scopo di definire principi, valori, contenuti e strumenti di questa disciplina emergente, inquadrandoli nell’ambito storico e filosofico, e di applicare il pensiero geoetico all’etica professionale e all’intero corpus di discipline che studiano il sistema Terra, identificandone le loro implicazioni etiche, sociali e culturali.


Riferimenti bibliografici citati

Etiope G. (2015). Natural Gas Seepage. The Earth’s hydrocarbon degassing. Springer, Switzerland, pp. 199, doi: 10.1007/978-3-319-14601-0

Embriaco, D., Marinaro, G., Frugoni, F., Monna, S., Etiope, G., Gasperini, L., Polonia, A., Del Bianco, F., Çağatay, M.N., Ülgen, U., Favali, P. (2014). Monitoring of gas and seismic energy release by multiparametric benthic observatory along the North Anatolian Fault in the Sea of Marmara (NW Turkey). Geophysical Journal International. 196. 850-866. 10.1093/gji/ggt436 https://academic.oup.com/gji/article/196/2/850/577153.

L. Gasperini, A. Polonia, F. Del Bianco, G. Etiope, G. Marinaro, P. Favali, F. Italiano, M. N. Çağatay: Gas seepage and seismogenic structures along the North Anatolian Fault in the eastern Sea of Marmara. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, Volume 13, Number 1025, doi:10.1029/2012GC004190

Giovanetti, G., Monna, S., Lo Bue, N., Embriaco, D., Frugoni, F., Marinaro, G., De Caro, M., Sgroi, T., Montuori, C., De Santis, A., Cianchini, G., Beranzoli, L., Favali, P. (2016). Observing Volcanoes from the Seafloor in the Central Mediterranean Area. Remote Sens., 8, 298. https://doi.org/10.3390/rs8040298

Mariagrazia De Caro, Caterina Montuori, Francesco Frugoni, Stephen Monna, Fabio Cammarano, Laura Beranzoli; T‐Phases Observed at the Ionian Seafloor: Seismic Source and Bathymetric Effects. Seismological Research Letters 2020;; 92 (1): 481–493. doi: https://doi.org/10.1785/0220200096

S. Viola, R. Grammauta, V. Sciacca, G. Bellia, L. Beranzoli, G. Buscaino, F. Caruso, F. Chierici, G. Cuttone, A. D’Amico, V. De Luca, D. Embriaco, P. Favali, G. Giovanetti, G. Marinaro, S. Mazzola, F. Filiciotto, G. Pavan, C. Pellegrino, S. Pulvirenti, F. Simeone, F. Speziale, G. Riccobene; Continuous monitoring of noise levels in the Gulf of Catania (Ionian Sea). Study of correlation with shiptraffic, Marine Pollution Bulletin, Volume 121, Issues 1–2, 2017, Pages 97-103, ISSN 0025-326X, ISSN 0025-326X, https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2017.05.040.

Peppoloni S. and Di Capua G. (2020). Geoethics as global ethics to face grand challenges for humanity. In: Di Capua G., Bobrowsky P.T., Kieffer S.W., Palinkas C. (Eds.). Geoethics: Status and Future Perspectives, Special Issue 508, Geological Society of London. https://doi.org/10.1144/SP508-2020-146. 

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