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Sistema di allerta maremoto basato sulla misura di onde idro-acustiche

C. Cecioni1, G. Bellotti1 and L. Franco1

1 Roma Tre University

Studi di Aggiornamento sull'Ingegneria Off-Shore e Marina Università di Bologna, 8-9 novembre 2013

Obiettivo e schema della presentazione

• Introduzione sistemi di allerta maremoti

• Onde idro-acustiche generate da veloci movimenti del fondale marino.

- Soluzione analitica del problema omogeneo su fondali costanti

- Simulazioni parametriche delle onde idro-acustiche.

- Derivazione di un’equazione integrata sulla verticale

• Conclusioni e ringraziamenti


Modellazione ed utilizzo delle onde idro-acustiche generate da

terremoti sottomarini per la previsione dell’onda di maremoto.

• Terremoto 9.0 Mw

• 231,594 vittime, 45,752 dispersi, 1.69 milioni di persone evacuate

• Sri Lanka (35,000 vittime); India (18,000 vittime); Thailandia (8,000 vittime)

Lo tsunami a Sumatra - 26 Dicembre 2004


Intergovernmental Coordination Groups

• Indian Ocean Tsunami Warning and Mitigation System (ICG/IOTWS)

• North-eastern Atlantic, the Mediterranean and connected seas Tsunami

Warning and Mitigation System (ICG/NEAMTWS)

• Pacific Tsunami Warning and Mitigation System (ICG/PTWS)

Tsunami Early Warning System


Lo tsunami a Tōhoku – 11 Marzo 2011

• Terremoto 9.0 Mw, a 70 km dalla costa

• 15,867 vittime, 6,109 feriti, 2,909 persone disperse

• Incidente nucleare

• Nessuna vittima negli altri paesi

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Sistemi di allerta maremoto

• Sistemi basati su misure sismiche • La registrazione dello stesso maremoto è essenziale per l’affidabilità della

previsione.

…nei mari più chiusi (come il Mar Mediterraneo) il tempo per diffondere l’allerta è dell’ordine dei minuti non più delle ore.

Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis


Sistema di allerta maremoti

Modello numerico per la generazione e propagazione di onde di maremoto e onde

idro-acustiche

A supporto di un sistema di previsione e allerta maremoti

Utilizzo in tempo reale di onde di superficie e onde idro-acustiche

Onde di superficie Onde idro-acustiche

Terremoto sottomarino

ghc = ρε

=sc

c ≈ 170 m/s h = 3000 m cs = 1500 m/s


ζ0

ζ(x,y,t)

Generazione e Propagazione di onde idro-acustiche

Pressione (kPa) h = 3 km

b = 5 km

τ = 1 s

ζ0 = 1 m

Modello di spostamento verticale del fondale (terremoto)


Equazione delle onde in fluidi debolmente comprimibili

φ Potenziale di velocità

cs velocità del suono in acqua

g accelerazione di gravità

h tirante idrico

h(x,y,t) = hb(x,y) – ζ(x,y,t)

tgφη 1

−=

tp ρφ−=

Pressione

Modello terremoto

ζ0

ζ0

ζ(x,y,t) Modello di terremoto

Elevazione della superficie libera

Pressione


Soluzione del problema omogeneo

Separazione delle variabili

Due equazioni differenziali ordinarie


β = β n = costante di separazione

Soluzione unica Infinite soluzioni

Onda di superficie

Onde idro-acustiche

Relazione di dispersione


Campo d’onda sul piano orizzontale (x,y)

n = 0

n ≥ 1

Modo propagatorio

Modi propagatori Modi evanescenti


Frequenza di Cut-off

n=1 h = 1500 m c = 1500m/s

0,25

0,75


Frequenza di Cut-off

n=1 h = 1500 m c = 1500m/s

η (m)


h = 1.5 km b = 15 km ζ0 = 1 m τ = 1 s v = 1 m/s

xp = 50

xp = 100

xp = 150

xp = 200

η (m) η (m)

t (s) t (s) ≈ 25 min

Elevazione della superficie libera in acqua comprimibile


Simulazioni parametriche

Molteplici simulazioni 3D sono state implementate numericamente, variando I

parametri cinematici del movimento del fondale (v, ζ0, τ), ma tenendo costante il

tirante idrico (h) e l’estensione del terremoto (b)

Condizioni di risonanza per τ uguale al periodo proprio della colonna d’acqua e ai suoi multipli.


b=5km

b=15km

b=30km

b=45km

b=60km

Elevazione della superficie libera (η) a punti

distanti 200 km dalla fine del terremoto

Simulazioni parametriche

η

C = 1.06 D = 0.66


Equazione integrata sulla verticale MSEWC

MSEWC equazione integrata sulla verticale per fluidi debolmente comprimibili

Bellotti et al 2008; Coastal Engineering

Propagazione del maremoto in acque profonde

Onde di piccola ampiezza, dispersive in frequenza


MSE

MSEWC

Sammarco P., Cecioni C., Bellotti G., Abdolali A., 2013, Depth-integrated equation for large scale modelling of low-frequency hydroacoustic waves, Journal of Fluid Mechanics, Vol 722, R6, doi:10.1017/jfm.2013.153

Validazione del modello

n = 0 n = 1 n = 2

η (m

) DF

T(η)

Un modello numerico agli

elementi finiti è stato usato

per risolvere la MSEWC


b = 15 km

τ = 1 s

ζ0 = 1 m Modelli integrati sulla verticale (2DH)

Modello 3D per fluido comprimibile

MSEWC MSE


Validazione del modello

Conclusioni

• La misura in acque profonde delle onde idro-acustiche permetta di segnalare

l’arrivo dell’onda di maremoto con netto anticipo.

• La modellazione di tale onde può in principio migliorare di molto l’efficacia dei

sistemi di allerta.

• E’ stata derivata un’equazione integrata sulla verticale per la riproduzione delle

onde in acque debolmente comprimibili (MSEWC). La soluzione di tale

equazione permette di descrivere accuratamente il fenomeno con costi

computazionali ridotti


Design, construction and operation of the Submarine Multidisciplinary Observatory SMO

• Giorgio Riccobene, INFN • Giorgio Bellotti, University of Roma Tre • Francesco Simeone, University of Rome

Sapienza

http://web.infn.it/smo/

1. Astrofisica: identificazione acustica dei neutrini

2. Bioacustica: tracciamento dei cetacei

3. Geofisica: misura idro-acustica dei terremoti sottomarini

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