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Il radon dell’Etna: precursore sismo-vulcanico e gas cancerogeno

Il radon (Rn) è stato occasionalmente indicato come potenziale precursore di terremoti ed eruzioni vulcaniche, nonché come gas cancerogeno pericoloso per la salute umana. Il vulcano Etna, un laboratorio naturale a cielo aperto, si presta bene per verificare quanto c’è di vero sull’argomento: nel corso degli ultimi cinquant’anni gli studi sul Rn su uno dei vulcani più attivi al mondo, si sono focalizzati sulle correlazioni tra il Rn e l’attività sismica e vulcanica. I risultati sono contenuti nello studio: “Radon on Mt. Etna (Italy): a useful tracer of geodynamic processes and a potential health hazard to populations“, recentemente pubblicato sulla rivista Frontiers in Earth Science.

Il Rn è un gas nobile, naturale e radioattivo, inodore, incolore ed insapore, otto volte più pesante dell’aria, che ha origine dal decadimento dell’uranio presente nelle rocce.  Da molti anni, in tutto il mondo, si cerca di utilizzare il Rn come precursore di fenomeni naturali come terremoti ed eruzioni vulcaniche. Recentemente, però, gli scienziati hanno accertato anche i suoi effetti negativi sulla salute umana prodotti da alte concentrazioni all’interno di abitazioni; infatti, questo gas è stato classificato nel Gruppo 1 delle sostanze cancerogene dall’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS), poiché la prolungata esposizione in ambienti inquinati dal Rn aumenta il rischio di contrarre il cancro ai polmoni.

Il Rn rivela le tendenze evolutive nella sorgente magmatica che alimenta l’Etna. L’analisi periodica del contenuto di Rn emesso dall’Etna aiuta a monitorare i possibili cambiamenti a lungo termine nei processi fisici e chimici che interessano la sorgente profonda del magma che alimenta il vulcano. Ciò aiuta a comprendere i processi di degassamento che si verificano all’interno dei condotti del vulcano poco prima delle eruzioni.

Fig. 1 -  Orlo nord-occidentale della Bocca Nuova, Etna. Lo stazionamento delle persone in posizione sottovento ed in prossimità dell’orlo craterico è fortemente sconsigliato, per evitare di inalare i gas magmatici emessi dalla bocca, incluso il radon. Fotografia di Marco Neri.

Il Rn emesso dai crateri sommitali dell’Etna (punto 1 in fig.2) contribuisce a formare il pennacchio ben visibile fino ad elevate quote sopra la cima del vulcano; questo gas proviene dal degassamento del magma che risiede nella camera magmatica superficiale e nei condotti soprastanti. Elevate concentrazioni di Rn nell’aria si trovano lungo i bordi dei crateri. Ciò produce un potenziale, seppur limitato, rischio per la salute delle persone che frequentano assiduamente quelle zone e vi sostano a lungo, come scienziati e guide vulcanologiche. Sostanzialmente nessun problema, invece, per i turisti che visitano occasionalmente la cima del vulcano, a circa 3340 metri di quota sul mare.

Allontanandosi dall’area sommitale, il degassamento avviene in forma diffusa (punto 2 in fig.2) attraverso i pori e le fessure delle rocce. Attorno a 2900 metri di quota, il gas magmatico carico di Rn raggiunge la superficie principalmente mediante fratture che intercettano in profondità i condotti di risalita del magma, generando spesso un’intensa attività fumarolica. In quei casi, infatti, l’acqua della falda acquifera contenuta nelle rocce può riscaldarsi fino a raggiungere il punto di ebollizione e vaporizzare, innescando la rapida risalita del vapore acqueo e di altri gas, principalmente CO2, che trasportano il Rn. Monitorando questi gas si è compreso che la loro variazione nel tempo può essere utilizzata come precursore di attività vulcaniche, soprattutto esplosive, che frequentemente avvengono dalle bocche sommitali dell’Etna.

Il Rn nelle acque sotterranee etnee (punto 3 in fig.2) è generalmente presente in quantità modeste e ciò potrebbe sembrare in contrasto con l’alto contenuto di uranio tipico delle rocce vulcaniche che costituiscono l’acquifero etneo. Il fenomeno è probabilmente legato al termalismo che caratterizza le acque di falda etnee, nonché alla correlazione inversa che esiste tra la solubilità del Rn e la temperatura dell’acqua: infatti, più è alta la temperatura dell’acqua, meno il Rn è solubile nel liquido. Il Rn, quindi, abbandona le acque di falda migrando nelle rocce circostanti.

Per quanto riguarda la relazione con l’attività sismica (punto 4 in fig.2), il monitoraggio del gas Rn nei suoli etnei in stazioni di misura situate in prossimità di faglie attive può evidenziare variazioni “anomale” che anticipano l’attività tettonica di tali faglie da poche settimane a poche ore, anche se con grandi incertezze. Tuttavia, le misure di Rn nel suolo sono estremamente utili per identificare l’ubicazione di faglie sepolte, poiché il rilascio di Rn aumenta sensibilmente in prossimità delle zone di maggiore fratturazione (punti 5-6 in fig.2). L’applicazione sistematica delle misure di Rn nel suolo potrebbe, quindi, rivelarsi molto utile nella stesura di carte geologiche di luoghi in cui mancano evidenze superficiali di strutture tettoniche attive.

Il monitoraggio del Rn indoor nell’area dell’Etna ha individuato alcune abitazioni caratterizzate da accumuli di Rn ben al di sopra dei limiti fissati dagli organi preposti alla salvaguardia della salute pubblica.

I livelli di Rn indoor più elevati sono stati riscontrati negli edifici situati più vicino alle faglie: in prospettiva futura, sarebbe quindi utile effettuare misure preliminari di degassamento del Rn dal suolo, in particolare sui fianchi est e sud del vulcano, sia a larga scala (studi generali di pianificazione territoriale) che scala più dettagliata (singole abitazioni o edifici destinati a costante frequentazione: ospedali, scuole, uffici, ecc.). La riduzione del rischio sanitario può essere ottenuta attraverso l’attuazione di adeguate tecniche costruttive degli edifici, quali ventilazione forzata dei locali, vespai per l’aerazione delle fondazioni, posa di rivestimenti anti Rn e sigillatura di fessure.

Fig. 2 - Modello delle sorgenti di radon nella regione etnea, meccanismi di trasporto e rilascio in superficie e potenziale accumulo indoor nelle abitazioni. SEC = Cratere di Sud-Est; BN = Bocca Nuova; VOR = Voragine; NEC = Cratere di Nord-Est. Modificato da Giammanco et al., 2023 (https://doi.org/10.3389/feart.2023.1176051).

Giammanco S, Bonfanti P and Neri M (2023) Radon on Mt. Etna (Italy): a useful tracer of geodynamic processes and a potential health hazard to populations. Front. Earth Sci. 11:1176051. doi: 10.3389/feart.2023.1176051

La Sede distaccata di Enna

La sede distaccata dell’Osservatorio Etneo dell’INGV a Enna nasce grazie all’Accordo Quadro tra INGV e Università di Enna “KORE” (Del. 243/2021 del 26.11.2021) e alla successiva Convenzione Operativa del 25.02.2022 (Del. 60/2022). La sede è ubicata presso il Laboratorio di Dinamica Sperimentale del Centro di Ricerca L.E.D.A. (Laboratory of Earthquake engineering and Dynamic Analysis) della Università di Enna “Kore”.

Presso il L.E.D.A. sono presenti oltre a diversa strumentazione per le verifiche dinamiche (es. sistemi di acquisizione di spostamenti per via optoelettronica) due tavole vibranti di grandi dimensioni (4 x 4 m). Queste sono in grado di muoversi nelle sei dimensioni spaziali (tre traslazioni e tre rotazioni) e rappresentano una delle più importanti infrastrutture in Italia nel settore a disposizione degli Organismi di Ricerca per qualifica di strumentazioni e la sperimentazione di tecnologie innovative di protezione sismica. Le due tavole vibranti identiche e accoppiabili (10 x 4 m), nel caso in cui occorra posizionare modelli di strutture (es. edifici) con carichi più grandi e più elevati, sono capaci di riprodurre storie temporali definite in termini di spostamenti o accelerazioni e riprodurre terremoti di grande magnitudo nell’intervallo di frequenze da 0.01 Hz fino a 60 Hz.

La positiva collaborazione tra il personale del L.E.D.A e dell’INGV non si limita tuttavia al solo utilizzo delle attrezzature ma contempla anche attività di ricerca congiunte, come nel caso dell’esperimento riportato nella foto seguente realizzato nell’ambito del progetto PON ARS01_00926 EWAS “an Early WArning System for cultural Heritage”.

Fig. 1 - Tavole vibranti accoppiate all’interno del L.E.D.A (foto in alto) e test sperimentale di danneggiamento di un edificio in muratura in scala 2/3 dove oltre al sistema di misura di tracciamento ottico per gli spostamenti dinamici sono stati installati sull’edificio sensori accelerometrici triassiali con diversa sensibilità (ca. 50) e 3 velocimetri tre-componenti per eseguire misure comparative. Le misure sono state fatte simulando il terremoto di Mw 6.2 del 24.08.2016, utilizzando la registrazione di Accumoli, a diversi step di accelerazione pari al 5%, 10%,20%30%40% e 50% dell’accelerazione massima registrata (foto in basso).

Presso uno dei laboratori del L.E.D.A. è anche installato il prototipo di sistema di calibrazione dell’INGV (Costanza et al., 2022) acquisito nell’ambito del progetto EWAS, per la calibrazione e verifica di sensori velocimetrici e accelerometrici, come quelli realizzati nell’ambito del progetto (Fertitta et al., 2019; Patanè et al. 2022). Il sistema di calibrazione è in grado di operare nell’intervallo di frequenze 0.1 – 400 Hz con elevata precisione e ridotti livelli di distorsione dei segnali grazie al sistema di controllo in retroazione e alla sospensione fluidodinamica (ad aria compressa) delle parti mobili.

Fig. 2 - Sistema di calibrazione durante il suo utilizzo in configurazione orizzontale (foto a destra) e in configurazione verticale (foto a sinistra)

Bibliografia:

Fertitta G., Costanza A., D'Anna G., Patanè D. (2019), The Earth Lab 5s (ETL3D/5s) seismic sensor. Design and test, Annals of Geophysics, 62, Doi: 10.4401/ag-7857, 2019.

Costanza A., Fertitta G., D’Anna G., Yang W., Lo Iacono F., Navarra G., Patane' D. (2022), A study for the identification of a calibration system for seismic sensors, Quaderni di Geofisica INGV, n. 175

Patane' D., Tusa G., Yang W., Astuti A., Costanza A., Colino A., Fertitta G., D'anna G., Di Prima S., Mangiagli S., Martino C., Torrisi O.  (2022) Remote Sens., 14, 2583.  https://doi.org/10.3390/rs14112583

La Sede decentrata di Messina

Dopo il grande terremoto del 1908 che, lo ricordiamo, causò la morte di oltre 70.000 persone, l’interesse per la geofisica, in Italia, crebbe notevolmente e, in particolare, un giovane fisico messinese che si salvò solo perché il giorno del terremoto si trovava a Parma, decise di interessarsi allo studio dei terremoti e della loro genesi. Quel giovane fisico era Antonino Lo Surdo (1880-1949) che, nel 1936, contribuì a fondare l’Istituto Nazionale di Geofisica (ING) di cui fu anche il primo direttore. Il 5 novembre 1949, poco dopo la sua morte, il Comune di Messina cede l’area verde nella spianata Cappuccini,  in Viale Regina Margherita (Parco successivamente intitolato allo statista Aldo Moro) all’ING affinché vi realizzi un Osservatorio Geofisico. In tale accordo l’ING (successivamente diventato INGV) manifestava “il proposito di dotare la città di Messina di un moderno e ben attrezzato Osservatorio Geofisico stimato a costituire uno dei principali caposaldi della rete geofisica italiana, nell’intento di contribuire efficacemente allo sviluppo delle discipline geofisiche e nel contempo di dare alla città di Messina un centro di lavoro scientifico di primaria importanza”. Un edificio venne costruito nell’area che, negli anni, ha ospitato strumentazione geofisica di vario tipo (stazioni sismiche, geodetiche, clinometriche, per la misura del campo elettrico atmosferico, geochimiche etc.).

Vista panoramica dello Stretto di Messina dal terrazzo della Sede

Negli anni ‘80, il Prof. Broccio dell’Università di Messina ha lavorato in questa sede, in collaborazione con ING. Nel 2008 fu avviata una radicale ristrutturazione dell’edificio, ultimata nel 2010. Nel 2017 l’INGV ha ceduto in comodato d’uso al Comune di Messina l’area verde (circa 10.000 mq) del Parco ed ha iniziato a progettare la realizzazione di una vera e propria sede scientifica e tecnologica a Messina. Dopo un tentativo come Supersite, nel 2021 è stata avviata una convenzione con UNIME, UNICT, UNINA e UNIPA per lo svolgimento di attività di ricerca nell’area dello Stretto. Nell'ambito del Progetto PNRR MEET, ed in particolare del Work Package 5 denominato NEMESI (NEar fault observatory in the MEssina StraIt), si provvederà alla realizzazione di una infrastruttura di ricerca e monitoraggio dell’area dello Stretto di Messina che avrà nell’edificio posto all’interno del Parco Aldo Moro il suo centro di acquisizione e di gestione. Nel 2022 si è resa necessaria un’ulteriore ristrutturazione dopo vari atti vandalici compiuti all’interno ed all’esterno dell’edificio.

La Sede INGV di Messina, al termine dell’ultima ristrutturazione del 2022