I terremoti si propagano attraverso i modelli stampati in 3D di Los Angeles
Utilizzando modelli in acciaio inossidabile, i ricercatori hanno scoperto che le onde sismiche ad alta frequenza, le più dannose per gli edifici, sono attenuate nel bacino sedimentario di Los Angeles.
Alcune delle più grandi città del mondo, tra cui Los Angeles, Città del Messico e Santiago, si trovano in bacini sedimentari naturali. Aggiungi il fatto che queste città sono soggette a terremoti, e questa è potenzialmente una ricetta per il disastro: la modellazione numerica ha suggerito che lo scuotimento del terreno è amplificato all’interno dei bacini .
Ma tale modellazione, una risorsa spesso utilizzata per comprendere il movimento del suolo nei bacini sedimentari, è spesso limitata nella sua risoluzione spaziale ed è inoltre vincolata dalle equazioni che riceve come input. Ora, per studiare più a fondo come le onde sismiche viaggiano attraverso un bacino sedimentario, i ricercatori hanno condotto una serie di esperimenti sismici utilizzando modelli stampati in 3D del ventre di Los Angeles. Hanno scoperto che le onde sismiche a più alta frequenza, quelle che generano improvvisi cambiamenti di accelerazione e sono quindi le più distruttive per gli edifici, sono state effettivamente attenuate all’interno del bacino dei modelli. Questo è del tutto imprevisto dai modelli numerici, ha osservato il team.
Compromessi da considerare
“Non vogliamo che il nostro modello funzioni per 20 anni”.
I bacini sedimentari sono strutture geologiche complesse. Iniziano come depressioni che nel tempo si riempiono di materiale a bassa densità depositato da fiumi e frane. “Immagina una ciotola piena di cose”, ha detto Chukwuebuka C. Nweke , un ingegnere civile che lavora sui rischi naturali presso l’Università della California del sud a Los Angeles, che non è stato coinvolto nella ricerca.
Ma riprodurre i dettagli su piccola scala di un bacino sedimentario in un modello numerico è impegnativo, ha affermato Nweke, dati i compromessi intrinseci tra la risoluzione spaziale di un modello e il tempo di calcolo richiesto per eseguirlo. “Non vogliamo che il nostro modello funzioni per 20 anni”.
Un aumento della risoluzione
Per questo motivo, Sunyoung “Sunny” Park , sismologo dell’Università di Chicago, e i suoi colleghi hanno recentemente iniziato a stampare modelli 3D del bacino di Los Angeles. Park e il suo team si sono resi conto che potevano riprodurre anche variazioni naturali relativamente piccole di densità, corrispondenti a circa 10 metri di dimensione nella vita reale, nei loro modelli stampati in 3D. Questo è all’incirca un fattore 10 migliore della risoluzione spaziale di un modello numerico comunemente usato per studiare il bacino di Los Angeles, ha detto Park.
Dopo aver sperimentato materiali come gomma e plastica, Park e i suoi colleghi hanno optato per l’acciaio inossidabile come mezzo di stampa preferito. Questa scelta è stata dettata principalmente dalla rigidità dell’acciaio, ha affermato Park. “Se è rigido, ha una gamma molto più ampia di proprietà del materiale”.
“Ha tutte queste strutture al suo interno”.
I ricercatori hanno stampato i loro modelli più o meno nello stesso modo in cui l’inchiostro viene stampato su carta: hanno depositato strati successivi di acciaio inossidabile in polvere e poi hanno usato un laser per riscaldare e unire (“sinterizzare”) gli strati insieme. Modificando i parametri di stampa, compresa la velocità del laser di sinterizzazione e la sua potenza, è possibile controllare la quantità di spazio poroso rimasto, ha affermato Park. “Ecco come puoi stampare una gamma variabile di densità.”
I modelli prodotti dai ricercatori, che misurano circa 20 centimetri di lunghezza per 4 centimetri di larghezza per 1 centimetro di spessore, non sono molto da guardare dall’esterno, ha detto Park. Ma in realtà ognuno cattura una serie di strutture geologiche all’interno del bacino di Los Angeles largo 50 chilometri su una scala di 1: 250.000. “Ha tutte queste strutture al suo interno”, ha detto Park.
Terremoti da laser
I membri del team hanno generato terremoti estremamente piccoli nei loro modelli bombardandoli con luce laser a frequenza megahertz. L’energia termica degli impulsi laser ha riscaldato i modelli, determinando sollecitazioni differenziali che si sono tradotte in movimento, anche se molto piccolo: Park e i suoi colleghi hanno registrato un movimento del suolo nella parte superiore dei modelli dell’ordine di decimi di nanometri.
I ricercatori hanno scoperto che le frequenze più elevate del movimento del suolo nei loro modelli, corrispondenti a frequenze della vita reale superiori a 1 hertz, erano generalmente ridotte all’interno dei bacini. Quelle onde tendevano a essere riflesse selettivamente sui bordi di un bacino, ha mostrato il team.
È una sorpresa, ha detto Park, perché a lungo si è creduto che i bacini sedimentari fossero amplificatori del movimento del suolo. “[Questi risultati] sono in un certo senso l’opposto della nostra comprensione convenzionale”.
Questi risultati sono stati presentati oggi al Fall Meeting 2021 di AGU .
C’è molto altro da indagare utilizzando questi modelli, hanno suggerito i ricercatori. Una scoperta inaspettata dagli esperimenti degli scienziati è stata che i loro impulsi laser hanno innescato non solo onde sismiche ma anche onde aeree che sfioravano le superfici superiori dei modelli. Poiché tali onde sono fortemente influenzate dalla topografia locale, il lavoro logico successivo potrebbe includere l’aggiunta di caratteristiche come colline e montagne alle superfici dei modelli e quindi misurare il modo in cui si propagano le onde nell’aria, ha affermato Park.
Katherine Kornei scrittrice scientifica da eos.org
