Ogni giorno, in media, il pianeta è scosso da circa 55 terremoti, per un totale di circa 20.000 eventi sismici all'anno secondo le stime dello United States Geological Survey. Tra questi, mediamente uno raggiunge o supera la magnitudo 8.0 sulla scala Richter, mentre una quindicina si attesta intorno alla magnitudo 7. Nel 2025, un sisma offshore di magnitudo 8.8 al largo della penisola di Kamchatka, in Russia, si è classificato tra i dieci terremoti più potenti mai registrati. Eppure, nonostante decenni di ricerca, gli scienziati non sono ancora in grado di prevedere con affidabilità quando e dove un evento sismico significativo colpirà. Ciò che la scienza può fare, però, è migliorare radicalmente la valutazione del rischio attraverso una comprensione più accurata di ciò che si trova sotto i nostri piedi.
Il costo umano ed economico dei terremoti continua a crescere. Un rapporto congiunto del 2023 tra USGS e la Federal Emergency Management Agency ha quantificato in 14,7 miliardi di dollari all'anno i danni causati dai sismi negli Stati Uniti, una cifra in costante aumento principalmente perché sempre più persone vivono in aree sismicamente attive. Oltre alla distruzione di edifici e infrastrutture, i terremoti causano vittime, interrompono le economie locali e lasciano cicatrici psicologiche durature nelle comunità colpite, come dimostrato dal sisma di magnitudo 7.0 che ha colpito l'Alaska il 6 dicembre 2025.
La chiave per migliorare la preparazione sismica risiede nella composizione geologica del sottosuolo. Kathrin Smetana, professoressa associata presso il Dipartimento di Scienze Matematiche della Stevens Institute of Technology, spiega che i materiali sotterranei variano enormemente da luogo a luogo: "Possono esserci strati di roccia solida, oppure sabbia o argilla". Questa variabilità è cruciale perché le onde sismiche si propagano in modo diverso attraverso ciascun materiale, influenzando direttamente l'intensità delle vibrazioni percepite in superficie e quindi il potenziale distruttivo di un terremoto in una specifica località.
Per mappare questi strati geologici profondi, i ricercatori utilizzano una tecnica chiamata Full Waveform Inversion, un metodo di imaging sismico che ricostruisce la struttura del sottosuolo combinando simulazioni al computer con dati reali. Il processo funziona generando terremoti virtuali e tracciando il percorso delle onde sismiche attraverso la Terra. I ricercatori confrontano poi i pattern ondulatori simulati registrati in posizioni virtuali di sismografi con i sismogrammi reali, ovvero le registrazioni grafiche del movimento del suolo durante terremoti effettivi. Attraverso numerosi cicli di raffinamento, i dati simulati convergono progressivamente verso le osservazioni reali, offrendo un quadro sempre più preciso delle condizioni sotterranee.
"Si confrontano i dati della simulazione al computer con i dati reali ottenuti dai terremoti", chiarisce Smetana. "Questo permette di scoprire com'è fatto il sottosuolo e quale effetto ha un terremoto sulla sua composizione, informazioni che in ultima analisi aiutano a determinare il rischio sismico in una determinata località". Questa metodologia rappresenta uno strumento cruciale per migliorare il monitoraggio dei terremoti e la valutazione dei rischi, ma presenta un limite significativo: ogni simulazione può coinvolgere milioni di variabili e deve essere ripetuta migliaia di volte. Secondo Smetana, una singola simulazione con metodi tradizionali può richiedere diverse ore anche su cluster di calcolo avanzati, rendendo il monitoraggio continuo proibitivamente costoso in termini di tempo e risorse computazionali.
Per superare questo ostacolo computazionale, Smetana ha collaborato con i sismologi computazionali Rhys Hawkins e Jeannot Trampert dell'Università di Utrecht, insieme a Matthias Schlottbom e Muhammad Hamza Khalid dell'Università di Twente nei Paesi Bassi. Il team interdisciplinare ha sviluppato un modello semplificato che riduce drasticamente il carico computazionale preservando l'accuratezza. "È stato un progetto molto interdisciplinare e abbiamo trovato un modo intelligente per costruire il modello ridotto", afferma Smetana. "Mi piacciono molto le collaborazioni interdisciplinari come questa perché si impara a vedere le cose da una nuova prospettiva, il che alla fine aiuta a trovare approcci creativi e innovativi per risolvere un problema in un team interdisciplinare". La ricerca, dettagliata nello studio "Model Order Reduction for Seismic Applications" pubblicato sul SIAM Journal on Scientific Computing, rappresenta un passo avanti significativo nell'efficienza del calcolo sismico.
È fondamentale chiarire che questo nuovo modello non rende possibile prevedere quando si verificheranno i terremoti. Piuttosto, offre un metodo più efficiente per valutare il rischio sismico in diverse località. "Se si ottiene una buona immagine del sottosuolo, si ha un'idea migliore della valutazione del rischio di futuri terremoti", spiega Smetana. La distinzione tra previsione e valutazione del rischio è cruciale: mentre la prima richiederebbe di sapere esattamente quando e dove colpirà un sisma, la seconda permette di identificare quali aree sono più vulnerabili e di pianificare di conseguenza misure di mitigazione e preparazione.
Le potenziali applicazioni di questo approccio modellistico si estendono oltre i terremoti terrestri. Lo stesso metodo potrebbe aiutare gli scienziati a simulare tsunami innescati da terremoti sottomarini. In molti casi, gli tsunami impiegano almeno un'ora per raggiungere la terraferma dopo un sisma sottomarino, a seconda della posizione della rottura. Questa finestra temporale potrebbe consentire ai ricercatori di eseguire simulazioni rapide che informino le risposte di emergenza, potenzialmente salvando vite umane attraverso evacuazioni tempestive e mirate.
La capacità di ottenere immagini accurate del sottosuolo rappresenta la chiave per comprendere come i terremoti influenzano diverse regioni. "Al momento non c'è modo di prevedere i terremoti", ammette Smetana. "Ma il nostro lavoro può aiutare a generare una visione realistica del sottosuolo con meno potenza di calcolo, rendendo i nostri modelli più pratici e aiutandoci a essere più resilienti ai terremoti".
