Intelligenza artificiale per la prevenzione dei terremoti: un aiuto alla ricerca che sfrutta i cavi sottomarini

Una ricerca multidisciplinare internazionale ha messo in luce la possibilità di sfruttare i cavi sottomarini per ricavare informazioni utili a prevenire sismi e tsunami, in cui l’intelligenza artificiale detiene un ruolo importante quale strumento statistico e di analisi.

TAKEAWAY

  • La ricerca lavora attivamente per trovare soluzioni per avvisare tempestivamente e prevenire i disastrosi effetti dei terremoti.
  • In circa 70 anni si sono contati mediamente 140 terremoti di magnitudo pari o superiore al grado 6 della scala Richter
  • Oggi è possibile impiegare tecniche di intelligenza artificiale per contribuire a realizzare strumenti di prevenzione di sismi e tsunami: a questo lavora un team multidisciplinare di Caltech, Google e Università degli studi di L’Aquila.

L’intelligenza artificiale per prevenzione terremoti è una opportunità che il mondo scientifico intende sfruttare a fondo. Uno degli studi più recenti vede l’utilizzo dei cavi sottomarini quali strumenti di indagine geologica. Proprio così: cavi in fibra ottica utilizzati come sismografi.

Un team di ricerca multidisciplinare che coinvolge California Institute of Technology (Caltech), Google e l’Università degli studi di L’Aquila intende sfruttare come sensore sismico il cavo sottomarino in fibra ottica ‘Curie’, che collega la California al Cile, lungo circa 10.500 chilometri.

L’idea è nata da uno studio di un gruppo di ricercatori del colosso statunitense di servizi online, tra cui due italiani. L’anno scorso il gruppo ha pubblicato uno studio dedicato alla possibilità di rilevare i terremoti con i cavi sottomarini. 

“Curie” potrebbe essere utile quindi per attivare sistemi di allarme per terremoti e tsunami in tutto il mondo. Ma non solo: l’idea potrebbe essere replicata su tutti i cavi sottomarini che corrono nelle profondità degli oceani e che collegano – tranne l’Antartide – tutti i continenti della Terra.

Intelligenza artificiale per prevenzione terremoti: a che punto sono gli studi

La previsione dei terremoti è fondamentale per valutare il rischio sismico e mettere a punto adeguate misure di prevenzione. Dal 1950 al 2019 si sono contati mediamente 140 terremoti di magnitudo pari o superiore al grado 6 della scala Richter, secondo dati INGV. Tuttavia, gli eventi sismici hanno una natura complessa ed è difficile identificare in modo efficace l’origine e la forza degli eventi oltre che è assai difficile estrarre caratteristiche indicative dai dati sismici continuamente rilevati.

Sono tutte questioni cui possono fornire un aiuto prezioso l’insieme di tecniche che fanno capo all’ambito di studi dell’intelligenza artificiale, che oggi sono utilizzate come strumenti statistici per affrontare questi problemi.

Dall’estrazione di dati di rilevamento significativi al rivelamento di eventi sismici scoperti tra le pieghe delle miriadi di informazioni raccolte, l’AI aiuta a identificare caratteristiche sconosciute e prevedere più accuratamente le attività sismiche.

Si contano diverse applicazioni di intelligenza artificiale per la prevenzione dei terremoti. Alcuni scienziati della Stanford University hanno cercato di indagare la possibilità di sfruttare l’AI per rilevare micro movimenti nello strato più esterno della Terra tramite una tecnologia innovativa che vede al centro specifici algoritmi.

Un team del Los Alamos National Laboratory, in New Mexico, ha adottato tecniche di Artificial intelligence, facendo “ascoltare” a un computer il suono che la faglia produce durante tutto l’episodio sismico. L’intelligenza artificiale è stata così in grado di prevedere quando si sarebbero verificate le scosse, casuali, con grande accuratezza.

La Cina, teatro di alcuni dei terremoti più catastrofici della storia, ha avviato già dallo scorso anno i test su un nuovo sistema di monitoraggio dei terremoti che utilizza l’intelligenza artificiale per la prevenzione dei terremoti, in particolare per misurare l’attività sismica nelle province sudoccidentali di Yunnan e Sichuan.

Da quanto si sa, il sistema di AI è completamente automatizzato e progettato per elaborare enormi quantità di dati sismici potendo accelerare la previsione del terremoto di alcuni preziosi secondi. 

Ma lo studio multidisciplinare sull’impiego dei cavi sottomarini apre a potenzialità enormi, contando che nel mondo se ne contano 430 in grado di assicurare più del 99% dei collegamenti internazionali su Internet. Si può dire che siano la colonna vertebrale del web e la spina dorsale, il “backbone,” del 4G e del 5G.

Ecco una mappa animata dei cavi Internet sottomarini del mondo.

Intelligenza artificiale per prevenzione terremoti, cavi sottomarini come sismografi

Il team di ricerca condotta sulla infrastruttura “Curie” (di proprietà Google) nasce da un’idea del ricercatore italiano Mattia Cantono. E lui ad aver evidenziato la possibilità di sfruttare questo e altri cavi sottomarini come strumento previsionale.

Non è l’unico italiano attivo nella ricerca che vede coinvolti anche esperti geofisica della Caltech: per la parte ottica è stato chiamato uno dei massimi esperti internazionali, Antonio Mecozzi, docente di Fisica della Materia all’Università degli Studi dell’Aquila. Il lavoro del luminare italiano è fondamentale proprio perché al cuore della ricerca e della possibilità di trasformare un cavo in fibra ottica in un sismografo c’è la luce.

I cavi funzionano grazie all’impiego di laser che inviano impulsi di informazioni attraverso fibre ottiche per fornire dati a velocità superiori a 200mila km al secondo da un capo all’altro dell’estremità. Per sfruttare al meglio questa proprietà e trasferire quante più informazioni possibili attraverso di essi, diventa essenziale la polarizzazione della luce che viaggia all’interno delle fibre.

Mecozzi, il quale è stato chiamato ad affrontare e risolvere problemi di polarizzazione del segnale analizzato in questo tipo di misure, spiega:

Nel caso dell’esperimento condotto dal team multidisciplinare, si misurano piccole variazioni di polarizzazione, in pratica minime differenze del cammino ottico svolto dalla luce che subisce per effetto delle vibrazioni quando percorre distanze così importanti

L’importanza della ricerca è data dalla possibilità di lanciare un segnale di allarme molto rapidamente a seguito di un pericolo sisma o tsunami incombente, sfruttando la stessa velocità della luce. “Pensiamo solo che per coprire quella distanza USA-Cile in aereo ci vogliono circa 13 ore di volo. La luce impiega metà di un decimo di secondo” spiega ancora il docente dell’ateneo aquilano.

I prossimi traguardi: l’AI per la prevenzione e la localizzazione dei terremoti

Per ora lo studio si focalizza sulla possibilità di cogliere la variazione nei due terminali del cavo ovvero Los Angeles e Valparaiso. La struttura per lo più giace a 6000 metri sotto il livello del mare.

L’obiettivo è automatizzare l’intero processo di rilevamento e notifica in modo da fornire informazioni critiche in aggiunta ai dati già raccolti dalla rete globale di sismometri terrestri e le boe nel sistema Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis (DART), gestito dal National Data Buoy Center della National Oceanic and Atmospheric Administration.

Ed è proprio per il processo di rilevamento e notifica che entra in gioco l’AI: già oggi Google e Caltech stanno sviluppando un algoritmo di Machine Learning in grado di determinare se i cambiamenti rilevati nella polarizzazione sono prodotti da terremoti o onde oceaniche piuttosto che qualche altro cambiamento al sistema, come una nave o un granchio che sposta il cavo. 

Ed è quanto hanno spiegato nell’articolo apparso su Science tra i cui autori compaiono, oltre agli italiani Mattia Cantono e Antonio Mecozzi anche Rafael Muller, esperto di data analytics e di Artificial Intelligence.

L’intelligenza artificiale per la prevenzione dei terremoti, quindi, diventa parte integrante del lavoro di ricerca. In particolare il Machine learning potrebbe rivelarsi determinante per aiutare a individuare con sufficiente precisione dove si è generato il sisma: “è essenziale a questo proposito. Stiamo parlando di individuare un segnale estremamente flebile che corrisponde a minime variazioni del cammino ottico ed è difficile da estrarre dalle varie informazioni. È un’attività assai complessa e che richiede appunto l’adozione di tecniche di Machine learning per metterlo a punto e per individuare il segnale tra i numerosissimi altri”.

È possibile pensare ad altre prospettive aperte dalla ricerca: mettere a punto un sistema di AI in grado di individuare l’origine del sisma con tecniche di apprendimento automatico.

Di più: si potrebbero sfruttare tutti i cavi sottomarini per ottenere informazioni in maniera capillare, senza bisogno di sensori aggiunti – come prevedeva, invece, una ricerca uscita nel 2019 – ovviando a problemi di sicurezza ed evitando costi enormi di installazione e manutenzione.

Il vantaggio del nostro sistema è che si utilizza una infrastruttura già esistente per leggere informazioni cruciali per la prevenzione sismica” sottolinea Mecozzi. Quello che si potrebbe fare nei prossimi anni con i cavi in fibra ottica suboceanici potrebbe essere impiegato anche sfruttando la telefonia mobile: mediante l’impiego dell’AI e gli accelerometri già presenti nei cellulari si potrebbero monitorare ponti e altre infrastrutture. Le strade e le potenzialità del Machine Learning per la prevenzione sono davvero infinite.

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Andrea Ballocchi
Giornalista specializzato in tecnologia, focalizzato su temi che riguardano l'Internet of Things e le tecnologie emergenti che hanno un impatto significativo sulla vita quotidiana e su quella futura. Oltre alla tecnologia si occupa anche di temi legati alla sostenibilità ambientale e non solo (edilizia, architettura, design...)
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