................ ................ ................

I vulcani esercitano un grande fascino, per un insieme di grandiosità, timore e mistero che essi ispirano. Anche per come è intessuto nella nostra Storia, il Vesuvio lo esercita in sommo grado. Faremo un percorso con lo sguardo volto alla comprensione di cosa nasconde al suo interno. Le parti centrali dell'articolo hanno un dominante contenuto tecnico-scientifico e possono essere affrontate da chi intenda approfondire questi aspetti.

Ci riferiremo a Il vulcano Vesuvio per un’esposizione del suo "carattere" come vulcano e della sua storia eruttiva. Se poi vi interessa avere qualche elemento su come è stata vissuta la presenza del Vesuvio nel corso della storia umana, leggete La Montagna Calda .



Miracoli e misteri

Il Libro dei miracoli (in tedesco Das Wunderzeichenbuch) è una recente e straordinaria scoperta di Arte e Scienza rinascimentali. Il libro, un eccezionale manoscritto composto attorno al 1550 nella Libera Città Imperiale di Augsburg (l’antica Augusta) nell’odierna Germania meridionale, raccoglie nelle sue splendide illustrazioni la rappresentazione di fenomeni naturali che costituiscono un mistero, inspiegabile e quindi apparente miracolo. Del libro esiste un’edizione Taschen in fac-simile, la cui presentazione contiene un avvincente video illustrativo.

Nato tra il tempo dei misteri e dell’immaginazione – il Medioevo - e il secolo in cui è nata la Scienza Moderna – il Seicento – il manoscritto si situa in una fase storica che nel percorso della Scienza in generale corrisponde a quella che precede il momento creativo all'origine di ogni scoperta della Scienza moderna. In esso possiamo vedere - trasposta nella Storia - una vivida rappresentazione di una tale fase, consistente nella presa di coscienza di un fenomeno apparentemente misterioso. Il libro precede la fase della pura razionalità, che per esempio vediamo nella "applicazione" della già ben sviluppata prospettiva geometrica nei dipinti di Piero della Francesca .

Tra i misteri nel Libro dei miracoli vi è il “vulcano Vesuvio”, rappresentato in figura 1. Non toglie nulla al suo significato il fatto che la data indicata per l’eruzione – il 1482 – non corrisponde a quella di una sua reale eruzione. Essa fornisce una vivacissima illustrazione della coscienza di mistero che, nel secolo successivo, ha dato luogo alla visione proto-scientifica del del vulcanismo e Vesuvio di Athanasius Kircher, che ora illustreremo brevemente.

..................................................... Fig. 2a. Vulcani come sfiatatoi di fuoco in camere all’interno della Terra Da Athanasius Kircher, Mundus subterraneus, 1664 - Immagine Wikimedia Altissima Definizione Klaus-Peter Kelber – University of Würzburg

...

................................. Fig. 2b. Il Vesuvio e il suo interno Da Athanasius Kircher, Mundus subterraneus (1664) Immagine ad alta definizione Wikimedia

Gli inizi della Vulcanologia

L'ultima eruzione del Vesuvio di grandissima intensità (definita come "sub-pliniana") è avvenuta nel 1631. Sette anni dopo, l’eclettico scienziato Athanasius Kircher (1602-1680) salì sul Vesuvio per esplorare l'interno del cratere. Era il secolo di Galileo Galilei (1564-1642) e dell'introduzione del metodo sperimentale, il quale richiede che gli scienziati “con sensate esperienze confermino i principii loro” (Discorsi e dimostrazioni matematiche attorno a due nuove scienze, Dialogo Terzo, 1638). E’ il metodo che ha dato vita alla Scienza come la intendiamo oggi.

Salendo sul Vesuvio, Athanasius Kircher seguì l’approccio sperimentale. Nel suo famoso libro Mundus Subterraneus (potete sfogliarlo), scritto nel 1664, egli riferì di aver “pensato di vedere l'abitazione dell’Inferno”. Egli comprese che il vulcanismo è legato alla presenza di fuoco in camere interne alla Terra, di cui vulcani “non sono altro che gli sfiatatoi, o canali di areazione". Sono quelle che oggi chiamiamo camere magmatiche. Inoltre egli scrisse:


Nel cartiglio in alto in figura 2a si legge infatti:


La Figura 2b mostra quello che Athanasius Kircher vide all’interno dell’ampio cratere lasciato dall’eruzione del 1631 e per
renderlo comprensibile ne fa uno “spaccato”. Si vede il cono, i suoi fianchi interni, il forte degassamento lungo i suoi versanti e l’attività vulcanica che ricomincia nella parte più bassa, sul fondo del cratere. . Il paragone con la figura 1 è illuminante riguardo alla transizione verso la nuova metodologia della Scienza.

..................................................... Fig. 3. Mappa dei primi scavi del Teatro di Ercolano secondo il rapporto di Pierre Bardet de Villeneuve (1737) Immagine Ercolano, Scavi Archeologici

...

................................. Fig. 4. Calchi di vittime dell’eruzione del 79 d.C. Credito Sovrintendenza Archeologica di Pompei Immagine Corriere del Mezzogiorno

Monito dall’Archeologia

A lungo l'eruzione del Vesuvio nel 79 d.C. era rimasta conosciuta solo dalla letteratura e in particolare dal rapporto fornito da Plinio il Giovane in due Lettere a Publio Cornelio Tacito ( VI.16 e VI.20 ), di impressionante modernità. Con gli scavi di Pompei ed Ercolano, attorno alla metà del Settecento l’Archeologia iniziò a portare prove dirette delle distruzioni causate dal Vesuvio e a dare avvertimenti molto espliciti sulla sua pericolosità.

I primi scavi sistematici procedettero mediante pozzi e gallerie, come mostrato in figura 3 per il Teatro di Ercolano in una mappa di Pierre Bardet de Villeneuve, che fu tra i primi soprintendenti agli scavi. In corrispondenza del centro della cavea, si nota il pozzo circolare attraverso il quale avvenne la scoperta.

Seguirono scavi a cielo aperto, che fornirono istantanee di vita in epoca romana miste a drammatiche testimonianze di morte (figura 4). La figura 5 mostra che nel 1850 il dissotterramento di Pompei era già molto avanzato. Gli scavi forniscono un monito sotto gli occhi di tutti del gravissimo pericolo costituito dal Vesuvio e un'indicazione di quanto lontano dal vulcano esso si possa estendere.

Fig. 5. Scavi di Pompei con il Vesuvio sullo sfondo Litografia di Friedrich Federer (1850) Immagine Alta Definizione - Wikipedia

...

Fig. 6. La Zona Rossa attorno al Vesuvio Immagine Alta Definizione Wikipedia ...

Si stima che al tempo dell’eruzione Pompei avesse circa 15.000 abitanti. Il potenziale dramma è paurosamente amplificato rispetto ai tempi dell’antica Pompei. Ai giorni nostri, circa 700.000 persone vivono nella cosiddetta “ Zona Rossa ” alla base e lungo le pendici del vulcano, mostrata in figura 6. Essa comprende una zona soggetta all’invasione diretta di flussi piroclastici e una soggetta a elevato rischio di crollo delle coperture degli edifici per accumulo di depositi piroclastici (ceneri vulcaniche e lapilli). Oggi, la Zona Rossa è classificata al più alto rischio vulcanico d'Europa. Ogni sforzo è giustificato per comprendere il Vesuvio.


Vedere l’invisibile dei vulcani

Le tecniche capaci di fornire “immagini” degli organi interni del corpo umano sono diventate indispensabili per la diagnosi e per formarsi un quadro della possibile evoluzione di un problema medico.

Oggi sono varie e raffinatissime, ma si immagini l’emozione provocata nel 1895 dalla prima radiografia X, mostrata in figura 7. Vi si vede la mano della moglie di Wilhelm Röentgen , che ebbe il Premio Nobel nel 1901 “in recognition of the extraordinary services he has rendered by the discovery of the remarkable rays subsequently named after him” (in riconoscimento degli straordinari servizi resi con la scoperta dei rimarchevoli raggi ai quali successivamente è stato dato il suo nome).

Per i vulcani, lo sviluppo di tecniche di “diagnostica per immagini”, in aggiunta ai metodi d’indagine correntemente usati, tende a tradurre in osservazioni reali le illustrazioni fornite in Mundus Subterraneus dall’immaginazione scientifica di Athanasius Kircher e riportate nelle figure 2a e 2b.

Ottenere immagini della struttura interna di un vulcano è una sfida, sia per quanto riguarda le camere magmatiche sottostanti che l'edificio vulcanico emergente dal suolo circostante. Riportiamo qui di seguito gli importanti risultati ottenuti dal progetto TOMOVES con l’osservazione delle camere magmatiche nelle profondità del Vesuvio, tramite la tecnica detta “Tomografia Sismica”. Illustreremo poi le prospettive del progetto MURAVES, che mira a indagare la struttura interna della parte superiore del cono del Vesuvio mediante la cosiddetta tecnica “muografica”. Le due tecniche hanno obbiettivi del tutto complementari.

............................................... Fig. 7. La prima radiografia X Immagine Wikipedia

......

................................. Fig. 8. Tomografia Sismica del confine tra il mantello e il nucleo della Terra Immagine Robert van der Hilst - Geotimes

La Tomografia Sismica è uno strumento di grande importanza in vari campi, dalla Geologia alla ricerca di giacimenti di petrolio al lucroso fine di un loro sfruttamento. Lo è in particolare per la comprensione dei vulcani e della struttura delle camere magmatiche che li alimentano in profondità. La sua applicazione al Vesuvio con il progetto internazionale TOMOVES (TOMOgrafia sismica del VESuvio) è iniziata nel 1994 e ha durato 8 anni. Il progetto è stato realizzato grazie al supporto del Dipartimento Nazionale della Protezione Civile, dell'Esercito Italiano per il lavoro sul campo e del Programma ENV4 dell'Unione Europea per l'elaborazione dei dati. L’integrazione nel progetto di una campagna in mare aperto (MAREVES) ha avuto il sostegno della Società francese IFREMER e ha incluso nell'indagine il vulcanismo dei Campi Flegrei. Il progetto ha portato a importanti risultati. Li illustreremo, dopo avere chiarito come opera la Tomografia Sismica.


La Tomografia Sismica

La Tomografia Sismica permette di ottenere immagini in tre dimensioni di strutture complesse all'interno della Terra. Essa è basata sull’osservazione di onde sismiche prodotte da terremoti o provocate artificialmente in tempi diversi e in vari luoghi attorno al volume da indagare. La loro riflessione verso la superficie terrestre da parte di disomogeneità incontrate nel propagarsi all’interno della Terra porta informazioni sulle disomogeneità stesse. Un esempio è mostrato in figura 8, che illustra recenti ricerche per indagare la transizione tra mantello e nucleo della Terra.

Le riflessioni sono rese possibili da disomogeneità caratterizzate da diverse velocità di propagazione delle onde sismiche, per esempio a causa di una diversa densità. Avvengono allora fenomeni di rifrazione e riflessione analoghi a quelli manifestati dalla luce (anch’essa un’onda, elettromagnetica ) allorché incontra un mezzo con diverso indice di rifrazione, ossia con una diversa velocità della luce nel mezzo.

Infine, per risalire dai dati sperimentali forniti dalla rilevazione delle onde riflesse alle disomogeneità si segue una procedura detta di “inversione”. La procedura è analoga a quella utilizzata in diagnostica medica nella Tomografia computerizzata (nota come TAC) per risalire da mappe della trasmissione di raggi X osservate in varie direzioni a immagini tridimensionali degli organi interni.

..................................................... Fig. 9. Onde sismiche longitudinali e trasversali Immagine INGV

...

................................. Fig. 10. Profili lungo i quali sono stati distribuiti i sensori ed effettuate le esplosioni, intersecantisi al cratere del Vesuvio (da ref. Capuano 2003, p. 78)

Generazione e registrazione dei segnali sismici

Le onde sismiche sono generate da sorgenti collocate in vari punti, in modo che esse investano sotto vari angoli il volume che si vuole indagare. Il numero di punti deve essere adeguatamente elevato in relazione alla risoluzione spaziale che si vuole ottenere. Per il Vesuvio TOMOVES ha principalmente utilizzato sorgenti di onde sismiche su terra, costituite da cariche di esplosivo collocate entro un pozzo. Come fonti di onde sismiche in mare aperto è stato evitato l’uso di esplosivo, e ricorso a cannoni ad aria compressa.

Le onde sismiche si propagano all’interno della Terra con i modi di vibrazione mostrati in figura 9. Le cosiddette onde P (immagine in alto) sono caratterizzate da vibrazioni di compressione e decompressione in direzione longitudinale, come le onde sonore. Le onde S (immagine in basso) sono caratterizzate da vibrazioni trasversali dette “di taglio”, che tendono a far slittare trasversalmente straterelli di materia contigui. La sostanziale mancanza di coesione che caratterizza un mezzo liquido non permette la trasmissione delle onde S, per cui la presenza di acque sotterranee o magma modifica i rapporti tra onde P e S.


Una fitta rete di sensori registra le onde che sono riflesse nel volume da indagare, ai diversi angoli con cui emergono in superficie. Per risolvere il problema inverso e risalire alle disomogeneità che hanno causato le riflessioni, il numero di sensori deve essere ancora maggiore di quello delle sorgenti sismiche. In TOMOVES, i segnali sismici sono stati registrati in 140 siti su terra e da alcuni sismometri sul fondo del mare, situati lungo profili che si intersecano in corrispondenza del cratere del Vesuvio come mostrato in figura 10. Le esplosioni sono state effettuate in varie posizioni lungo gli stessi profili.

La figura 11 mostra un esempio dei segnali registrati dai sensori lungo uno dei profili mostrati in figura 10. Si osserva un segnale sismico che raggiunge i sensori in tempi progressivamente ritardati man mano che ci si allontana dalla sorgente. La velocità dell'onda è dedotta dalla progressione dei segnali. Se il volume di indagare è caratterizzato da disomogeneità nelle proprietà elastiche (per esempio dovute alla presenza di magma), si osservano anomalie sia nelle velocità di propagazione che nel contenuto in frequenza e nelle ampiezze dei segnali.

Fig. 12. Un corpo solido (in rosso) scoperto nella struttura a bassa profondità sotto il cratere sommitale del Vesuvio (da ref. Capuano 2003)

...

Fig. 13. Lo strato magmatico individuato con la tomografia sismica alla profondità di 8-10 km (da ref. Capuano 2003, p. 314)

Risultati

La tomografia sismica del Vesuvio non ha mostrato la presenza di serbatoi di magma a bassa profondità (fino a 5 km) più grandi di 2 km² , che corrisponde al potere risolutivo della misura. Un piccolo corpo vulcanico interamente solido si trova sotto il cratere sommitale a una profondità di circa 1 km, come mostrato in figura 12.

L'osservazione di onde riflesse P e S ha permesso l'identificazione di un esteso strato a bassa velocità a 8-10 km di profondità, visibile in figura 13. MAREVES ha mostrato (figura 13) che esso si estende fino ai Campi Flegrei , visibili nelle figure 6 e 10 a Ovest del Vesuvio dalla parte opposta rispetto a Napoli. Lo strato ha tutte le caratteristiche attese da uno strato magmatico, come confermato da successive indagini elettro-magnetiche e petrologiche.


Se per situare Vesuvio e Campi Flegrei non vi accontentate delle figure 6 e 10 e cercate anche raffinatezza estetica e culturale, la carta geografica in figura 14 fa per voi. La si apprezza vedendola in alta definizione . La carta è tratta dallo storico libro di Julius Beloch (1854-1929) Campanien Geschichte und Topographie des antiken Neapel und seiner Umgebung (Storia della Campania e topografia dell’antica Napoli e dei suoi dintorni), edito nel 1890. Dal sito Web potete anche soddisfare le vostre curiosità accedendo a carte di zone specifiche.
[/td] [/tr] [/table]



Come mostrato in figura 15, le particelle ad alta energia provenienti dal Cosmo (i cosiddetti " raggi cosmici ") che colpiscono dei nuclei atomici nella parte superiore dell'atmosfera producono sciami di particelle, tra le quali dei "muoni" (indicati con la lettera greca μ). I muoni sono particelle con caratteristiche simili a quelle di elettroni, ma la loro massa - circa 200 volte più grande – rende i muoni di sufficiente energia meno influenzabili dalle interazioni con la materia (che attraversano "come un treno") e conferisce loro un molto maggiore potere di penetrazione. Per esempio, i muoni prodotti da raggi cosmici possono agevolmente penetrare anche centinaia di metri di roccia.

Come in una normale radiografia si vedono gli organi interni tramite una diversa trasmissione dei raggi X, ma su spessori di gran lunga maggiori, si può così ottenere una “immagine muografica" in base alla differente trasmissione dei muoni secondo la densità della materia attraversata. Una trasmissione più bassa corrisponde a una densità media più alta lungo il percorso dei muoni.

Fig. 15. Un esempio di sciami di particelle prodotti da raggi cosmici, tra le quali muoni Immagine Extremetech

Fig. 16. Schema di muografia del cono del Vesuvio

La muografia è nata nel 1970 come applicazione all'Archeologia di tecniche sviluppate per la Fisica delle Particelle Elementari. Essa ha iniziato nel 2007 ad essere applicata con successo ai vulcani (vedete Penetrare i misteri della Terra e Radiografia muonica di vulcani ), impresa più ardua dato lo spessore di materia che i muoni devono attraversare. In linea di principio la “muografia” può fornire direttamente immagini di strutture interne (condotti o zone a diversa densità) con risoluzioni spaziali dell’ordine delle decine di metri, molto superiori a quella ottenibilii mediante le convenzionali tecniche indirette.

La figura 16 mostra lo schema di una muografia dell’edificio (la parte emergente dalla superficie terrestre) di un vulcano, nella fattispecie la parte superiore del cono del Vesuvio. Il vulcano è investito da muoni generati da raggi cosmici. Riescono ad attraversarlo completamente solo quelli che provengono da una direzione prossima all’orizzontale e che sono stati generati con sufficiente energia per sopravvivere nonostante la sua graduale perdita lungo il percorso. Un apparato sperimentale situato sul versante opposto (in inglese “detector”, fortemente ingrandito in figura) registra la posizione e la direzione dei muoni che vi giungono dopo aver attraversato il vulcano. Le traiettorie sono ricostruite mediante un’analisi offline dei dati. Una loro proiezione all’indietro fornisce una mappa di trasmissione dei muoni, dalla quale al completamento dell'analisi si ottiene infine la desiderata mappa della densità del vulcano come vista da dove è situato l'apparato sperimentale. Per ricostruire un'immagine muografica tridimensionale, è necessario combinare i dati raccolti da muografie in più direzioni.

..................................................... Fig. 17. Mappa dei muoni attesi in un’esposizione di 12 m2 x anno

...

................................. Fig. 18. Mappa dello spessore di materia vulcanica attraversata dai muoni (metri)

Il progetto MURAVES

Il progetto MURAVES, ora in fase di avvio, rappresenta il primo approccio a una muografia del cono del Vesuvio, beneficiando dello sviluppo tecnologico condotto nell’esperimento MU-RAY . Già una misura della densità media del materiale vulcanico darebbe un dato utile da inserire in simulazioni di processi eruttivi al calcolatore al fine di fornire previsioni su "come" un'eruzione potrebbe svilupparsi. MURAVES è condotto da ricercatori dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e delle Università di Firenze e di Napoli “Federico II”, in collaborazione con l’Earthquake Research Institute (ERI) dell’Università di Tokyo.

La sommità del Vesuvio si trova ad un'altitudine di 1280 m s.l.m. e il fondo del cratere è circa 330 m al di sotto di essa. La figura 17 mostra come un “occhio” sensibile ai muoni - quale è in sostanza l’apparato sperimentale utilizzato – può vedere il Vesuvio da una postazione situata a 960 m s.l.m. sul versante Sud-Est. La grandezza corrispondente all’intensità della luce che colpirebbe un occhio umano è il flusso di muoni, che in figura è mappato in funzione degli angoli orizzontale e verticale rispetto all’asse della “visione muonica”, suddiviso in scomparti di 22 milliradianti (1,26 gradi) per ambedue gli angoli . Esso è espresso come il numero di muoni registrato in 3 anni da un apparato sperimentale avente un’area di 4 m² , come quello previsto per l'avvio della sperimentazione con MURAVES.

La luce non passa attraverso il vulcano, per cui un occhio umano ne vedrebbe solo il profilo. Invece, l’assorbimento dei muoni non è totale, e dipende sia dallo spessore che dalla densità media della materia attraversata. Infatti, in figura 17 si vede un maggior flusso di muoni in corrispondenza del cratere, manifestato dalla zona in rosso-arancione nella scala di colori mostrata sul lato destro della figura. Lo spessore della materia attraversata è calcolabile in base alla forma geometrica del vulcano ed è mappato in figura 18, con gli stessi assi della figura 17. Quindi, la misura del flusso di muoni permette di mappare la sconosciuta densità media. E’ una muografia, che come detto sopra è concettualmente analoga a una radiografia a raggi X.

La muografia del Vesuvio pone una sfida molto ardua, date le sue dimensioni e lo spessore di materia vulcanica che i muoni devono attraversare per giungere all'apparato sperimentale. Nella sua configurazione attuale, MURAVES è un primo approccio, che permetterà anche di comprendere le problematiche sperimentali che si pongono. Un approndimento su di esse è fornito nell'Appendice, assieme a una descrizione dell'apparato sperimentale ora previsto.



Come tutti domandano, il sogno ultimo degli scienziati è poter prevedere "quando" un'eruzione potrebbe verificarsi e "come" potrà svilupparsi. A questo riguardo, tutti i vulcani sono ancora in un libro dei misteri. Ma il cammino passa per la strada della conoscenza scientifica delle loro caratteristiche e della comprensione dei meccanismi eruttivi. Su questa strada il progresso è stato grande, anche se vi è ancora molto lavoro da fare.

Un aspetto del progredire della conoscenza del Vesuvio è volto a darci una "immagine" della sua struttura interna. Abbiamo visto successi e prospettive, con le ambiziose sfide che si pongono. La motivazione ad affrontarle non proviene solamente dall’innato desiderio di conoscenza che anima la specie umana e spinge gli scienziati a impegnarsi. In questo caso a motivare ogni sforzo è la coscienza del potenziale pericolo per le centinaia di migliaia di persone che vivono alle sue falde e per quelle nelle loro prossimità.

L’incombente presenza del Vesuvio non sfuggì neppure a uno straniero come Pierre-Auguste Renoir (1841-1919). Pur in una Napoli con un lungomare dipinto con spirito francese come un boulevard parigino, nella sua “istantanea” impressionistica in figura 19 il Vesuvio domina lo sfondo, con il pennacchio di fumo che a quel tempo ne usciva per avvertire gentilmente della sua natura e delle incognite che porta entro il suo corpo.
.....................................................
Nel detto o nel non detto, è una presenza avvertita da tutta la popolazione che vive attorno ad esso. Essa dà anche motivazione e anima alla ricerca scientifica. Questo vale in modo particolare ora che non esce neppure fumo come nel dipinto di Renoir e ci si interroga su cosa si prepari nel persistente periodo di quiescenza dopo l’ultima eruzione nel 1944, anomalmente lungo come evidenziato in Il Vesuvio . Ne derivano motivazione anche le sfide più ardue, il cui successo va conquistato sul campo attraverso una progressiva comprensione e soluzione delle problematiche che si pongono.



Collegamenti

Pompei, Ercolano, Stabia , Soprintendenza Speciale Beni Archeologici, Ministero MIBACT
Tomografia sismica , Sismoscholar, Il portale della sismografia per le scuole
Gianpaolo Bellini, Paolo Strolin e Hiroyuki K.M. Tanaka, Penetrare i misteri della Terra , Le Scienze, Agosto 2015


Referenze

Zollo A., Gasparini P., Virieux J., Le Meur H., de Natale G., Biella G., Boschi E., Capuano P., De Franco R., dell’Aversana P., de Matteis R., Guerra I., Iannaccone G., Mirabile L., Vilardo G.,
Seismic Evidence for a Low Velocity Zone in the Upper Crust beneath Mount Vesuvius. Science 274 (1996) 592-594
Auger E., Gasparini P., Vireux J., Zollo A., Seismic evidence of an extended magmatic sill under Mt. Vesuvius. Science 294 (2001) 1510-1511
Capuano P., Gasparini P., Zollo A., Virieux J., Casale R., Yeroyanni M., The Internal Structure of Mt. Vesuvius, Ed. Liguori (2003) 595 pp.
Zollo A., Maercklin N., Vassallo M., Dello Iacono D., Virieux J., Gasparini P., Seismic reflections reveal a massive melt layer feeding Campi Flegrei caldera, Doi:10.1029/2008GL034242, Geophys. Res. Letters 35(2008) L12306
Anastasio A., et al., The MU-RAY detector for muon radiography of volcanoes, Nuclear Instruments and Methods A732 (2013) 423-426
Ambrosino F. et al., The MU-RAY project: detector technology and first data from Mt. Vesuvius, Journal of Instrumentation JINST 9 (2014) C02029
Ambrosino F. et al., Joint measurement of the atmospheric muon flux through the Puy de Dôme volcano with plastic scintillators and Resistive Plate Chambers detectors, Journal of Geophysical Research Solid Earth, 120 (2015) DOI: 10.1002/2015JB011969


APPENDICE: Apparato e problematiche sperimentali di MURAVES

La tecnica usata da MURAVES per registrare il passaggio dei muoni è fondata sull'uso di barre di materiale plastico avente la proprietà di scintillare , cioè di emettere un piccolo segnale luminoso quando è attraversato da una particella elettricamente carica. Le barre hanno una sezione di forma triangolare, come mostrato in figura A1. Un foro al loro centro ospita una fibra ottica, che ri-emette (a una diversa lunghezza d’onda) la luce catturata e la convoglia a una sorta di occhio elettronico, detto fotomoltiplicatore . I fotomoltiplicatori convertono i segnali ottici in elettrici, adatti per l'elaborazione dei dati con tecnologie elettroniche e informatiche. I fotomoltiplicatori di MURAVES sono realizzati con una recente tecnologia a stato solido, basata sull’uso del Silicio.

........................................ Fig. A1. Sezione trasversa di barre di scintillatore con fibre ottiche Immagine InSPIRE-FNAL

...

................................. Fig. A2. Sezione trasversa di un piano di scintillatori ... ...

Le barre di scintillatore sono strutturate in piani, nei quali si alternano in modo compatto barre con il vertice del triangolo rivolto in verso opposto, come mostrato in figura A1. La figura A2 mostra un intero piano in fase di costruzione, ancora privo del rivestimento che lo protegge dalla luce ambiente. I puntini luminosi mostrano luce che esce dalle estremità delle fibre, derivante da luce ambiente da esse catturata.

L’apparato sperimentale è schematicamente indicato nell'angolo inferiore sinistro di figura 16, come si è detto in scala fortemente ingrandita. Esso è formato da almeno tre moduli, come è in figura, Ogni modulo è costituito da due piani contigui, disposti verticalmente. In uno di essi le barre sono orientate in direzione verticale, cosicché la barra colpita dal muone ne fornisce la coordinata orizzontale. L’altro ha barre orizzontali per fornirne la coordinata verticale.

Non è mostrata in figura 16 una parete di materiale passivo situata davanti al modulo a valle. Essa lascia filtrare e registrare soltanto muoni con sufficiente energia da porli abbastanza “al di sopra di ogni sospetto” per poter considerare che essi abbiano attraversato il vulcano nella direzione ricostruita, e non provengano da traiettorie distorte o derivino da effetti spuri.

La figura 18 mostra che la misura della densità media sotto il fondo del cratere implica l’osservazione di muoni che hanno attraversato almeno circa 1400 m nel vulcano, contro i circa 500 delle muografie finora effettuate. Per penetrare questa spessa barriera i muoni devono avere un’energia molto più elevata, cosicché il flusso di muoni capaci di raggiungere l’apparato sperimentale si riduce di molto. Si pone quindi una seria sfida sperimentale, che deve essere affrontata soprattutto nei due aspetti seguenti.

Anzitutto, la riduzione del flusso va intercettandone di più. Questo richiede apparati sperimentali con aree molto maggiori e tempi di esposizione molto più lunghi. Fino ad ora, essi hanno avuto aree dell'ordine di 1 m² e preso dati per tempi dell'ordine di alcuni mesi. Nella fase prevista, MURAVES coprirà un’area di 4 m² . La figura 17 mostra il numero di muoni atteso in 3 anni di presa dati, assumendo come riferimento una densità di 2,65 g/cm² . Per vedere più in profondità sotto al cratere, l’area andrà ulteriormente aumentata.

Tuttavia, il problema più arduo è posto dal forte miglioramento del potere di reiezione di muoni spuri, come richiesto al fine di avere un accettabile rapporto segnale/fondo nonostante la forte riduzione del flusso di muoni utilizzabili per la muografia. MURAVES incorpora una insieme di nuovi accorgimenti, concepiti in base all'esperienza acquisita in precedenti esperimenti. Tuttavia, è difficile valutare i fondi derivanti da processi complessi. E’ quindi presumibile che anche al Vesuvio la questione del fondo da muoni spuri possa essere risolta solo attraverso un processo di comprensione maturata sul campo e la conseguente messa in opera di opportuni accorgimenti per abbatterlo.