L'intelligenza artificiale avverte le colate detritiche

Le colate detritiche sono miscele di detriti, terra e acqua. Spesso si verificano in occasione di forti precipitazioni su terreni alpini scoscesi e si riversano a valle in modo incontrollato attraverso gole e torrenti di montagna. Solo in Svizzera si verificano diverse centinaia di eventi all'anno. Il cambiamento climatico favorisce questo fenomeno naturale, perché i suoli di permafrost stanno diventando sempre più instabili e gli eventi meteorologici estremi sono in aumento. Se le colate detritiche sono particolarmente grandi o si verificano in luoghi inaspettati, hanno un notevole potenziale distruttivo che minaccia le persone, le infrastrutture e l'ambiente.

I sistemi di allarme svolgono un ruolo importante nel ridurre al minimo il pericolo nelle aree esposte. ? fondamentale riconoscere l'avvicinarsi di masse di fango e detriti nel modo più precoce e affidabile possibile. Oggi i sistemi di allarme si basano su strumenti che di solito devono essere installati in tratti di valle accessibili e a bassa quota. Ciò significa che registrano gli eventi solo relativamente tardi - un problema diffuso nel rilevamento delle colate detritiche.

I ricercatori dell'ETH di Zurigo e del WSL hanno sviluppato un nuovo tipo di rilevatore in grado di riconoscere le colate detritiche in una fase precedente. Il rilevatore identifica anche le scosse più piccole a distanza di sicurezza, che causano colate detritiche poco dopo il loro innesco. Gli scienziati guidati da Fabian Walter, l'ETH, professore di sismologia dei ghiacciai, hanno presentato il loro nuovo approccio nella rivista scientifica pagina esternaLettere di ricerca geofisica prima.

Misurazioni nel sito di prova della colata detritica di Illgraben

Rilevamento delle colate detritiche con sensori sismici

Il nuovo studio affronta questo punto debole. "Vogliamo rilevare le cadute di massi e le colate detritiche il più precocemente possibile, in modo da avvertire la popolazione delle aree a rischio con sufficiente anticipo", spiega Ma?gorzata Chmiel, prima autrice del lavoro e ricercatrice post-dottorato di Walter.Ma?gorzata Chmiel, prima autrice dell'articolo e ricercatrice post-dottorato nel gruppo di ricerca di Walter presso il Laboratorio di Idraulica, Idrologia e Glaciologia (VAW) dell'ETH di Zurigo. Invece di monitorare i flussi detritici con strumenti convenzionali, Walter e il suo team utilizzano sensori sismici, normalmente impiegati per misurare i terremoti.

I sismometri possono essere utilizzati anche per registrare le vibrazioni delle colate detritiche. A seconda delle dimensioni dell'evento, queste possono trovarsi anche a diversi chilometri di distanza. "Ciò significa che le colate detritiche possono essere potenzialmente rilevate anche quando si trovano ancora in aree più elevate e inaccessibili", spiega Walter, illustrando il vantaggio del nuovo sistema di monitoraggio. A tal fine, i ricercatori hanno installato una rete di sismometri intorno al bacino idrografico dell'Illgraben.

Punto cruciale: il rilevamento automatico

La vera sfida, tuttavia, è stata quella di creare un rilevatore in grado di distinguere specificamente le vibrazioni di una colata detritica dalle altre vibrazioni del terreno in un flusso continuo di dati sismici. Questo perché anche le mandrie di mucche, i cantieri lontani o il traffico ferroviario e stradale fanno tremare la terra.

Il team di Walter si è affidato all'apprendimento automatico, un metodo di intelligenza artificiale in cui un computer utilizza dati di addestramento per imparare autonomamente a riconoscere modelli in grandi serie di dati. I ricercatori hanno addestrato l'algoritmo di apprendimento con i segnali di precedenti movimenti di massa registrati all'Illgraben, per un totale di 22 eventi. Hanno poi testato il sistema in condizioni reali con dati di monitoraggio sismico in tempo reale.

Generalista o specialista?

Con il loro studio, gli scienziati hanno dimostrato che le colate detritiche possono essere riconosciute precocemente utilizzando i dati sismici e l'apprendimento automatico. L'Illgraben rappresenta un laboratorio naturale ideale e l'approccio funziona bene. Tuttavia, il metodo richiede un'ampia serie di segnali di colate detritiche per addestrare l'algoritmo. "Tali dati di addestramento non sono quasi mai disponibili altrove", ammette lo specialista in movimenti sismici di massa.

Non è ancora chiaro in che misura il rilevatore addestrato sull'Illgraben sia in grado di riconoscere in generale anche le colate detritiche in altri bacini idrografici. I ricercatori intendono ampliare l'algoritmo in futuro, in modo che possa funzionare anche con una quantità minore di dati di addestramento, o forse addirittura senza dati di addestramento specifici del luogo.

Cooperazione per il rilevamento precoce dei pericoli naturali

Ma le ambizioni dei ricercatori vanno oltre. Il nuovo rivelatore è una prima pietra miliare di un progetto globale tra WSL e Swisscom Broadcast. La cooperazione nel settore della ricerca, in cui è coinvolto in modo significativo anche il gruppo di Walter, mira a migliorare il monitoraggio dei movimenti di massa nella regione alpina. A tal fine, Swisscom Broadcast sta sviluppando una piattaforma che riunisce flussi di dati provenienti da diverse fonti e li analizza in tempo reale per individuare tempestivamente i pericoli naturali.

Attualmente, la piattaforma dei pericoli naturali è alimentata principalmente dai sensori sismici di Fabian Walter e dai sismografi del Servizio Sismologico Svizzero. I ricercatori stanno lavorando per integrare in futuro altre fonti di dati rilevanti, dai valori delle precipitazioni e dalle misurazioni del permafrost al monitoraggio sismico con cavi in fibra ottica e un gran numero di sensori dell'Internet of Things. "Per elaborare queste enormi quantità di dati sono necessari metodi di big data e algoritmi intelligenti", afferma Walter. Il rilevatore AI per le colate detritiche è un primo passo in questa direzione".