Attività di ricerca e servizio
PRINCIPALI TAPPE DELLA CARRIERA SCIENTIFICA
Durante la mia permanenza a Harvard (1984-86) ho lavorato, con il Prof. Adam Dziewonski, ad argomenti di tomografia sismica globale (quello fu anche il titolo della mia tesi di Dottorato di Ricerca). Erano anni pionieristici nella esplorazione della struttura interna della Terra che portarono a scoperte fondamentali per la geodinamica. Ebbi la fortuna di vivere in prima persona (attivamente, come uno degli attori) quella fase di sviluppo emozionante delle Scienze della Terra, trovandomi in uno dei laboratori cardine del nuovo corso e in contatto e collaborazione con gli scienziati che la determinarono. Ricordo sessioni dei convegni dell’American Geophysical Union, alle quali ebbi la fortuna di partecipare attivamente, dove si dibatteva per la prima volta di scoperte che avrebbero trovato posto nei moderni libri di testo. Gli anni trascorsi ad Harvard furono dunque caratterizzanti e fondamentali per la mia successiva storia scientifica e professionale.
Uno dei principali risultati delle mie ricerche effettuate ad Harvard fu la scoperta dell’anisotropia del nucleo interno, una caratteristica oggi comunemente accettata, e sfruttata per comprendere meglio la dinamica del nucleo e la generazione del campo magnetico terrestre, ma mai ipotizzata prima [Morelli et al., 1986; 267 citazioni]. Era questo uno dei prodotti della fase di scoperte pionieristiche che ho ricordato poco sopra.
Un’altra conseguenza significativa degli studi di tomografia sismica globale ad Harvard fu la formulazione dell’ipotesi dell’esistenza di perturbazioni alla struttura del core-mantle boundary — descritta in un articolo che apparì sulla copertina della rivista Nature [Morelli e Dziewonski, 1987; 251 citazioni]. Questo risultato fu più dibattuto dell’anisotropia del nucleo interno e trovò maggiore diversificazione nei riscontri di altri ricercatori. Diede inizio allo studio dell’eterogeneità di quella parte del pianeta, che ad oggi si rivela piuttosto elusiva. Dopo quasi 30 anni, l’articolo raccoglie ancora citazioni nella letteratura.
La collaborazione con Harvard sulla tomografia sismica a scala globale continuò anche dopo la mia assunzione all’ING. Oltre ai modelli tomografici ricordo il contributo alla definizione di un modello terrestre globale di riferimento, nell’ambito di una iniziativa sostenuta dalla associazione internazionale di sismologia IASPEI, che risultò nella pubblicazione del modello globale sp6, basato su tempi di percorso di onde P ed S [Morelli e Dziewonski, 1993; 90 citazioni].
Dal 1990 seguii per conto dell’ING e per diversi aspetti l’apertura dell’interesse scientifico dell’ente verso la regione mediterranea. L’ING decise di iniziare, tra i primissimi al mondo, un programma sismografico basato sulla emergente tecnologia very-broad band a 24 bit, che avevo potuto conoscere durante la permanenza ad Harvard, dove (e quando) si stava sviluppando. Fui chiamato a contribuire su questo aspetto e presi parte alla definizione dell’ambito della rete, da estendere ai paesi affacciati sul Mar Mediterraneo, e al successivo coordinamento del Progetto di rete sismografica a larga banda MEDNET (che menziono in questo documento fra le esperienze di direzione) [Boschi et al., 1991].
La complessa geodinamica dell’area mediterranea ha le sue basi nel mantello superiore e quindi lo studio tomografico della struttura terrestre profonda fornisce elementi fondamentali per la comprensione. Fu quindi naturale pensare di applicare le tecniche utilizzate a scala globale, alla nuova regione di interesse e quindi all’applicazione della tomografia sismica del mantello superiore del Mediterraneo utilizzando tempi di percorso di onde P. Lo studio produsse un modello tomografico della regione che ha ricevuto notevole interesse nella comunità e a tutt’oggi raccoglie ancora citazioni [Piromallo e Morelli, 2003, 336 citazioni; Faccenna et al., 2003; 117 citazioni].
L’interesse verso la sismologia a larga banda, che si era concretizzato con l’avvio della realizzazione della rete MEDNET, si estese all’Antartide in virtù del Programma nazionale di ricerche, per cui proposi e seguii l’installazione di una stazione permanente presso la base italiana [Morelli et al., 1991]. In seguito, utilizzando i dati di tutte le stazioni esistenti nella regione, ho coordinato uno studio di tomografia con onde di superficie della placca Antartica [Danesi e Morelli, 2001; 43 citazioni; Morelli e Danesi, 2004, 53 citazioni], uno dei pochi a tutt’oggi esistenti per la regione.
Durante la permanenza ad Harvard ho avuto esperienza diretta dell’applicazione sistematica alla sismicità globale del più affidabile e robusto metodo di determinazione dei parametri della sorgente sismica, che produceva il catalogo dei Centroid-Moment Tensor (CMT). Una variante, sviluppata dal collega Prof. Göran Ekström, mostrava specifica propensione per l’analisi di terremoti di magnitudo intermedia a distanza regionale che ho ritenuto fosse particolarmente appropriata per l’Italia e il Mediterraneo proponendone e supportandone l’implementazione all’ING per lo studio della sismicità italiana e del Mediterraneo. È stata per la prima volta utilizzata per lo studio della sequenza umbro-marchigiana del 1997-98 [Ekström et al., 1998, 148 citazioni; Morelli et al., 2000, 41 citazioni] ma in seguito applicata sistematicamente (catalogo mediterraneo Regional CMT) [e.g., Pondrelli et al. 2006, 233 citazioni; Pondrelli et al., 2002, 166 citazioni; Pondrelli et al., 2010, 74 citazioni].
La partecipazione a progetti di ricerca europei (NERIES, TRANSFER) ha determinato un aumento del mio interesse per la regione europea. Uno dei prodotti attesi del progetto NERIES era specificamente la definizione di un modello di riferimento per la placca europea. In quest’ambito è nato l’impegno che si è concretizzato con la pubblicazione di modelli per la crosta e il mantello superiore europei da tomografia di onde di superficie [Molinari e Morelli, 2011, 40 citazioni].
Durante la partecipazione a due reti Marie Curie (SPICE, QUEST), alle quali ho contribuito attivamente alla fase di stesura dei progetti, sono stato diffusamente esposto agli sviluppi più recenti delle tecniche di modellazione numerica del campo d’onda sismico. In questo campo, ho avuto esperienze dirette guidando due studi di tomografia non-lineare alle differenze finite [Serretti e Morelli, 2011; Gualtieri et al., 2014], collaborando allo studio di time-reversal imaging applicato a riflessioni di onde di superficie in Italia settentrionale [Stich et al., 2009; Stich e Morelli 2007] e in Spagna [Danecek et al., 2011]; guidando infine uno studio di tomografia full-waveform utilizzando il metodo aggiunto [Baron e Morelli, in preparazione].
La crisi sismica del 2012 evidenziò la rilevanza dei terremoti dell’Italia settentrionale e del ruolo del bacino sedimentario della Pianura Padana. Ho quindi sviluppato un interesse specifico alla definizione di dettaglio della struttura della crosta in questa regione e dei suoi effetti per la propagazione delle onde sismiche e il relativo scuotimento del suolo. In quest’ambito ho coordinato uno studio di dettaglio della struttura crostale, riutilizzando le informazioni ottenute dalla sismica di splorazione in uno schema adeguato alla modellazione sismologica numerica [Molinari et al., 2015].
Il campo diffuso delle vibrazioni del suolo, non causate da terremoti — normalmente identificato come “rumore sismico” — sta assumendo interesse sempre maggiore nella comunità sismologica, ma i meccanismi della sua generazione non sono del tutto chiari. In occasione di una collaborazione con l’IPGP ho contribuito a una serie di studi centrati sulla generazione dei microsismi oceanici che sono i principali responsabili del rumore nella banda di frequenze maggiormente utilizzate [Gualtieri et al., 2013, 2014, 2015]. Obiettivo di questi studi è la modellazione dei meccanismi per giungere alla loro esplicita considerazione nella formulazione del metodo di imaging.
I miei principali interessi scientifici attuali comprendono i meccanismi di generazione del rumore sismico ambientale e il suo utilizzo per l’imaging; la determinazione ad alta risoluzione della struttura crostale; lo studio e l’applicazione della polarizzazione delle onde di Rayleigh (ellitticità); la tomografia sismica con onde di superficie e di volume; la simulazione di scuotimento sismico in mezzi 3D con metodi ibridi deterministici-stocastici.
ESPERIENZE DI DIREZIONE E COORDINAMENTO
Durante gli anni di servizio presso la sede romana — all'ING prima e all'INGV poi — dal 1987 al 2003, sono stato responsabile della rete mediterranea MEDNET. MEDNET costituì un importante episodio per la vita dell'ente in quanto rappresentò l'apertura allo scenario internazionale e alla moderna strumentazione, in un certo senso con un progetto di avanguardia. Assieme a validissimo personale tecnologico e tecnico, l'ING si aprì alla sismologia digitale broad-band, che costituisce oggi la base di funzionamento delle nostre reti sismografiche, alla collaborazione internazionale nell'ambito della Federation of Digital Seismographic Networks e di ORFEUS (associazioni nelle quali ricoprii anche vari ruoli di vertice), alla installazione di sismografi in località remote di paesi stranieri, alle raffinatezze nella installazione per diminuire interferenze e rumore di fondo, alla stessa sismologia digitale ad alta risoluzione che oggi rappresenta lo stato dell'arte acquisito. La rete MEDNET fu per l'Italia il progetto pilota che servì per arrivare alla tecnologia delle attuali reti di monitoraggio sismico.
Dal 1993 al 2011 sono stato il Coordinatore del Settore Geodesia e Osservatori del Programma Nazionale di Ricerche in Antartide (PNRA), nominato dalla Commissione Scientifica Nazionale per l’Antartide (CSNA). In quel periodo il PNRA era organizzato in settori disciplinari, guidati da un coordinatore di settore (in un secondo tempo, coordinatore del comitato scientifico di coordinamento) con compiti di programmazione, coordinamento ed organizzazione sia nelle attività preparatorie che durante le campagne antartiche e le successive ricerche in Italia. Per mandato della CSNA, gestivo il budget assegnato al Settore, richiedendo l’effettuazione delle spese all’ente attuatore ENEA, nonché l’assegnazione delle risorse di campagna (personale, risorse logistiche quali uso di mezzi aerei e navali, ecc.). Solo nel secondo periodo, le risorse furono assegnate direttamente dalla CSNA agli specifici progetti del settore. (Per questo, nella lista delle Responsabilità scientifiche in progetti di ricerca della tabella allegata non compare la responsabilità di progetti nel primo periodo della mia attività antartica, ma solo dal 2004, in quanto precedentemente le risorse venivano assegnate al Settore.) Si trattò di una importante esperienza di responsabilità e multidisciplinare: il mio settore comprendeva osservatori geofisici permanenti: sismologico, geomagnetico, geodetico, mareografico, ionosferico, di fisica e chimica dell’atmosfera. I partecipanti provenivano da INGV, CNR e diverse università.
Sono stato Direttore della Sezione di Bologna dalla sua nascita, Gennaio 2006, fino all’Agosto 2013, per due interi mandati triennali ed una proroga di 20 mesi. La nascita della Sezione richiese, durante il primo mandato, un impegno particolare dovuto alla necessità di organizzare interamente la componente gestionale ed amministrativa. Il personale precedentemente afferiva a 5 sezioni dell’ente (Milano, Roma1, Roma2, CNT, Napoli) e la con la nuova struttura si dovettero instaurare nuovi meccanismi di interazione e organizzazione del lavoro. Dirigevo dunque la Sezione durante il periodo della crisi sismica emiliana del Maggio – Giugno 2012 e durante quei mesi affrontai gli impegni dovuti alla gestione locale dell’emergenza, contribuendo (per la parte di competenza e in collaborazione con la sede centrale) all’organizzazione di sopralluoghi, installazione di strumenti, rapporti con il pubblico e i media. Furono mesi impegnativi ma anche di grande soddisfazione, grazie all’apprezzamento per l’operato dell’INGV che si percepiva andando sul territorio.
Dal 2001 al 2003 sono stato responsabile dell’UF Sismologia Globale della Sezione dell’INGV Roma 1. Altre mie esperienze di coordinamento si riferiscono all’ambito di progetti di ricerca. Ritengo rilevante qui menzionare soltanto il più recente di questi, il coordinamento dell’Azione COST TIDES (TIme-DEpendent Seismology) che coinvolge 25 partners europei e 2 paesi osservatori. Di TIDES sono stato il proponente e sono il Chairman del Management Committee, che comprende rappresentanti di tutti questi paesi. In questo ambito ho organizzato una scuola avanzata di sismologia a Bertinoro (FC) nel Giugno del 2015, che ha visto un centinaio di partecipanti provenienti da una ventina di paesi europei. Sto organizzando un’altra scuola simile a Sesimbra (PT) da tenersi nel mese di Settembre 2016). L’Azione COST supporta scuole, meetings, gruppi di lavoro e brevi soggiorni di giovani ricercatori. Costituisce un elemento di grande visibilità per l’ente (che lo gestisce amministrativamente) a livello europeo.
ESPERIENZA DIDATTICA
Sono stato titolare del corso di Fisica Terrestre per Scienze Ambientali all’Università di Urbino, come Professore a contratto, negli Anni Accademici 1994-95 e 1995-96.
Ho tenuto dei moduli didattici, nel corso di Complementi di Geofisica per studenti del corso Triennale di Fisica, all’Università di Bologna negli Anni Accademici dal 2008 al 2015.
Sono stato titolare del corso di Tomografia Sismica per gli studenti della Laurea Magistrale in Fisica del Sistema Terra all’Università di Bologna, come Professore a contratto, negli Anni Accademici dal 2012 ad oggi.
Ho insegnato nel Dottorato di Ricerca in Geofisica, gestito dall’Università di Bologna, cui INGV partecipava, facendo anche formalmente parte del Collegio dei Docenti, negli Anni Accademici dal 2005 al 2014.
Ho conseguito l’Abilitazione Scientifica Nazionale alle funzioni di Professore universitario di Prima Fascia Settore 04/A4 Geofisica (7/2/2014)
Ho seguito in qualità di tutor diversi studenti, tra i quali Piero Basini (ora alla Total, Pau F), Irene Molinari (ETHZ, Zurigo CH), Simona Carannante (INGV), Lucia Gualtieri (Columbia University, New York USA), Julie Baron (INGV), Alessandro Mazzullo (IPGP Parigi F), Andrea Berbellini (prossimamente a University College London, UK).
RAPPORTI IN AMBITO TECNOLOGICO E INGEGNERISTICO
Gli anni ad Harvard, già ricordati, mi misero anche in contatto con Joseph Steim, allora studente di dottorato, che successivamente fondò la Quanterra, una azienda leader nella produzione di sistemi di acquisizione digitali ad alta risoluzione per la sismologia. Erano gli anni della rivoluzione della strumentazione a larga banda e alta risoluzione: si affacciavano sul mercato i sismometri a bilanciamento di forza (force-balanced) in grado di garantire una risposta fedele agli spostamenti del terreno in una larghissima banda di frequenze e i convertitori ADC a 24 bit. La prima installazione very-broad band fu alla stazione Harvard (HRV) e fu il modello per quella de l’Aquila (AQU) che avrei curato, assieme al collega Giovani Romeo, al mio arrivo in Italia.
Negli anni ‘90 ebbi contatti con la SOGIN SpA, società di ingegneria, relativamente alla realizzazione di stazioni di rilevamento di tipo integrato sismico-accelerometrico per conto di ENEL, la cui proprietà fu poi trasferita all’INGV (Stuetta, STU; Villa Collemandina, VLC; Celeste, CEL; Castrocucco, CUC; Timpagrande, TIP: tutte in attività) e si andarono ad aggiungere alle stazioni MEDNET italiane (AQU, BNI, VSL, CII, VAE) costituendo il nucleo della rete sismica italiana a banda larga. Mi occupai della definizione della strumentazione da utilizzare, della scelta dei siti e delle caratteristiche dell’installazione, seguendone l’esecuzione curata da SOGIN SpA per ENEL.
ESPERIENZA NELLA VALORIZZAZIONE DELLA RICERCA
Ho avuto esperienza diretta dell’utilizzo per la società della conoscenza scientifica prodotta all’INGV nell’ambito di convenzioni con enti locali (Regione Emilia-Romagna, Comune di Bologna) interessati alle nostre competenze sismologiche per la caratterizzazione della struttura superficiale, per la determinazione di scenari di scuotimento atteso, per il monitoraggio di vibrazioni del suolo in ambiti diversi.
Ho contribuito all’organizzazione di diverse scuole internazionali di geofisica, tra le quali ricordo le scuole di Erice Seismic modelling of Earth structure (Erice, 1995); Problems in Geophysics for the next millennium (Erice, 1999); ERMES: Earthquakes mechanics, earth structure and related problems (Erice, 2002) e quella più recente nell’ambito dell’Azione TIDES Seismic data (Bertinoro, 2015).
Ho anche curato la stampa di 8 volumi, elencati nell’elenco delle mie pubblicazioni.
ESPERIENZA NELLA VALUTAZIONE DELLA RICERCA
Ritengo di aver maturato una notevole esperienza nella valutazione della ricerca, avendo prestato servizio in diversi comitati di valutazione nazionali e internazionali. Tra quelli realtivi a laboratori o istituzioni estere ricordo la partecipazione al comitato di valutazione dell’unità CNRS UMR 7516 di Strasburgo, nel 2000; e quella nel Comitato di Esperti AERES per la valutazione dell’Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP), uno dei principali centri di ricerca per la geofisica in Europa, nel 2013.
Ho fatto parte del Comitato Scientifico della rete sismografica globale francese GEOSCOPE dal 2008 al 2014.
Sono attualmente uno dei componenti del Gruppo di Esperti GEV-04 (Scienze della Terra) della Valutazione della Qualità della Ricerca 2011-2014 (VQR) dell’ANVUR.
Ho prestato servizio come valutatore di numerosi progetti in ambito nazionale ed europeo.
Sono stato Associate Editor per la rivista Annals of Geophysics dal 2009 al 2013. Dal 2011 sono inoltre Associate Editor per la rivista Geophysical Journal International della Royal Astronomical Society, una delle più prestigiose nel panorama geofisico.
INCARICHI DI RAPPRESENTANZA E SERVIZIO
Ho preso parte, a vario titolo, all’attività di numerosi comitati internazionali, sia come rappresentante italiano o dell’INGV (per esempio, in ambito sismografico, nella Federation of Digital Seismographic Networks – FDSN; nel Board of Directors di ORFEUS - Observatories and Research Facilities for European Seismology; nel Governing Board dell’International Seismological Centre (ISC); nel Geoscience Standing Group dello Scientific Committee on Antarctic Research – SCAR).
Ho anche rivestito ruoli di maggiore responsabilità: sono stato Vice-presidente della FDSN e del Board of Directors di ORFEUS; membro dell’Executive Committee dell’ISC. In Italia ho prestato servizio nel Comitato per le Ricerche Polari del CNR.
