Il posizionamento da satellite e la Geofisica in Italia R. Devoti e P. Baldi

Posizionamento: Sistema di Riferimento La posizione è un concetto relativo: la posizione di un punto nello spazio è definita rispetto ad altri punti convenzionali. La Terra non è rigida, le coordinate dei punti cambiano nel tempo, l’insieme di coordinate che materializzano i sistemi di riferimento devono essere aggiornati periodicamente e sono sempre definiti con riferimento ad una particolare epoca. Per la Terra fa comodo un sistema di riferimento (e un tipo di coordinate terrestri): legati alla forma della Terra → ellissoide legati al campo della gravità → geoide Le coordinate di un punto possono essere espresse in un sistema di riferimento locale oppure assoluto (o globale). Con l’avvento della geodesia spaziale si impone il sistema di riferimento assoluto (geocentrico).

Geodesia: l’avvento dell’era spaziale Le tecniche di geodesia spaziale sono strumenti fondamentali della geodesia, dell’astronomia e della geodinamica. La geodesia spaziale si è evoluta nel corso degli ultimi cinquant’anni, sviluppando diverse tecniche di monitoraggio. Una tecnica in particolare ha rappresentato una rivoluzione sociale ed economica in tutto il mondo ed il suo impatto non si è ancora esaurito: il GPS, ovvero nella sua attuale estensione, il GNSS. Cronologia e percorso evolutivo della geodesia spaziale: Ottico:osservazioni ottiche astronometriche e di satelliti artificiali Doppler:sviluppo del sistema satellitare TRANSIT SLR e LLR: osservazioni di telemetria laser satellitare e lunare VLBI:materializzazione del sistema di riferimento celeste Altimetria:missioni satellitari basate su osservazioni altimetriche radar SAR e InSAR:missioni satellitari basate sul sistema Synthetic Aperture Radar Gravità:missioni satellitari dedicate alla misura del campo gravitazionale GNSS:sistemi di posizionamento satellitari (GPS, GLONASS, GALILEO, ecc.)

William Guier, Frank McClure, George Weiffenbach Sputnik 1 Messo in orbita il 4 ottobre 1957 ©2007 Marcia Hoppers Il lunedì seguente al lancio dello Sputnik I, due giovani ricercatori del Applied Physics Laboratory (J.Hopkins University), ebbero l’idea di ascoltare i “beep” emessi dal satellite sovietico e in breve tempo furono in grado di ricostruire l'orbita del satellite sfruttando l'effetto doppler del segnale. La primavera successiva il loro direttore F. McClure suggerisce la possibilità di risolvere il problema inverso, cioè di determinare la posizione a terra, nota l'orbita del satellite.

Studio dei fenomeni deformativi in Italia La livellazione geometrica, le misure angolari e distanziometriche, utilizzate in Italia fin dagli inizi del XX secolo per quantificare le deformazioni indotte dai terremoti e per il controllo altimetrico di aree in subsidenza o sollevamento. In pochi decenni le tecniche di posizionamento satellitare presero il sopravvento: Nel Luglio 1982 fu eseguita la prima campagna di osservazioni Doppler (IDOC) gestito dall’Istituto Geografico Militare Italiano. Nonostante la scarsa accuratezza, queste misure furono utilizzate per integrare la rete Geodetica Nazionale Italiana in un sistema di riferimento geocentrico. Nel 1987 fu costruita una rete GPS nell’area dello Stretto di Messina, ad integrazione di una preesistente rete geodetica, tuttora monitorata con un numero crescente di stazioni GPS. Negli anni ‘90 la tecnica GPS raggiunse la sua maturità e in Italia si realizzarono le prime reti di monitoraggio geodetico (Tyrgeonet, GeoModAp, CaGeoNet, Messina). In Italia le metodologie geomatiche trovano ampie applicazioni nel campo della geofisica: processi tettonici ed eventi sismici (Messina-1908, Avezzano-1915, Friuli-1976,…), vulcanesimo (Campi Flegrei, Ischia, Somma-Vesuvio, Etna e le isole Eolie), rischio idrogeologico, rischi ad evoluzione lenta come la subsidenza ed il bradisismo, instabilità dei versanti ed erosione costiera collegata alla variazione del livello marino.

Già all’inizio del XX secolo la livellazione geometrica, per le sue caratteristiche di precisione, fu utilizzata in Italia per studi geofisici: si poterono quantificare per la prima volta le deformazioni verticali co- sismiche generate dal terremoto di Messina del 1908: alcune linee di livellazione, eseguita dall’Istituto Geografico Militare per scopi cartografici, vennero rimisurate poco dopo l’evento permettendo di rilevare una considerevole subsidenza cosismica su entrambi i lati dello Stretto: fino a -70 cm a Messina e -50 cm a Reggio Calabria (Loperfido, 1909). Geofisica in Italia: stretto di Messina Loperfido, 1909

Negli anni ‘70 le triangolazioni vennero prima integrate da misure geodimetriche (Caputo ed al., 1974) e successivamente nell’ambito del progetto commissionato dal Governo Italiano per la costruzione del ponte dello Stretto, vennero istituite vere e proprie reti geodetiche ripetutamente misurate con tecniche terrestri sino al 1982 (Caputo et al., 1981; Baldi et al., 1983) Baldi et al., 1983 Caputo et al., 1974Caputo et al., 1981

Serpelloni et al., 2010 Nel 1987 fu costruita una rete geodetica GPS tenendo conto delle principali strutture geologiche insistenti nell’area (Achilli et al., 1988; Anzidei et al., 1998). Le campagne di misura furono ripetute negli anni successivi, e tuttora l’area è monitorata tramite un numero rilevante di stazioni GPS permanenti e temporanee (D’Agostino e Selvaggi, 2004; Mattia et al., 2006; Serpelloni et al., 2010). Anzidei et al., 1998

Prima rete GPS in Italia: TYRGEONET Con l’inizio dell’operatività del sistema GPS (Global Positioning System) la comunità geodetica italiana, in collaborazione con gruppi stranieri, ha contribuito a istituire una rete distribuita su tutta l’area Italiana e regioni limitrofi (rete Tyrgeonet) e, misurata periodicamente, ha accumulando sin dagli anni ’90 una banca dati di osservazioni GPS che hanno consentito di delineare una prima immagine dei processi deformativi a scala regionale ( Achilli et al., 1993; Baldi et al., 1995; Anzidei et al., 1998 ). Anzidei et al., 2001

Reti permanenti GPS in Italia: o 23 reti diverse (servizi & ricerca) o circa 700 stazioni permanenti o velocità comprese tra 0-6 mm/anno Reti GPS permanenti in Italia deformazione orizzontale Riguzzi et al La realizzazione di un sistema di riferimento nazionale comporta il monitoraggio continuo di una rete densa di stazioni. Il sistema di riferimento deve essere noto con precisione maggiore di quella delle misure che ad esso si riferiscono (< 1cm). Relazione tra movimenti in superficie e struttura profonda della crosta terrestre. Devoti et al. 2011

Serpelloni et al Reti GPS permanenti in Italia deformazione verticale La crosta terrestre è soggetta ad una deformazione lenta, continua e articolata. Per garantire una precisione adeguata, l’insieme di coordinate che materializzano il sistema di riferimento deve essere aggiornato periodicamente (p. es. ETRF89, ETRF2000 )

Rete di stazioni fondamentali SLRGNSSVLBIDORIS Molte tematiche geodetiche si possono studiare grazie ad un monitoraggio continuo dei fenomeni osservati. Le attività di geodesia spaziale si articolano in servizi di carattere scientifico (IERS, IGS, IVS, ILRS,…) organizzati al fine di definire e mantenere una serie di prodotti geodetici: polodia e rotazione della Terra, sistemi di riferimento terrestre e celeste, orbite precise dei satelliti, ecc. Rete di stazioni fondamentali di geodesia spaziale

GPS SLR/LLR VLBI Centro di Geodesia Spaziale di Matera (stazione fondamentale della rete geodetica mondiale)

Non solo deformazioni lente… Le posizioni delle stazioni non solo cambiano lentamente ma subiscono variazioni repentine o periodiche e di entità non sempre predicibili. Un sistema di riferimento aggiornato è un sistema monitorato in modo continuo. Deformazione indotta da un terremoto Transiente indotto da un cambio strumentale Oscillazioni stagionali

L’Aquila, 6 aprile 2009, ore 03:32:40 deformazione co-sismica deformazione inter-sismica deformazione post-sismica

L’Aquila, 6 aprile 2009, ore 03:32:40 Devoti et al Anzidei et al deformazione co-sismica fornita al DPC il 10 aprile 2009 deformazione co-sismica dopo 2 anni di campagne di misure

Osservazioni GPS a 10 Hz prime osservazioni durante un terremoto in Italia! La possibilità di misurare la posizione (o le sue variazioni) ad una frequenza altissima (1-50 Hz) rappresenta un ulteriore salto tecnologico che permette nuovi avanzamenti in molti campi. Alcuni gruppi di ricercatori italiani si sono cimentati nell’esplorazione di nuove frontiere scientifiche e tecnologiche consentite dal nuovo strumento (Colosimo et al., 2011; Avallone et al., 2011)

Geodesia e studio della sorgente sismica Gori et al L’integrazione delle diverse tecniche osservative, consente oggi di caratterizzare i fenomeni geofisici con un’alta risoluzione temporale e spaziale.

Geodesia e pericolosità sismica D’Agostino, 2014 Le stazioni GPS permanenti sono in grado di misurare il rateo di deformazione della superficie terrestre (strain-rate). Il deficit tra la deformazione geodetica misurata e la deformazione sismica aspettata, è un possibile indicatore della pericolosità sismica di una regione.

Geodesia e pericolosità sismica La sismicità maggiore (M>4) si verifica ai bordi (in grigio) della massima deformazione osservata (in rosso). Modello concettuale del ciclo sismico: la crosta terrestre subisce la massima deformazione durante, e subito dopo il terremoto. Al passare del tempo, la deformazione si attenua fino al prossimo evento sismico. Riguzzi et al., 2012

Conclusioni  Il posizionamento da satellite ha subito numerosi avanzamenti tecnologici, che consentono avanzamenti cognitivi, i quali migliorano la capacità osservative… → un processo di feedback positivo!  Il sistema di riferimento terrestre è un concetto matematico (astratto), la sua realizzazione pratica deve essere adeguata agli strumenti di misura correnti e richiede aggiornamenti continui.  Molte tematiche geodetiche si possono studiare grazie ad un monitoraggio continuo dei fenomeni osservati.  Il posizionamento da satellite ha subito numerosi avanzamenti tecnologici, che consentono avanzamenti cognitivi, i quali migliorano la capacità osservative… → un processo di feedback positivo!  Il sistema di riferimento terrestre è un concetto matematico (astratto), la sua realizzazione pratica deve essere adeguata agli strumenti di misura correnti e richiede aggiornamenti continui.  Molte tematiche geodetiche si possono studiare grazie ad un monitoraggio continuo dei fenomeni osservati. Ulteriori campi di interesse della geofisica in cui il posizionamento da satellite riveste un ruolo importante: Iono/tropo-sfera (tomografia della troposfera, TEC, previsioni meteo, ecc.) Gravità da satellite (CHAMP, GRACE, GOCE) Ciclo idrologico e deformazioni antropiche Esperimenti di fisica fondamentale (neutrini, entanglement, relatività generale, ecc.) Geodinamica (rimbalzo post-glaciale, rotazione e interno della Terra, precessione-nutazione, maree e livello del mare, ecc.)