Il posizionamento da satellite e la Geofisica in Italia

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William Guier, Frank McClure, George Weiffenbach

Sputnik 14 ottobre 1957

©2007 Marcia Hoppers

Il lunedì dopo il lancio dello Sputnik I, due giovani “nerd” del Applied Physics Laboratory (J.Hopkins University), ebbero l’idea di ascoltare i “beep” emessi dal satellite sovietico.

1957, W.H. Guier e G.C. Weiffenbach riescono a intercettare il segnale radio dello Sputnik e in breve sono in grado di ricostruire l'orbita del satellite sfruttando l'effetto doppler del segnale.

Primi passi...

1958, 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.1960-1996 , da questa intuizione nacque il sistema Transit (NAVSAT), sviluppato dalle forze navali statunitensi.

1973, il Dipartimento della Difesa USA commissiona il nuovo sistema di posizionamento globale (NAVSTAR-GPS), i primi satelliti (Block-I) vennero messi in orbita nel periodo 1978-1985.1982-1995, l'unione sovietica sviluppa il sistema GLONASS

2011, lancio dei primi satelliti GALILEO, il sistema di posizionamento (civile) europeo entra nella sua fase di validazione.

Ultimi trent’anni...

1. Segmento spaziale: satelliti orbitanti che trasmettono due frequenze radio

assieme ai parametri orbitali

2. Segmento di controllo: sistema di rilevamento satellitare, che risolve il problema

diretto (orbita)

3. Stazione Master: stazione di iniezione, che trasmette i parametri orbitali calcolati

4. Segmento utente: ricevitori/calcolatori, sistemi in grado di risolvere il problema

inverso (posizione)

Schema concettuale del posizionamento da satellite

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).

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., 1974 Caputo 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 (Serpelloni et al., 2010).

Anzidei et al., 1998

Nel Luglio 1982 fu eseguita la prima campagna di osservazioni Doppler (IDOC) (Baldi ed altri, 1985) seguita da altre nell’ambito del Piano Doppler Nazionale gestito dall’Istituto Geografico Militare Italiano. Nonostante l’accuratezza nella definizione delle coordinate dei punti di osservazione non fosse allora sufficiente per individuare gli spostamenti relativi legati ai processi geodinamici, queste misure satellitari vennero utilizzate per integrare la rete Geodetica Nazionale Italiana.

Osservazioni doppler:TRANSIT

Geodesia Spaziale

SLR GNSS VLBI DORIS

L’osservazione attiva e passiva di satelliti artificiali e di radiosorgenti quasar (SLR, VLBI, GNSS, DORIS), la fotogrammetria digitale, il LIDAR, le moderne tecniche di telerilevamento da satellite (InSAR), permettono di acquisire dati che rilevati in tempi diversi, forniscono una stima degli spostamenti in tre dimensioni.

Rete di stazioni fondamentali di geodesia spaziale

GPSSLR

VLBI

Centro di Geodesia Spaziale di Matera(stazione fondamentale della rete geodetica mondiale)

TYRGEONETCon l’inizio dell’operatività del sistema 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 circostanti (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:

220, ITALPOS (Leica SpA)176, RING (INGV)37, ASI 32, ASSOGEO (Emilia-Romagna)29, Veneto (Univ. Padova)24, Umbria (Univ. Perugia)19, Lombardia (Regione)18, Abruzzo (Regione)17, Sardegna (Univ. Cagliari)17, Calabria (Regione)17, FREDNET (OGS)14, Emilia-Romagna (Regione)13, Campania (Regione)12, Puglia (Regione) 12, Piemonte (Regione)11, TPOS (Prov. Trento)10, CATSCAN (Calabria)10, Friuli Venezia Giulia (Regione) 7, STPOS (Prov. Bolzano) 6, Liguria (Regione)…

Circa 700 stazioni GPS con velocità significative (errore ~ 0.3 mm/anno)

Reti GPS permanentideformazione inter-sismica orizzontale

Riguzzi et al. 2012

Serpelloni et al. 2013

Reti GPS permanentideformazione inter-sismica verticale

Faccenna et al. 2014

Reti GPS permanenti nel mediterraneo

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. 2012

Anzidei et al. 2009

deformazione co-sismicafornita al DPC il 10 aprile 2009

deformazione co-sismicadopo 2 anni di campagne di misure

Osservazioni GPS a 10 Hz

Studio della sorgente sismica

Gori et al. 2012

L’integrazione delle diverse metodologie consente oggigiorno un alto livello di risoluzione temporale e dettaglio spaziale nella definizione dei fenomeni osservati