Napoli e dintorni: il controllo del Vesuvio via satellite

Fondato nel 1841, l’Osservatorio Vesuviano, oggi una struttura dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, è stata la prima istituzione scientifica al mondo dedicata allo studio dei vulcani. Ora la sua produzione è molto più che scientifica: realizza un monitoraggio 24 ore su 24 delle condizioni vulcanologiche e geofisiche della zona, che ne fa un punto di riferimento ufficiale sia la Protezione Civile sia a livello nazionale che locale.

La sede storica dell’Osservatorio si trova sulle pendici del Vesuvio, un vulcano attivo che sorge a est di Napoli e della sua area metropolitana – una dimora purtroppo assai vulnerabile abitata da tre milioni di persone. A ovest si trova un’altra zona vulcanica, non legata alla prima: i Campi Flegrei, caratterizzata da un suggestivo panorama caratterizzato e fumigante.

Secondo il piano predisposto dal Dipartimento della Protezione Civile (DPC) nel 1995, in caso di rinnovata attività vulcanica. Occorrerebbe almeno una settimana per evacuare completamente la zona abitata nei dintorni del Vesuvio. È chiaro dunque che un controllo continuo è essenziale.

A partire dal 2002, l’Osservatorio ha iniziato a includere nei suoi Rapporti di Sorveglianza dati ricavati da osservazioni satellitari, un’innovazione dovuta a un progetto di collaborazione con l’ESA: MINERVA (Monitoring by INterferometric SAR of Enviromentale Risk in Volcanic Areas).

Le viste dallo spazio delle deformazioni del terreno di queste aree vulcaniche si accordano con le misure prese a terra, ma si estendono su un’area più vasta e sono accurate fino a una scala submillimetrica.

Il 23-24 giugno, l'osservatorio Vesuviano ospiterà un workshop internazionale su “L’uso delle tecniche di telerilevamento per il monitoraggio dei vulcani e delle aree sismogenetiche”. Il workshop è un’opportunità per confrontare le esperienze sull’integrazione delle informazioni basate sulle osservazioni satellitari della Terra con metodi e modelli tradizionali.

Scopo del workshop è di raccogliere i contributi dei vari gruppi che hanno esperienza del settore, con lo scopo di formulare richieste tecniche generali e specifiche necessarie alla pianificazione delle attività future nell’area, dato che l’ESA ha intenzione di integrare le richieste della comunità geofisica e vulcanologia nei suoi programmi futuri di osservazione della Terra.

Occhio ai Campi Flegrei. Dallo spazio

Con un diametro di 23 kilometri, la caldera dei Campi Flegrei ha vissuto la sua ultima eruzione nel 1538, ma ha mostrato chiari segnali di attività anche in anni recenti. In profondità, il magma rimane attivo e porta a periodi in cui il suolo si solleva rapidamente, che sono poi seguiti da una lenta subsidenza. I sollevamenti più recenti risalgono al periodo marzo-agosto 2000.

Movimenti del terreno di questo tipo richiedono misure molto accurate. Reti geodetiche a terra possono fornire indicazioni molto accurate sulle deformazioni, limitatamente all’area monitorata dalla rete. Ogni deformazione esterna all’area non viene però rilevata.

La componente verticale del movimento del suolo viene ottenuta attraverso la tecnica geodetica del livellamento (levelling) basata su misurazioni di altezza condotte su singoli punti (benchmarks), che nell’insieme costituiscono la rete di livellamento. I dati raccolti sono integrati con letture GPS per fornire misure tridimensionali degli spostamenti.

Tuttavia il metodo del livellamento è costoso sia in termini di denaro che di tempo. Ottenere misurazioni attraverso una rete di questa natura è un procedimento assai lungo – la rete dei Campi Flegrei ha oltre trecento benchmarks – così come la successiva elaborazione dei dati. In genere il livellamento è realizzato solo una o due volte all’anno.

L’ottenimento dei dati GPS è, per certi versi, una procedura più veloce ed economica, ma richiede comunque una settimana o più per misurazioni di precisione sui venticinque vertici che ne costituiscono la rete. Nella stessa area c’è anche una rete GPS formata da 8 stazioni che realizza registrazioni continue, ma la sua copertura spaziale è limitata per ragioni economiche. Oltre questa rete, misurazioni GPS sono realizzate a intervalli non inferiori a sei mesi.

“Considerando questa frequenza di misurazioni sul campo, abbiamo la necessità di incrementare il campionamento temporale,” spiega Sven Borgström dell’Osservatorio Vesuviano. “I dati satellitari ci permettono un’ottima copertura sia nello spazio che nel tempo – ogni 35 giorni nel caso di ERS-2 o Envisat- contro una o due volte all’anno delle tecniche GPS o di livellamento”.

Sembra un paradosso: come possono satelliti a 800 kilometri di quota misurare spostamenti del terreno con una precisione confrontabile con i dati GPS o di livellamento acquisiti direttamente sul posto?

La risposta si chiama Interferometria Radar ad Apertura Sintetica o, in breve, InSAR. L’InSAR comporta la combinazione matematica di due o più immagini radar dello stesso luogo. Ogni cambiamento della distanza totale percorsa dal segnale (dal satellite alla superficie e ritorno) causa uno spostamento nella fase del segnale che determina, a sua volta, frange di interferenza, visualizzate poi come linee di contorno nell’interferogramma risultante.

Questa tecnica può essere usata per creare modelli di elevazione digitale molto accurati (DEMs), poiché questo tipo di combinazione di immagini dà risultati simili alla visione stereoscopica.

Quando poi si sottraggono le immagini residue dall’interferogramma risultante (noto come InSAR differenziale), la medesima tecnica funziona come una versione matematica di “occhio alla differenza”, il diffuso gioco enigmistico, e permette di sottolineare i lievi cambiamenti tra una acquisizione e l’altra. Le frange di interferenza residue permettono di identificare il minimo spostamento del terreno che sia occorso lungo la linea di vista del sensore radar.

Un approccio combinato geodetico/InSAR è stato applicato allo studio del sollevamento del suolo avvenuto nella zona dei Campi Flegrei nel periodo marzo-agosto 2000, grazie all’utilizzo delle immagini radar acquisite dal satellite ERS-2 dell’ESA. In questo periodo InSAR ha rilevato un innalzamento di oltre 4 centimetri, un dato che corrisponde ai risultati derivati dal livellamento e dal GPS, come del resto è sempre accaduto fino a oggi.

Inoltre questi risultati fanno parte di un archivio di dati InSAR più ampio che permette ai ricercatori di individuare il momento, all’inizio del 2000, nel quale la subsidenza è cessata e ha avuto inizio il sollevamento. La combinazione dei dati satellitari con quelli raccolti a terra indica un periodo di stasi dopo l’evento di sollevamento del 2000, seguito da un successivo fenomeno di subsidenza: un comportamento regolare tipico di quest’area nel corso degli ultimi venti anni.

MINERVA, ovvero la conoscenza

Il progetto MINERVA, finanziato dall’ESA, fa parte del Data User Programme (DUP) relativo alle osservazioni della Terra. Suo scopo è lo sviluppo, la dimostrazione e la valutazione di un servizio di informazione basato sui dati SAR raccolti da ERS-1, ERS-2 ed Envisat.

Il progetto MINERVA, che si è concluso nel 2003, si basava su un nuovo metodo di elaborazione dei dati InSAR, in grado di ottimizzare la qualità degli interferogrammi che andavano da intervalli di 35 giorni fino a diversi anni, combinandoli per ottenere un singolo prodotto che descrivesse l’evoluzione della deformazioni del terreno nell’area studiata.

Una volta installato presso l’Osservatorio Vesuviano, il software alla base di MINERVA permette di aggiornare il prodotto finale man mano che nuove immagini SAR diventano accessibili.

Su richiesta dell’Osservatorio, il codice del software è stato poi adattato per integrare completamente i dati InSAR e geodetici, che si possono ora confrontare per ricavare informazioni sulla deformazione che si è verificata nell’intervallo di tempo intercorso tra due misurazioni GPS o di livellamento.

La Carlo Gavazzi Spazio è stata la responsabile industriale di MINERVA e ha collaborato con il l’IREA del Consiglio Nazionale delle Ricerche, il Delft Institute for Earth-Oriented Space Research della Netherlands' University of Technology (DEOS Delft TU) e il Netherlands National Aerospace Laboratory (NLR).