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livello medio.
ARGOMENTO: OCEANOGRAFIA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: onde marine, fenomeni estremi
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Dopo le recenti tempeste mediterranee che hanno colpito le regioni meridionali italiane, una domanda ricorrente è stata: sarà possibile in futuro prevedere l’impatto di questi fenomeni eccezionali sulle coste? La risposta viene dallo spazio. Come abbiamo raccontato in precedenti articoli, i satelliti sono utilizzati per osservare i cambiamenti degli l’oceano fin dagli anni ’70. In particolare, voglio ricordare il programma europeo di osservazione della Terra Copernicus che utilizza i dati dei satelliti Sentinel, contribuendo ad oltre 30 missioni di organizzazioni europee e internazionali per fornire servizi tematici anche marini come il Copernicus Marine Service che si avvale di una serie di strumenti sofisticati tra cui spettro-radiometri, impiegati per misurare la luce emessa da una sorgente luminosa. Essi vengono impiegati da Copernicus per monitorare l’atmosfera, gli oceani e la superficie terrestre in un ampio spettro di lunghezze d’onda che vanno dal visibile al vicino infrarosso. I dati di interesse per lo studio degli oceani includono il contenuto di clorofilla superficiale (per valutare fenomeni di eutrofizzazione), l’andamento delle temperature della superficie del mare e la copertura dei ghiacci marini. In particolare i spettrometri ad infrarossi utilizzano le bande della luce infrarossa per misurare la radiazione riflessa dalle superfici e quindi stimare la temperatura superficiale del mare mentre quelli a microonde possono misurare l’energia emessa a lunghezze d’onda millimetriche o centimetriche, ovvero le microonde, per misurare i profili verticali di importanti grandezze meteorologiche, come il profilo verticale della temperatura e dell’umidità, e la quantità di vapore acqueo nella colonna. Il loro impiego sugli oceani consente di valutare il contenuto di acqua atmosferica (vapore e liquido), i tassi di pioggia, la concentrazione di ghiaccio marino, la temperatura della superficie del mare e la salinità.
Inoltre sono provvisti di:
– altimetri satellitari in grado di effettuare una misurazione globale della topografia della superficie, misurando il tempo impiegato da un breve impulso elettromagnetico inviato dal satellite per raggiungere la superficie terrestre e tornare indietro dopo essere stato riflesso dalla superficie. Essi permettono di valutare la velocità del vento superficiale dell’oceano e l’altezza delle onde.
– scatterometri satellitari, sensori radar utilizzati per misurare sia l’effetto di diffusione prodotto durante la scansione della superficie terrestre misurando la velocità e la direzione del vento vicino alla superficie dell’oceano, sia le precipitazioni e la concentrazione dei ghiacci marini.
– radar ad apertura sintetica (SAR) che consentono di creare immagini bidimensionali o tridimensionali della superficie terrestre con una grande risoluzione spaziale (superiore ai comuni radar) che possono essere usati per valutare le onde superficiali marine.
Questi strumenti sono i principali strumenti operativi attualmente utilizzati da Copernicus che si avvale di un numero sempre maggiore di osservazioni satellitari, a fini climatologici, di rianalisi e di validazione, provenienti da missioni passate ma anche di satelliti che forniscono dati in tempo reale. Di fatto questa simbiosi informativa ha consentito negli ultimi quarant’anni di confrontare le informazioni provenienti da diversi satelliti, calibrati con quelli raccolti dalla rete globale di boe oceanografiche distribuite nell’oceano. Quello che è emerso è che dal 1985 la velocità media del vento oceanico nella maggior parte del mondo è aumentata di un valore compreso tra un centimetro a due centimetri al secondo (circa 0,03 nodi) portando localmente ad un aumento trascurabile, se non nel caso di onde eccezionali, dell’altezza delle onde.
In contemporanea, l’aumento delle temperature marine ha favorito la frequenza e l’aumento dell’intensità delle tempeste, con casi sempre più frequenti di formazione di onde estreme. Queste, avvicinandosi alla costa, a causa dell’interazione con i bassi fondali, modificano la loro forma, causando danni significativi alle infrastrutture umane. L’energia che si abbatte sulla costa trasporta i sedimenti sciolti (ghiaie e rocce) rocciosi ad una certa distanza nell’entroterra, trascinando rovinosamente tutto ciò che incontrano sul loro cammino.
Secondo l’Agenzia Spaziale Europea (ESA), grazie ai satelliti, è stato possibile comprendere globalmente come le onde si muovono ed evolvono sugli oceani. Grazie a costellazioni di satelliti, come il programma europeo Copernicus, è oggi possibile monitorare costantemente la Terra, fornendo dati cruciali per la scienza climatica, la meteorologia e la navigazione, grazie a sensori che misurano temperatura, altitudine, correnti e formazioni biologiche marine, valutando ad esempio le aree di eutrofizzazione.
Tornando alle onde anomale oceaniche, i modelli matematici, costruiti sulla base dei dati raccolti tramite i satelliti, mostrano che le onde più alte degli ultimi 34 anni si sono verificate nel gennaio 2014, quando la tempesta atlantica Hercules produsse onde alte 23 metri che causarono gravi danni dal Marocco all’Irlanda. Lo studio delle variazioni delle onde superficiali tramite satelliti hanno mostrato che le onde lunghe oceaniche si irradiano attraverso gli oceani ben oltre la zona di tempesta, trasportando una quantità enorme di energia che può essere correlata al periodo delle onde – inteso come il tempo tra due creste d’onda – rivelando la dimensione e la forza delle tempeste.
Recentemente un team del Laboratorio di Oceanografia Fisica e Spaziale (LOPS) ha confermato la natura eccezionale delle tempeste nel 2023 e 2024. In un articolo, pubblicato da PNAS, è emerso che le onde più alte si formano al centro di specifiche tempeste ovvero quelle in cui la regione marina con i venti più forti si muove alla stessa velocità delle onde, accompagnandone la crescita in altezza e lunghezza. Questa energia concentrata dura solo poche ore prima di disperdersi sotto forma di treni d’onde in tutto l’oceano. Fabrice Ardhuin e Marine De Carlo hanno classificato tutte le tempeste dal 1991 al 2024 in base alla loro altezza massima delle onde, sulla base di modelli numerici che avevano previsto onde alte fino a 23 metri (come quelle osservate durante la tempesta Hercules) impiegando i dati di 15 satelliti impiegati per misurare l’altezza delle onde. Il catalogo ottenuto ha permesso di effettuare un confronto dei dati previsti in pari condizioni dal modello matematico con quelli reali misurati tramite i satelliti (nella stessa posizione e nello stesso momento). Pur non essendoci stata una copertura completa mondiale, si è scoperto che per altezze misurate tra i 15 e 18,5 metri, il modello eccedeva in media solo di 0,3 metri.
La copertura nominale di SWOT durante la sua orbita scientifica di 3 anni ha incluso misurazioni tra 78°N e 78°S raccolte in un periodo di 21 giorni. Le mappe mostrano la copertura dopo 3 giorni (a sinistra) e dopo l’intero ciclo di 21 giorni (al centro). Il colore sulle mappe rappresenta le correnti superficiali modellate per ciascuna traiettoria, con la velocità geostrofica superficiale mostrata in metri al secondo. Il numero di osservazioni a una data latitudine durante il periodo di ripetizione di 21 giorni (prendendo come esempio la latitudine settentrionale) è mostrato all’estrema destra. – credito NASA
Analizzando i dati del satellite SWOT (Surface Water and Ocean Topography), raccolti il 21 dicembre 2024 durante il picco della tempesta Eddie, considerata la più grande tempesta in termini di altezza media – con onde di quasi 20 metri in mare aperto – il team è riuscito a monitorarne l’andamento scoprendo che, tra il 21 dicembre 2024 e il 6 gennaio 2025, si irradiò su oltre 24.000 km di oceano, dal Pacifico settentrionale attraverso il Passaggio di Drake fino all’Atlantico tropicale. Un risultato straordinario ottenuto grazie ai satelliti che monitorano costantemente gli oceani fornendoci i dati necessari per creare modelli di previsione sempre più attendibili.
Per concluder, sebbene i modelli siano ancora perfettibili, i dati satellitari ci consentono oggi di poter prevedere gli effetti del moto ondoso sulle linee costiere in concomitanza delle tempeste eccezionali aiutandoci a proteggere le comunità costiere e le infrastrutture marittime. Aumentando la mole dei dati raccolti sarà possibile ottenere modelli matematici sempre più precisi a servizio dell’Umanità.
Vincenzo Popio
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Riferimento
Laboratory for Ocean Physics and Satellite remote sensing
Osservare l’oceano con i satelliti | CMEMS
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Laureato in Scienze Marine presso l’Università di Pisa con un Ph. D. in Maritime Science e Master in “Environmental science and sea pollution research” presso la Pacific Western University di Los Angeles, California, il dottor Popio ha trascorso oltre 32 anni di servizio attivo nella Marina Militare. Ha ricoperto incarichi di Comando a bordo delle unità navali, come Direttore agli Studi presso Istituti di Formazione militare e come rappresentante della Marina presso l’Ufficio del Sottocapo di Stato Maggiore della Difesa. Lasciato il servizio attivo, il dr. Popio, ha continuato, in campo civile, a fornire il proprio contributo per la salvaguardia dell’ambiente marino e di tutte le sue specie, collaborando in diversi progetti riguardanti l’ambiente, con le Università di Bari, Lecce, Napoli e con l’Istituto per l’Ambiente Marino Costiero-CNR di Taranto. Numerosi sono gli articoli pubblicati sulla stampa locale sull’inquinamento (aria, mare, suolo) a Taranto, dovuto alla presenza delle industrie pesanti. Uno studio particolare è stato effettuato sul Mar Piccolo e il Mar Grande di Taranto.