Il posizionamento in mare: concetti di base – parte I

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livello elementare
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ARGOMENTO: CARTOGRAFIA E NAVIGAZIONE
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: Terra

La forma del pianeta ed i sistemi di riferimento per poterci navigare
Iniziamo una serie di articoli sul posizionamento in mare. Oggigiorno tra GPS sui telefonini e sistemi automatici per terra e per mare diamo spesso tutto per scontato. In realtà, per meglio utilizzare questi strumenti, sarebbe necessario avere un infarinatura di come tutto nacque. Ho usato il passato remoto non a caso perché tutto iniziò molto tempo fa.

forma pittorica Pianeta Terra – Public Domain Pictures

Non spaventatevi, tratterò i vari argomenti con estrema semplicità tralasciando noiose equazioni matematiche e digressioni che servirebbero solo a confondervi le idee. Avanzeremo piano piano per comprendere le basi della cartografia e del posizionamento, elementi necessari per poter navigare.

Una magnifica non sfera azzurra
Nelle illustrazioni degli atlanti geografici la forma della Terra ci viene sempre mostrata come una bellissima sfera blu che sembra avvolgere le terre emerse. In realtà, la vera forma geometrica del nostro pianeta è molto diversa da quella raffigurata e si avvicina maggiormente a quella di una strana … patata. Un problema non semplice per cui, sin dall’antichità, la rappresentazione sferica del nostro pianeta fu una semplificazione per meglio calcolare matematicamente distanze ed angoli. La forma reale della Terra fu scoperta solo in tempi relativamente recenti, ovvero nella seconda metà del XX secolo, quando attraverso le misure gravito-metriche evidenziarono zone con maggiore o minore gravità. Queste differenze sostanziali e non compatibili con un modello sferico portarono i geologi a ricercare delle soluzioni intermedie, ovvero dei sistemi geometricamente più regolari e matematicamente descrivibili.

Facciamo un passo indietro: nei primi anni della navigazione, i marinai rapportavano le loro posizioni su dei piani tangenti in alcuni punti della sfera. In pratica il globo veniva suddiviso in paralleli e meridiani misurati da diversi meridiani e paralleli di riferimento e venivano poi misurate delle coordinate sferiche. Fu determinato un parallelo fondamentale (il più grande) che venne chiamato Equatore (ovvero posto ad ugual distanza dai poli) che divideva il globo in due parti uguali (emisferi): quello Nord fu chiamato emisfero boreale mentre quello meridionale emisfero australe. Partendo dall’Equatore vennero ipotizzati infiniti archi, paralleli allo stesso, sia verso il Polo Nord sia verso il Polo Sud, che vennero chiamati PARALLELI. Ovviamente per poter determinare una posizione in un sistema di coordinate sferico doveva essere definita una seconda coordinata. Fu così che furono designati dei MERIDIANI di riferimento, transitanti da Nord verso Sud e passanti da isole o città importanti per i cartografi. Inutile dire che la conoscenza geografica e la possibilità di regolamentare matematicamente le conoscenze  dava un potere enorme ai Paesi, sia dal punto di vista politico che economico. inutile dire che creare diversi sistemi di riferimento creava confusione e contenziosi.

Perché fu scelto proprio Greenwich? 
Durante la conferenza internazionale di Washington del 1884 si introdusse il sistema dei fusi orari, scegliendo come primo fuso quello di Greenwich. Prima di allora orari e misure geografiche non erano uguali per tutti. 

In campo nautico veniva spesso usato il meridiano di Ferro (Isole Canarie) dalla maggior parte delle marine dell’Europa continentale. Veniva definito, per convenzione, come il meridiano passante ad una distanza angolare di 20° ad ovest di Parigi (o 17° 39′ 46″ ad ovest di Greenwich). Una curiosità: tale meridiano prendeva il nome dall’isola del Ferro (El Hierro), la più occidentale delle Isole Canarie e allo stesso tempo la parte più estrema del Vecchio Mondo nota sin dall’antichità, definita dal geografo greco Tolomeo, nel II secolo, il meridiano dell’Isola del Ferro come meridiano zero. Una soluzione di fatto pratica che comportava, per la cartografia europea dell’epoca, solo longitudini positive (ad est dell’isola).

Di fatto ogni Paese aveva la sua ora basata soprattutto sull’osservazione del Sole. Durante la conferenza venne deciso di creare quindi 12 fusi orari ad est e 12 ad ovest. Il Meridiano di Greenwich divenne così il meridiano zero da dove misurare la longitudine. L’importanza di Londra (il potere marittimo britannico ebbe il suo peso) e dell’osservatorio di Greenwich, fondato da Carlo II  nel 1675, fecero propendere la scelta dei delegati su quella specifica località per risolvere l’antico problema della determinazione della longitudine in mare. Dall’intersezione di un meridiano e di un parallelo possiamo identificare un punto univoco sulla sfera. Se poi diamo un valore in gradi, primi e secondi ai paralleli ed ai meridiani il gioco è fatto. Questi valori sono delle vere e proprie coordinate sferiche che sono chiamate latitudine e longitudine. Per definizione, la latitudine è la distanza angolare dall’equatore a il parallelo passante per il punto mentre la longitudine è la distanza angolare tra il meridiano passante sul punto e il meridiano di riferimento di Greenwich. Tutti i punti posti sui meridiani a destra del meridiano di Greenwich hanno longitudine EST mentre quelli a sinistra OVEST. I punti posti su paralleli a Nord dell’equatore hanno latitudine NORD mentre quelli a Sud ovviamente hanno latitudine SUD. Sembra tutto facile vero?

In realtà, con l’aumentare delle conoscenze geografiche ci si accorse che, essendo la forma della Terra irregolare, gli errori generati nella rappresentazione sferica potevano essere significativi. Si arrivò quindi ad identificare sul geoide un ellissoide di riferimento, tangente a determinate aree del globo. Il problema era (ed è) che allontanandosi dal punto di tangenza dell’ellissoide gli errori di misura aumentano. Questo comportò quindi la necessità di creare più ellissoidi di riferimento, applicabili in diversi punti di contatto, per poter definire con maggior precisione punti distanti fra loro.

Riassumendo:
Per poter determinare delle coordinate è necessario fare delle approssimazioni. Per completezza ci si riferisce a queste particolari superfici di riferimento (non spaventatevi e andate avanti) :

– la superficie dinamica reale o geoidica, coincidente con il livello assunto dai mari, se non sottoposti all’azione dei venti, delle maree e delle correnti, prolungato al di sotto dei continenti e tenente conto del campo effettivo della gravità terrestre;

– la superficie dinamica teorica o sferoidica, basata su un campo gravitazionale terrestre teorico, che considera il nostro pianeta omogeneo e con densità uniforme;

– la superficie geometrica, non corrispondente alla realtà fisica ma perfettamente adatta per lo sviluppo cartografico.

semplificazione ad ellissoide – disegno da https://gisgeography.com/./

Queste tre superfici, non potendo essere descritte con un’unica espressione matematica portarono alla definizione di particolari ellissoidi di opportune dimensioni. Con la dimensione o forma dell’ellissoide vanno intese le misure del semiasse maggiore, di quello minore ed il suo orientamento. 

Nella cartografia, sia nautica che terrestre, la Terra viene quindi riferita a ellissoidi di rotazione, la cui forma è data dalla grandezza dei loro semiassi (maggiore e minore) e dal loro schiacciamento, valori determinati entrambi da delicate operazioni di alta geodesia. L’orientamento dell’ellissoide viene invece riferito ed ottenuto identificando sul geoide un punto P₀, posto in una località centrale rispetto all’area dei rilievi. In pratica, per cercare di ottenere la massima precisione locale, ogni area del mondo adotta un ellissoide centrato in un punto significativo per quell’area (Datum), così da approssimare al meglio i contorni geografici.

Riassumendo: Per definire univocamente dei punti della superficie terrestre e calcolarne la posizione è quindi necessario adottare un “sistema di riferimento”, detto Datum, definito da un particolare ellissoide tangente in un dato punto del geoide. 

Dopo numerosi tentativi l’Unione Geodetica e Geofisica Internazionale (U.G.G.I.), ostacolati da ovvi motivi politici decise di assumere nel 1924 come Ellissoide Internazionale quello calcolato da Hayford nel 1909 che allora, meglio di ogni altro, si adattava alle esigenze geografiche del momento. Il geoide fu caratterizzato dai seguenti valori:

semiasse maggiore                     a = 6.378.388 metri
semiasse minore                         b = 6.356.912 metri
schiacciamento                            s = 1/297
perimetro dell’equatore           p = 40.076.592 metri
lunghezza del 1′ di equatore   m = 1.855,4 metri

Oltre all’ellissoide di Hayford, vennero identificati altri ellissoidi, di interesse locale, sui quali furono costruite estese reti geodetiche:

Ellissoide di Delambre 1810: Francia.
Ellissoide di Everest 1830: India Britannica.
Ellissoide di Bessel 1841: Paesi Europei – Cina – Korea – Giappone.
Ellissoide di Clarke 1866: Nord e Centro America – Groenlandia.
Ellissoide di Clarke modificato 1880: Francia – Inghilterra – Spagna – Africa.
Ellissoide Internazionale 1924 : Europa – Sud America.
Ellissoide di Krasovskiy 1942: U.R.S.S. e Paesi limitrofi.

Nazioni contigue, con rilievi basati sullo stesso ellissoide, ma riferiti a Datum diversi, hanno quindi delle differenze sensibili nella misura delle coordinate geografiche. La soluzione che fu adottata dall’U.G.G.I. fu quindi quella di definire un numero limitato di grandi sistemi di riferimento, comuni ad interi continenti, a cui ridurre le reti geodetiche nazionali in modo da facilitare la correlazione geografica fra Stati contigui.

Al termine della seconda guerra mondiale fu adottato in Europa un unico sistema di riferimento allo scopo di correlare fra loro il gran numero di sistemi di riferimento esistenti e quindi la cartografia dei differenti stati del vecchio continente. Il sistema fu chiamato EUROPEAN DATUM 1950. Il sistema, indicato con la sigla ED 50, adottò come superficie di riferimento l’Ellissoide Internazionale 1924 (Hayford) e come centro di emanazione della rete geodetica l’osservatorio astronomico di Potsdam (Germania), identificato con le seguenti coordinate astronomiche:

Latitudine    : 52°22’53,954” Nord
Longitudine : 13°04’01,153” Est

Per mantenere la possibilità di correlare differenti sistemi, l’ED 50 fu correlato con le reti di triangolazione dell’Asia e dell’Africa e, attraverso comuni stazioni di rilievo,  anche con il sistema di riferimento russo (PULKOVA 42) e quello indiano (INDIAN DATUM). 

Negli anni ’60 le necessità di navigazione di precisione legate ai primi lanci spaziali comportarono lo studio di un sistema di riferimento geodetico da utilizzarsi su scala globale. Questo studio portò alla realizzazione di nuovi ellissoidi, denominati World Geodetic System (WGS), che tengono conto sia dei dati provenienti dai tradizionali rilievi astro-geodetici sia delle sempre più accurate misure gravimetriche ottenute dalle osservazioni delle perturbazioni dei moti orbitali dei satelliti artificiali.

Arriviamo al 1984, quando l’evoluzione dei sistemi globali portò alla creazione del WGS 84 al quale si riferiscono tutte le coordinate oggigiorno fornite dalla maggior parte dei sistemi satellitari GPS, compresi quelli dei nostri smartphone.

Per ora ci fermiamo qui, siamo solo all’inizio del nostro viaggio e nei prossimi articoli approfondiremo diversi argomenti.

fine I parte – continua

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Andrea Mucedola

ammiraglio della Marina Militare Italiana (riserva), è laureato in Scienze Marittime della Difesa presso l’Università di Pisa ed in Scienze Politiche cum laude all’Università di Trieste. Analista di Maritime Security, collabora con numerosi Centri di studi e analisi geopolitici italiani ed internazionali. È docente di cartografia e geodesia applicata ai rilievi in mare presso l’I.S.S.D.. Nel 2019, ha ricevuto il Tridente d’oro dell’Accademia delle Scienze e Tecniche Subacquee per la divulgazione della cultura del mare. Fa parte del Comitato scientifico della Fondazione Atlantide e della Scuola internazionale Subacquei scientifici (ISSD – AIOSS).

www.ocean4future.org

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