Riconoscere le tempeste grazie al GPS

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La stazione di misurazione sul tetto dell’Istituto di geodesia e fotogramm
La stazione di misurazione sul tetto dell’Istituto di geodesia e fotogrammetria riceve dati dal GPS e da altri sistemi di navigazione satellitare 24 ore al giorno. (Immagine: Politecnico di Zurigo / Benedikt Soja)

I ricercatori del Politecnico di Zurigo sono riusciti a misurare i temporali con forti precipitazioni utilizzando direttamente i dati GPS. I risultati del loro studio potrebbero migliorare in modo significativo l’osservazione e la previsione meteorologica.

Il 13 luglio 2021, poco prima delle 2 del mattino, un temporale insolitamente violento si abbatté su Zurigo: raffiche ululanti, lampi incessanti e pioggia torrenziale fecero perdere il sonno alla gente. Anche Benedikt Soja, professore di geodesia spaziale, dormì male quella notte. "È stata una delle tempeste più forti che abbia mai vissuto. Mi sono svegliato nel cuore della notte e ho guardato fuori dalla finestra per vedere la tempesta che infuriava", ricorda.

L’entità della tempesta è apparsa chiara la mattina successiva: alberi caduti sulle strade e nei parchi, tetti coperti e linee aeree del tram abbattute in varie zone di Zurigo. Anche rami e interi alberi giacevano a terra intorno all’Hönggerberg. "La tempesta deve essere passata proprio sopra l’ETH", dice Soja.

Guasti ai dati GPS

Sul tetto dell’Istituto di geodesia e fotogrammetria nel campus di Hönggerberg, una stazione di misurazione registra 24 ore su 24 i segnali di vari sistemi satellitari. Soja e i suoi colleghi dell’istituto sono rimasti stupiti quando hanno esaminato più da vicino i dati della notte della tempesta. "C’erano dei guasti nella valutazione del GPS. Ma all’inizio non riuscivamo a spiegarne il motivo", afferma Matthias Aichinger-Rosenberger, ex postdoc del gruppo di Soja e ora docente al Politecnico di Zurigo. Quando anche altre stazioni di misurazione hanno segnalato guasti nelle misurazioni dei dati del GPS e di altri sistemi di navigazione satellitare per quella notte, i ricercatori hanno iniziato ad analizzare i dati grezzi dell’antenna sull’Hönggerberg.

Nello studio, pubblicato sulla rivista Geophysical Research Letters call_made, sono riusciti a dimostrare che gli eventi meteorologici estremi influenzano la qualità dei segnali GPS e che questi segnali sono quindi adatti anche per misurare le tempeste. Un giorno potrebbero addirittura essere utilizzati per il rilevamento precoce e la previsione dei temporali.

Il rapporto segnale/rumore è crollato

Gli scienziati hanno tratto le loro conclusioni dall’analisi dei dati della tempesta del 13 luglio e di un’altra tempesta nell’estate del 2021, da cui è emerso che gli eventi meteorologici estremi hanno avuto un impatto sul rapporto segnale/rumore. Questo indica la forza dei segnali satellitari che ci raggiungono sulla Terra. Più alto è il rapporto, migliore è la qualità del segnale.

"Normalmente, la potenza del segnale che misuriamo con la nostra antenna sul tetto cambia solo in minima parte", spiega Aichinger-Rosenberger. Tuttavia, nei due giorni della tempesta la situazione era diversa: "Al momento della tempesta, il rapporto segnale/rumore nei dati GPS è diminuito notevolmente. Non appena la tempesta si è allontanata, abbiamo visto che era tornato nella norma".

I ricercatori hanno confrontato i loro dati con quelli del radar dell’Università di Berna per determinare l’ora esatta dello straripamento del temporale e verificare se questo coincideva con il momento in cui il rapporto segnale/rumore si riduceva. "Ciò ha confermato la nostra ipotesi di una correlazione diretta", afferma Aichinger-Rosenberger.

Sitrattava di pioggia o grandine?

I ricercatori sono certi che le forti precipitazioni siano responsabili dell’improvvisa diminuzione del rapporto segnale/rumore. Non è ancora chiaro quale forma di precipitazione - pioggia o grandine - abbia un’influenza maggiore e perché. Gli scienziati vorrebbero scoprirlo in futuro.

Per quanto semplice, il risultato dello studio rappresenta una svolta per la ricerca sulla geodesia spaziale. "Non è mai stato dimostrato che forti temporali o altri eventi atmosferici con precipitazioni abbondanti influenzino in modo significativo il rapporto segnale/rumore", afferma Aichinger-Rosenberger. Finora si pensava che il GPS fosse un sistema indipendente dalle condizioni meteorologiche. Ora è stato dimostrato che i dati GPS sono abbastanza sensibili da rilevare le perturbazioni atmosferiche.

Prevedere le precipitazioni in modo più affidabile

Questi risultati aprono nuove prospettive per l’uso dei dati di navigazione satellitare in meteorologia. "Ora vogliamo raccogliere altre misurazioni per migliorare la previsione delle precipitazioni nei modelli meteorologici", afferma Soja. Dopotutto, prevedere in modo affidabile le precipitazioni è ancora una sfida importante. "Molti altri parametri meteorologici, come la temperatura, possono essere previsti abbastanza bene grazie ai modelli meteorologici numerici. Ma sfortunatamente, questi modelli spesso non sono abbastanza buoni quando si tratta di precipitazioni".

Per poter utilizzare un giorno le scoperte dei ricercatori per le previsioni, è necessario collegarle a un modello meteorologico. "Per poter trasferire le nostre osservazioni a determinati parametri, come il contenuto di acqua o ghiaccio nell’aria o la direzione della tempesta, dobbiamo raccogliere e analizzare più dati. Questi risultati potrebbero poi essere incorporati in un modello meteorologico computerizzato, che potrebbe migliorare la previsione delle precipitazioni", afferma Aichinger-Rosenberger.

Servono più ricevitori per il rilevamento precoce

Per essere riconosciuti, i temporali devono ancora attraversare direttamente la stazione di misurazione del segnale GPS. Poiché la rete di stazioni di misurazione non è abbastanza fitta, il metodo non è ancora adatto per il rilevamento precoce dei temporali. "Se si disponesse di trenta o quaranta ricevitori fissi intorno a Zurigo, ad esempio, si potrebbe rilevare un evento meteorologico estremo sulla città in modo accurato e molto economico", spiega Soja. "Con una fitta rete di stazioni, sarebbe poi possibile determinare anche dove si sta muovendo e a quale velocità".

Questo sistema di rilevamento precoce potrebbe essere utilizzato in futuro per garantire operazioni di volo più sicure, ad esempio, spiega Soja. "Con una fitta rete di stazioni GPS intorno all’aeroporto, una tempesta potrebbe essere localizzata in tempo reale e gli avvisi potrebbero essere emessi di conseguenza".

Oltre a perfezionare il metodo, gli scienziati intendono espandere il loro lavoro di ricerca in tutta la Svizzera e anche a livello europeo, ampliando di conseguenza la loro rete. La forte tempesta del luglio 2021 ha causato molte distruzioni a livello locale, ma anche conoscenze che un giorno potrebbero essere applicate a livello globale.

Geodesia spaziale

La geodesia spaziale è un settore della geodesia che si occupa del rilevamento e della mappatura di grandi aree, in particolare della Terra, utilizzando tecnologie spaziali. Lo scopo principale della geodesia spaziale è ottenere informazioni precise sulla forma, le dimensioni e il movimento della Terra.

Il GPS è un componente chiave della geodesia spaziale. Utilizzando i satelliti GPS, è possibile determinare con grande precisione le posizioni degli utenti sulla terra. Questo viene utilizzato in molte applicazioni come la navigazione, il rilevamento e i sistemi di geoinformazione.

Letteratura di riferimento

Aichinger-Rosenberger M, Aregger M, Kopp J, Soja B: Detecting Signatures of Convective Storm Events in GNSS-SNR: Two Case Studies from Summer 2021 in Switzerland. Geophysical Research Letters 2023, 50. doi: pagina esterna 10.1029/2023GL104916 call_made

Corinne Landolt