Smartphone, smartwhatch, navigatori: sono solo alcuni dei dispositivi muniti di GPS. Spesso li utilizziamo per determinare la nostra posizione e avere indicazioni stradali ma in pochi sanno che sono molto utili anche in geofisica. Come? Per scoprirlo abbiamo intervistato Grazia Pietrantonio, Tecnologo dell’Osservatorio Nazionale Terremoti dell’INGV che da sempre si occupa di geodesia.
Grazia, che tipo di strumento è il GPS?
L’acronimo GPS sta per Global Positioning System; quando parliamo di GPS ci riferiamo ad un sistema di posizionamento globale di punti sulla superficie terrestre, basato sulla ricezione di segnali radio emessi da una costellazione di satelliti artificiali in orbita attorno alla Terra ad un'altezza di circa 20000 km. Quello che di solito, nel linguaggio comune, viene chiamato GPS è lo strumento che permette la ricezione di questi segnali, ovvero il ricevitore GPS, a sua volta collegato ad un’antenna GPS.
Oggi abbiamo tutti familiarità con questo strumento perché sono tantissimi i dispositivi di uso comune che hanno al loro interno un ricevitore GPS: navigatori per auto, smartphone, tablet, orologi.
Il sistema GPS, di origine statunitense, è stato il primo ed è ancora il più utilizzato sistema di navigazione satellitare al mondo, ma ormai parlare solo di GPS è piuttosto limitativo, in quanto negli anni nuovi sistemi simili ad esso hanno visto la luce e sono ormai operativi, come il russo GLONASS, il cinese BEIDOU e l’europeo GALILEO; anche l’India sta sviluppando il suo sistema di navigazione satellitare, chiamato IRNSS. Tutti questi sistemi di navigazione satellitare costituiscono nel loro complesso il GNSS (Global Navigation Satellite System).
Qual è il principio di funzionamento del GPS?
Semplificando al massimo, il principio di funzionamento del GPS si può descrivere dicendo che il segnale emesso dai satelliti, un segnale piuttosto complesso, costituito da varie componenti, viene ricevuto a terra da antenne collegate ad opportuni ricevitori. Eessendo nota la posizione dei satelliti e misurando il tempo impiegato dal segnale a compiere il percorso satellite-ricevitore, si riesce a determinare la posizione del punto a terra.
Negli anni, il miglioramento delle tecniche di misura e degli algoritmi per la elaborazione dei dati, ha permesso di arrivare a precisioni sub-millimetriche nella stima delle coordinate 3D (componenti orizzontali e quota) di punti sulla superficie della Terra.
Quando è “nato”?
Il GPS è “nato” negli USA circa 50 anni fa per scopi militari. Il progetto fu originariamente lanciato dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti nel 1973 per fornire una risposta alla necessità delle proprie forze armate di riuscire a localizzare i mezzi militari ovunque e con qualsiasi condizione meteorologica. Soltanto una ventina di anni dopo, l’utilizzo del GPS è stato aperto agli scopi civili e da allora la sua diffusione è cresciuta sempre di più.
Quali sono gli utilizzi del GPS nella geofisica?
Il GPS oggi è uno strumento chiave in diversi settori della geofisica. La possibilità di misurare la posizione e il movimento relativo di punti sulla superficie della Terra con precisioni tanto elevate, ha aperto il campo a molti utilizzi. Per citare solo alcuni ambiti: lo studio dei processi tettonici, di quelli vulcanici, la stima dei parametri di rottura dei terremoti e dei fenomeni post-sismici, ed ancora studi di tipo idrologico, atmosferico, stima delle variazioni di livello del mare.
Personalmente, mi occupo principalmente di studio delle deformazioni tettoniche, facendo largo uso della grande mole di dati GNSS disponibili. Negli ultimi 20-25 anni, si sono sviluppate e diffuse le cosiddette reti permanenti, costituite da un gran numero di stazioni (ricevitori collegati ad antenne) che registrano i segnali GNSS 24 ore su 24, 365 giorni all'anno. In Italia e nel mondo esistono moltissime reti permanenti, istituite da Università, Istituti di Ricerca, Enti locali, ditte private; a livello nazionale una delle più importanti è la nostra rete RING (), costituita da circa 200 stazioni permanenti. Questo gran numero di stazioni ci consente di studiare in dettaglio come si sta deformando la crosta terrestre, attraverso l’analisi delle variazioni di coordinate giornaliere delle stazioni stesse e la stima delle loro velocità di spostamento.
Cosa sono le tecniche di geodesia spaziale?
Sono tutte quelle tecniche che fanno largo uso di satelliti artificiali e di segnali provenienti dallo Spazio. Oltre al GPS, che è sicuramente la più nota, le principali sono: DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellites), SLR-LLR (Satellite Laser Ranging - Lunar Laser Ranging), VLBI (Very Long Baseline Interferometry).
L’avvento di queste tecniche e la conseguente capacità di determinare con precisione elevata la posizione relativa di punti, anche molto distanti tra loro ed appartenenti a placche diverse, hanno permesso di compiere enormi passi nella determinazione del moto delle placche tettoniche. Quest’ultimo è stato uno dei problemi principali nell’ambito delle Scienze della Terra, da quando, nella seconda metà del secolo scorso, la teoria della tettonica a placche prese piede. Come è noto, secondo tale teoria l’involucro più esterno della Terra (la litosfera, spessa circa 100 km) è suddiviso in placche rigide galleggianti su di uno strato meno rigido immediatamente sottostante, detto astenosfera.
Come l’utilizzo del GPS viene applicato ai terremoti?
In ambito geofisico sono di particolare interesse le deformazioni che si verificano in corrispondenza di un terremoto, dette deformazioni “cosismiche”, e anche successivamente ad esso, in questo caso si parla di deformazioni “post-sismiche”. A questo riguardo i dati GPS svolgono un ruolo fondamentale, essendo diversi e complementari rispetto a quelli forniti dalla sismologia e dalla geologia. Misurando gli spostamenti dei punti dovuti al terremoto, cioè la differenza tra posizione dopo l’evento e posizione prima dell’evento, attraverso algoritmi opportuni, si può realizzare un modello della faglia “responsabile” del terremoto, risalire cioè alla sua posizione, estensione ed alla distribuzione del movimento sulla faglia stessa.
In Italia, i forti eventi sismici degli ultimi 20 anni, a cominciare già dalla sequenza di Colfiorito del 1997, ma soprattutto dal terremoto dell'Aquila del 2009, passando per il terremoto dell’Emilia del 2012 e fino alla più recente sequenza sismica iniziata nel 2016 in Italia centrale, hanno ripetutamente mostrato le grandi potenzialità della tecnica nello studio dei terremoti.
Il terremoto che ha colpito L’Aquila nel 2009 si può considerare il primo forte evento sismico italiano avvenuto in piena "era GPS"; è anche il primo terremoto in Italia ad essere stato registrato da ricevitori GPS ad alta frequenza, ovvero strumenti che registrano il segnale con un intervallo di campionamento molto piccolo (1, 10, anche 100 dati al secondo), invece del classico intervallo di campionamento di 30 secondi. I dati GPS ad alta frequenza ci hanno permesso di osservare per la prima volta il movimento dinamico del suolo durante il passaggio delle onde sismiche, in occasione della scossa principale del 6 aprile 2009.
Per concludere, quali sono i prossimi passi nell’utilizzo di questa tecnologia in ambito geofisico e non?
Numerosi lavori scientifici testimoniano come i dati GNSS siano diventati uno strumento indispensabile per lo studio dei terremoti; in particolare oggi si pone grande attenzione verso i dati ad alta frequenza che, in occasione di forti eventi sismici, sono in grado di fornire una stima rapida della magnitudo e dei parametri di faglia, che è alla base di un efficace sistema di allerta tsunami, che a sua volta può salvare vite umane.
In generale, tutte le possibili applicazioni real-time dei dati ad alta frequenza, offrono grosse prospettive, in ambito geofisico ma anche in ambiti più squisitamente tecnologici.
Ulteriori sviluppi importanti nel prossimo futuro potranno arrivare sia dall’utilizzo congiunto dei segnali provenienti dalle diverse costellazioni satellitari GNSS, che è in parte già una realtà e che porterà vantaggi operativi ed ulteriori miglioramenti nella precisione del posizionamento, sia dallo sviluppo di strumenti GNSS a basso costo, che sta rendendo possibili applicazioni sempre più ampie in svariati settori, in particolare nell’ambito del monitoraggio di frane ed infrastrutture.