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Progetto PNRA 1999 - ARM


Modello del campo geomagnetico in Antartide
Inizio:
1999
Fine:
2001
Sito Web:
http://www.pnra.it

Gran parte del continente antartico è coperta dai ghiacci e quindi non è accessibile allo studio diretto. La misura del campo geomagnetico, in varie bande di frequenze spaziali e temporali, consente in linea di principio di investigare le caratteristiche del continente antartico in termini di anomalie magnetiche associate alla sua crosta continentale. La stima accurata delle anomalie magnetiche richiede però, dalle osservazioni sperimentali, l’effettiva rimozione del contributo interno del nucleo fluido terrestre (campo magnetico principale) e del contributo esterno (campo magnetico ionosferico e magnetosferico). Mentre la rimozione della parte esterna può essere effettuata con opportuni filtri temporali nelle registrazioni dei vari punti di misura, la rimozione del campo principale rappresenta un difficile obiettivo da raggiungere. Poichè i modelli globali come l’IGRF (International Geomagnetic Reference Field) normalmente falliscono nel rappresentare il campo geomagnetico principale in una regione limitata della superficie terrestre come il continente antartico, c’è la chiara necessità di migliorare l’accuratezza del campo principale e della sua variazione secolare attraverso un modello regionale antartico come si propone di essere l’ARM.

D’altra parte, uno degli scopi principali di molti progetti di studi geomagnetici in Antartide come l’Antarctic Digital Magnetic Anomaly Project (ADMAP) è proprio quello della realizzazione di un database digitale che raccolga i dati delle singole campagne di misura secondo scale locali, regionali e/o continentali, raggruppando dati presi a differenti quote (dal livello del mare a quota di satellite) e con caratteristiche spettrali intrinsecamente diverse. Per la corretta integrazione di tutti questi tipi di osservazioni, ARM sarà di enorme aiuto in quanto modello analitico regionale capace di rappresentare non soltanto il campo dovuto alle sorgenti interne del nucleo fluido terrestre, ma anche quelle crostali a grandi lunghezze d’onda che possono sovrapporsi in regioni o settori diversi in cui l’Antartide è stato suddiviso allo scopo specifico della compilazione di tutti i rilievi magnetici.

La ricerca si prefigge di:

  • Costruire un database affidabile di misure magnetiche in Antartide effettuate dal 1960 ad oggi.
  • Perfezionare le tecniche regionali di analisi, validazione e rappresentazione dei dati magnetici in forma analitica ed auto consistente, scegliendo la tecnica più adatta al caso specifico.
  • Determinare un modello tridimensionale analitico di riferimento del campo geomagnetico vettoriale in Antartide nello spazio (al disotto di 60 gradi di latitudine Sud e per i primi km di quota) e nel tempo (dal 1960 ai giorni nostri). Tale modello conterrà per lo più il contributo principale del nucleo fluido terrestre, e per il restante le componenti a grande lunghezza d’onda che non possono essere individuate in campagne magnetiche di settore.

Programma di Ricerca

Nell’ambito del Progetto ARM-I (1999-2001), è stato sviluppato un modello di riferimento antartico (ARM) del campo geomagnetico. La validità di questo modello (ARM2000) è stata dimostrata confrontandone i risultati con quelli del modello globale di riferimento (IGRF2000). La maggiore accuratezza di ARM2000 (campo principale e variazione secolare), lo rende uno strumento utile per ridurre i dati raccolti durante campagne magnetiche con caratteristiche (epoca, altezze, strumenti) molto eterogenee, alla stessa epoca e altitudine. Dopo tali operazioni sarà disponibile, con tutte le sue implicazioni geologiche, un insieme di dati completo che contiene tutte le caratteristiche magnetiche della litosfera antartica.
Per generare le prime versioni dei modelli di variazione secolare (Torta et al., 2002) e di campo principale più variazione secolare (De Santis et al., 2001), sono state utilizzate le medie annue delle componenti geomagnetiche osservate dal 1960 al 2000 negli osservatori antartici disponibili. La versione più aggiornata del modello (De Santis et al., 2002) include anche un primo set di dati raccolti dal satellite Ørsted.
Attualmente sono disponibili insiemi di dati nuovi e più completi. Le missioni dei satelliti ØRSTED e CHAMP, lanciati rispettivamente nel 1999 e nel 2000, e che da allora stanno acquisendo misure del campo geomagnetico con un’accuratezza senza precedenti, aprono nuove prospettive al modello ARM grazie alla distribuzione uniforme dei dati e alla copertura completa del continente. La validazione e l’uso di questi dati contribuiranno a definire il migliore modello di riferimento per l’Antartide.

La ricerca sarà dunque svolta in tre fasi:

  1. Raccolta e validazione di tutti i nuovi dati: aeromagnetici, marini, da satellite (con particolare attenzione a questi ultimi).
    Nonostante la maggiore accuratezza dell’ARM rispetto all’IGRF, l’utilizzo di soli dati di osservatorio si rivela insufficiente, a causa della loro scarsa copertura regionale. I dati della missione Boomerang (misure raccolte da un sensore installato su un pallone stratosferico che ha sorvolato l’Antartide nel gennaio 1999) possono aiutare ad evitare tale inconveniente; purtroppo tale missione è limitata ad una decina di giorni di osservazioni. L’inclusione di un database recentemente compilato dall’Antarctic Digital Magnetic Anomaly Project (ADMAP) partendo da campagne aeromagnetiche e marine, insieme ai dati provenienti dalle missioni dei satelliti ØRSTED e CHAMP, risolverà probabilmente il problema. I diversi tipi di dati disponibili saranno confrontati tra loro e con la versione precedente di ARM2000; alcuni test statistici di confidenza permetteranno di respingere le osservazioni che si allontanano troppo dal comportamento aspettato. Il contributo esterno presente nei dati da satellite sarà eliminato tenendo in considerazione solo i giorni magneticamente calmi e i valori soglia per gli indici di attività magnetica Kp, Dst e AE, ma anche cercando il valore più basso per la componente By del campo magnetico interplanetario. Un altro passo sarà l’inclusione solo di misure prese durante l’inverno australe nell’emisfero notturno per il minore contributo delle correnti magnetosferiche. Le misure rimaste dopo l’applicazione di questa procedura saranno decimate ed equispaziate in modo da ottenere una distribuzione regolare di dati. Se questi metodi si rivelassero troppo selettivi, sarà utilizzata un’altra procedura per ridurre al massimo il contributo esterno, che prende in considerazione alcune caratteristiche comuni delle misure effettuate durante passaggi adiacenti del satellite.
  2. Sviluppo della nuova versione aggiornata di ARM.
    Tutti i dati, nella forma di componenti X, Y, Z e intensità totale F, saranno analizzati secondo il punto di osservazione (coordinate geografiche, elevazione, epoca) con l’Analisi Armonica su Calotta Sferica (SCHA) per la modellazione di dati geomagnetici. Questa tecnica si basa sullo sviluppo del potenziale geomagnetico in armoniche sferiche di ordine intero ma, generalmente, grado non intero. La SCHA sembra fornire i risultati migliori quando il campo geomagnetico viene modellato su un’area limitata della superficie terrestre ed è già stata applicata per generare le versioni preliminari del modello ARM.
  3. Controllo del modello regionale con modelli globali e con sottoinsiemi di osservazioni indipendenti.
    Il modello regionale, sintetizzato in maniera opportuna su una griglia regolare nell’area antartica in epoche differenti, sarà confrontato con i modelli globali esistenti, ad esempio l’IGRF. La definizione dell’ARM sarà particolarmente utile anche per migliorare le prossime generazioni di modelli globali in corrispondenza dell’Antartide.

 


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