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Tomografia Ionosferica


La tomografia è una tecnica matematica utilizzata per la ricostruzione bidimensionale di immagini ed è nota soprattutto per la ricostruzione delle immagini del corpo umano a partire da misure effettuate ai raggi X. I primi tentativi di applicazione della tomografia alla riproduzione della ionosfera terrestre risalgono alla metà degli anni ’80. L’idea era quella di determinare la distribuzione di concentrazione di elettroni liberi a partire da segnali satellitari. Solo negli anni ’90, tuttavia, l’avvento della costellazione GPS, che, attraverso le misure del ritardo di fase e di pseudorange dei segnali, fornisce informazioni sulla stima del contenuto elettronico totale (TEC) lungo tutte le congiungenti ricevitore-satellite (Fig.1), ha permesso di ottenere risultati soddisfacenti.

Figura 1 Ricostruzione schematica della geometria orbitale dei satelliti GPS che permettono di ricavare dal loro segnale il contenuto elettronico totale (TEC) lungo la congiungente satellite-ricevitore

I satelliti GPS vengono monitorati da una rete di ricevitori a doppia frequenza (L1:1,5 GHz, L2:1,1 GHz), in grado di registrare la fase e il tempo di ritardo di ogni segnale disponibile. La rete internazionale IGS (International GPS Service) raccoglie dati da ogni parte del mondo e fornisce accesso a diverse informazioni, tra le quali quelle relative al ritardo ionosferico. Tuttavia, le misure presentano una distribuzione spazio-temporale piuttosto eterogenea, lasciando scoperte alcune parti del nostro pianeta come gli oceani o l’Antartide. Altro punto critico della tomografia ionosferica è costituito dalla necessità di passare da immagini bidimensionali ad immagini tridimensionali. L’INGV collabora da diversi anni con l’Università di Bath (Gran Bretagna) per l’utilizzo e lo sviluppo di una tecnica di tomografia chiamata MIDAS (Multi-Instrument Data Analysis System). MIDAS è in grado di ricostruire la ionosfera in quattro dimensioni (tre dimensioni spaziali più il tempo), permettendo di seguire l’evoluzione temporale del plasma ionosferico fino a tempi di scala dell’ordine del minuto.

La tecnica MIDAS è stata applicata con successo per la realizzazione del prototipo MIRTO (Mediterranean Ionosphere with Real-time TOmography), un progetto finanziato dal MIUR che vede la collaborazione dell’INGV con l’Università di Bath e l’Istituto di Fisica Applicata “Nello Carrara” del CNR di Firenze. Lo scopo del progetto è lo sviluppo di un prototipo per la ricostruzione in tempo reale della ionosfera sull’area italiana e mediterranea. Il nodo cruciale di qualsiasi problema di inversione e quello di poter ridurre un sistema di equazioni che ammette un numero infinito di soluzioni ad un numero finito. Per farlo si adottano opportune tecniche matematiche e si utilizzano il maggior numero di informazioni possibili sul mezzo che si vuole ricostruire. MIDAS riduce il problema di inversione ad un numero finito di equazioni mediante un sistema di funzioni ortogonali noto come “Empirical Orthogonal Functions” (EOF) ed è realizzato per assimilare diversi tipi di dati: dalle misure di frequenza di plasma e di altezza virtuale dei vari strati ionosferici (tipicamente fornite dai radiosondaggi verticali), alle misure dei ricevitori GPS, alle misure fornite dai satelliti LEO (Low Earth Orbit), ecc. Questa estrema flessibilità si rivela cruciale sia in zone che presentano una buona copertura delle misure, quali quella mediterranea in cui l’INGV opera con diversi tipi di strumentazione e nella quale la disponibilità dei dati della rete IGS è particolarmente ricca, sia in regioni remote e poco coperte quali l’Antartide, in cui, viceversa, la possibilità di utilizzo di ogni informazione disponibile diventa fondamentale per la risoluzione del problema.

MIRTO fornisce mappe e animazioni dell’andamento della densità elettronica sull’area mediterranea in tempo reale (Fig.2), fornendo informazioni che hanno diverse ricadute scientifiche ed applicative. MIRTO, infatti, contribuisce alla conoscenza del plasma ionosferico in condizioni magnetiche quiete e disturbate, fornendo indicazioni utili alla formulazione di modelli di previsione di interesse per la meteorologia spaziale. MIRTO, inoltre, è un valido strumento di monitoraggio elettromagnetico dell’area mediterranea e, potrebbe quindi essere anche utilizzato per verificare l’esistenza di eventi ionosferici concomitanti ad eventi sismici.

Figura 2 Mappa di TEC prodotta da MIRTO per il giorno 22 Febbraio 2006 alle ore 13:01 UT, il codice di colori si riferisce a unità TEC (TECU=1016 elettroni/m2). Per realizzare la mappa di TEC sono stati utilizzati i segnali GPS di tutti i satelliti in vista nel periodo considerato (tracce rosse a sinistra)

La tecnica MIDAS è stata recentemente applicata per produrre, per la prima volta, una immagine tomografica della ionosfera antartica (Fig.3). Questo primo tentativo è frutto di una collaborazione tra le comunità di geodesia e di fisica dell’alta atmosfera che gestiscono ricevitori GPS in Antartide, che è stata recentemente approvata e finanziata dallo SCAR (Scientific Committee for Antarctic Research), nell’ambito del progetto UAMPY (Upper Atmosphere Monitoring for the international Polar Year).

Figura 3 Ricostruzione del TEC prodotta dalla tecnica MIDAS sull’emisfero sud

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