Grandi cambiamenti oceanici: l’Altimetria ci viene in aiuto
Nell’ultimi dieci anni abbiamo assistito, secondo il CNR, ad un eccezionale surriscaldamento della superficie terrestre che ha portato a cambiamenti climatici e biologici su scala oceanica senza precedenti.
Abbiamo incontrato Marcello Passaro, ricercatore presso l’Istituto tedesco di ricerca Geodetica dell’Università tecnica di Monaco di Baviera. Dopo aver conseguito il dottorato di ricerca in Oceanografia, oggi svolge un ruolo chiave nello studio dell’Altimetria facendo da ponte tra la parte più ingegneristica della disciplina, lavorando sul tipo di segnale che i satelliti devono inviare a terra, e la parte che riguarda lo studio della fisica degli oceani, a livello oceanografico.
Marcello, spiegaci meglio di cosa si occupa l’altimetria e perché secondo molti ha rivoluzionato la nostra conoscenza sugli oceani.
Quello di cui si occupa l’altimetria, e il motivo per cui è considerato una parte della geodesia (termine poco usato in Italia, ndr), è per definizione la capacità di misurare l’altezza del mare rispetto al riferimento. Come funziona questa misurazione? Il principio è abbastanza semplice: viene inviato un segnale radar dal satellite in direzione dell’oceano. Questo segnale colpisce la superficie dell’oceano e torna indietro; misurando il tempo che il segnale impiega per essere inviato e tornare indietro, e data la velocità su cui questo segnale viaggia, si può derivare lo spazio, cioè la distanza tra il satellite e la superficie del mare. Ora, siccome del satellite conosciamo anche l’orbita, se sottraiamo all’orbita questa distanza che ci siamo calcolati, quello che rimane è l’altezza del mare. Sono due i motivi principali per cui l’altimetria è stata fondamentale nell’era dei satelliti, parliamo degli inizi degli anni ’90, per l’Oceanografia: il primo è che la differenza dell’altezza del mare, tra le varie parti degli oceani, è un segnale per misurare le correnti marine. Dunque, per la prima volta grazie all’Altimetria si è riusciti a derivare una mappa completa della circolazione delle grandi correnti degli oceani. Mentre, il secondo motivo è che le misurazioni dell’altezza del mare hanno portato ad una migliore conoscenza di quello che sta accadendo circa il problema dell’innalzamento del livello dei mari.
Questo si misura non solamente con i satelliti, perché è possibile misurarlo benissimo anche a costa con delle misurazioni locali. Ma attraverso l’Altimetria abbiamo capito che questo innalzamento del livello mari non è la stessa dappertutto, ma dipendendo dalle grandi correnti marine, si manifesta in maniera diversa a seconda dei posti in cui ci troviamo. L’esempio più classico, e particolare, che si è rilevato è che una delle cause principali dell’innalzamento dei mari è che stiamo mettendo più acqua dentro l’oceano, perché l’acqua dei ghiacciai si sta sciogliendo e va finire nell’oceano. Questo si può notare in Groenlandia, dove ci sono delle grosse masse di ghiacciai che si stanno sciogliendo, ma paradossalmente il livello del mare intorno alla costa della Groenlandia, invece di innalzarsi sta scendendo, perché la massa dei ghiacciai aveva un effetto di attrazione di gravità rispetto alla massa di acqua dell’oceano.
Oggi venendo a mancare la massa dei ghiacciai, viene a mancare anche questa attrazione per cui in realtà, l’acqua vicino alla costa della Groenlandia, se la vogliamo mettere così, si sposta. Non è più attratta verso la Groenlandia stessa. In definitiva, quando si guarda una mappa dell’innalzamento dei livelli del mare negli ultimi trent’anni, se si fa uno zoom vicino alla Groenlandia, si può vedere che in realtà il mare delle sue coste è sceso anziché innalzarsi. Grazie all’Altimetria si è capito appunto che si tratta di un problema globale ma che si ripercuote in varie regioni del mare in maniera differente a seconda delle correnti o venti principali.
Che cosa è cambiato, secondo te, in questi anni nello studio degli oceani? Quali risultati abbiamo oggi? Cosa ci racconta il mare?
Quello che è fortemente cambiato in tutti questi anni nello studio degli oceani è la quantità enorme di dati che ormai abbiamo a disposizione. C’è questo passaggio da una serie di missioni scientifiche esplorative, in cui tra l’altro l’Ente Spaziale Europeo è sempre stata in prima fila, nei primi anni 90, in cui vi erano una o due missioni di Altimetria in contemporanea, fino ad arrivare ad oggi con 10 o 12 satelliti in contemporanea che registrano lo stesso tipo di dati. E questo non è vero solo per l’Altimetria, quindi livello del mare e misurazione delle onde. E questa massa di dati è disponibile a tutti attraverso dei servizi che sono molto ben gestiti dalla comunità scientifica insieme alla Comunità Europea. Spesso, non si hanno nemmeno le risorse giuste per poter esplorare tutto quello che la massa di dati ci può raccontare. Per questo motivo nel nostro campo si fa sempre più ricorso ad algoritmi che possono svelarci delle verità che non riusciremmo altrimenti a distinguere basandoci solamente sulla nostra conoscenza fisica degli oceani, quindi parliamo di machine learning, Intelligenza artificiale e quant’altro.
Nel ‘900 uno degli oceanografi più influenti, Walter Munk, diceva che le decadi della seconda metà del Novecento verranno ricordate, nell’ambito dell’Oceanografia, come decadi di “undersampling”, in altre parole, avevamo le capacità di capire tanto a livello di fisica degli oceani ma potevamo basare le nostre informazioni solo su pochi dati, e spesso anche con grandi differenze a seconda delle regioni. Oggi, invece, siamo già in un’era in cui questi dati sono a disposizione ovunque, e grazie a questi dati i nostri modelli diventano sempre più precisi, le nostre previsioni per quello che puo’ accadere tra qualche decade diventano sempre più verificabili, aggiustando quello che i modelli predicono. Quello che ci raccontano questi modelli è lo stato di salute di un oceano in grande cambiamento, in cui non abbiamo nemmeno il tempo di capire quello che funziona, lo stato medio delle cose dell’oceano, che questo stato medio cambia rapidamente e ogni anno, rompendo tutti i record precedenti a causa del cambio climatico.
Quando io ho iniziato, non tantissimo tempo fa, in fondo si parlava di una crescita lineare del livello del mare, a livello medio globale, adesso è stato già provato che questa crescita è in accelerazione. Quindi il livello del mare cresce sempre di più con un ritmo sempre più alto ogni anno. Per non parlare delle osservazioni che abbiamo rilevato sul ghiaccio del mare che si va restringendo sempre di più, aprendo totalmente nuovi problemi per l’Oceanografia. Basta pensare che nel Mare Artico, fino a poco tempo fa, non c’era un grosso bisogno di preoccuparsi di onde e venti perché’ non c’era contatto tra la superficie del mare e il vento, dato che vi era la presenza di uno strato di mare ghiacciato in superficie. Adesso non è più così, per via dello scioglimento dei ghiacciai, per lo meno durante la stagione estiva.
Sappiamo che l’altimetria è un’applicazione nata con l’era spaziale dando un importante contributo agli studi di settore. Cosa fa in sostanza un altimetro radar, quali informazioni è in grado di fornirci?
Quello che forse possiamo aggiungere al riguardo è che queste misurazioni venivano effettuate fino ad oggi lungo una traccia; bisogna immaginarsi questo satellite che “vola”, (anche se sappiamo bene che i satelliti sono in orbita ndr.), sulla superficie del mare e raccoglie delle informazioni che sono quasi puntuali, lungo tutta la sua traccia. Questi dati poi vengono messi insieme, grazie a questa rete di altimetri che ci girano intorno, e vengono create poi delle mappe informative. I tipi di informazioni che sono in grado di fornirci, abbiamo detto, dunque, sono quelli del livello de mare e le grandi correnti marine.
Un’altra informazione che ci dà l’Altimetria è la cosiddetta “altezza di onda significativa”, che significa in sostanza l’altezza massima delle onde che il satellite è in grado di vedere nell’area che sta illuminando; questo ci porta ad elaborare mappe di livello del mare, delle grandi correnti marine ma anche mappe dell’altezza di questa onda. In realtà, non è solo l’altimetro che misura le onde; per adesso l’altimetro può solo osservare la misura media dell’altezza delle onde significative, ma non ci può dire, ad esempio, la direzione di queste onde. Quindi, l’altimetro va spesso combinato con altri tipi di satelliti.
Mi viene spontaneo chiedere a questo punto, se lo studio del livello del mare può aiutarci anche a valutare, o prevedere, lo stato di salute degli oceani al di sotto della loro superficie.
Questa è una bella domanda. Forse diverse persone lo spiegherebbero in maniera diversa. Diciamo che l’Altimetria può farlo molto di più che altri tipi di misurazioni dell’oceano fatte dai satelliti, come ad esempio la temperatura, che è chiaramente una misurazione di superficie, oppure il contenuto di clorofilla. Cosa vuol dire che l’Altimetria riesce a vedere sotto la superfice del mare? Vuol dire che, quando abbiamo l’informazione, ad esempio, dell’innalzamento del livello del mare in una particolare regione, o a livello globale, questa informazione ovviamente non riguarda solo la superficie che si innalza, ma le ragioni di questo innalzamento possono essere principalmente due, e hanno a che fare proprio con l’interno dell’oceano. Il primo motivo è che vengono coinvolti altri fattori come la temperatura, non solo superficiale, dell’intera colonna d’acqua, che sale o scende.
Quando la temperatura sale, come per ogni altro liquido, il liquido si espande e quindi sale il livello del mare e questo riflette un innalzamento della temperatura, che non deve essere necessariamente relativo ai primi metri, ma riguarda tutta la colonna d’acqua. Il secondo grande motivo è la nuova massa di acqua che si aggiunge agli oceani derivata dallo scioglimento dei ghiacciai. Anche questa massa d’acqua coinvolge tutta la colonna d’acqua, non solo la superficie. Quindi in questo senso sì, si può dire che l’Altimetria ci svela anche i fenomeni che accadono nell’oceano lungo tutta la colonna d’acqua. L’altra ragione, non proprio diretta, è che, a grandi scale, la differenza di altezza del mare tra posizioni diverse dell’oceano ci svela le dinamiche della grande circolazione, la cosiddetta circolazione geostrofica. Questo tipo di circolazione non riguarda le correnti che si trovano sulla superficie ma sono grandi masse di acqua che si estendono per centinaia di metri sotto il livello del mare.
Qual è, secondo te, il più grande successo dell’altimetria radar? E che ruolo può avere nel cambiamento climatico?
Il più grande successo dell’altimetria radar? Non saprei. Concentriamoci invece su quanto può essere d’aiuto soprattutto nel presente. Intanto, a me piace pensare in generale all’osservazione dei satelliti alle variabili della terra come a un qualcosa di egalitario, nel senso che tutti questi dati vengano messi a disposizione in tutto il mondo per tutti, e questo vuol dire riuscire fornire informazioni sempre più precise, sempre più a livello regionale e locale, anche in luoghi del mondo fortemente popolati, molto più che l’Europa o gli Stati Uniti, che però non hanno mai avuto accesso a tecnologie locali a lungo termine, per poter studiare questi fenomeni relativi all’Oceano.
Dunque, c’è sicuramente un interesse scientifico che porta a capire meglio i fenomeni che avvengono nell’Oceano, ma c’è dall’altra parte anche un interesse pratico, più operativo, rispetto a quello che possiamo fare per adattarci a questi cambiamenti e capirli anche meglio. E sicuramente in questo l’Altimetria ci aiuta molto; basti pensare a questo prodotto…chiamiamolo “Lato B”, dei satelliti altimetrici, che è rappresentato dall’altezza d’onda significativa e che viene fornito, ora per ora, giornalmente, agli Istituti che producono previsioni di onda utili in caso di grosse tempeste, ma anche per aiutare la navigazione. Stessa cosa quando pensiamo ai modelli che devono predire come cambierà l’altezza del livello del mare nei prossimi decenni, che ormai posso essere sempre più verificati dai dati che stiamo raccogliendo.
