Riconoscere i temporali grazie al GPS

Il 13 luglio 2021, poco prima delle 2 del mattino, un temporale insolitamente violento si abbatté su Chi siamo: raffiche ululanti, lampi incessanti e pioggia torrenziale fecero perdere il sonno alla gente. Anche Benedikt Soja, professore di geodesia spaziale, dormì male quella notte. "? 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 evidente il mattino seguente: alberi caduti sulle strade e nei parchi, tetti delle case coperti e linee aeree del tram abbattute in varie zone di Zurigo. Anche rami e interi alberi giacevano a terra intorno all'H?nggerberg. "La tempesta deve essere passata proprio sopra l'ETH", dice Soja.

Fallimenti dei dati GPS

Sul tetto dell'Istituto di geodesia e fotogrammetria del 中国足球彩票 H?nggerberg, una stazione di misurazione registra 24 ore su 24 i segnali di diversi 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", dice Matthias Aichinger-Rosenberger, alumni del gruppo di Soja e ora docente all'ETH di Zurigo. Quando anche altre stazioni di misura hanno segnalato guasti nelle misurazioni dei dati GPS e di altri sistemi di navigazione satellitare quella notte, i ricercatori hanno iniziato ad analizzare i dati grezzi dell'antenna sull'H?nggerberg.

Nello studio, pubblicato sulla rivista pagina esternaLettere di ricerca geofisica I risultati, pubblicati in un articolo dell'Università di Zurigo, hanno dimostrato 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 influenzato il rapporto segnale/rumore. Questo indica quanto sono forti i segnali satellitari che ci raggiungono sulla Terra. Più alto è il rapporto, migliore è la qualità del segnale.

"Normalmente, l'intensità del segnale che misuriamo con la nostra antenna sul tetto cambia solo in minima parte", afferma Aichinger-Rosenberger. Tuttavia, nei due giorni della tempesta le cose sono andate diversamente: "Al momento della tempesta, il rapporto segnale/rumore dei 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 diminuiva. "Ciò ha confermato la nostra ipotesi di una correlazione diretta", afferma Aichinger-Rosenberger.

Pioggia o grandine?

I ricercatori sono certi che le forti precipitazioni siano responsabili dell'improvviso calo 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 i forti temporali o altri eventi meteorologici con forti precipitazioni 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 dell'atmosfera.

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", spiega Soja. Perché 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 utilizzare i risultati dei ricercatori dell'ETH a fini di previsione, è necessario collegarli 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.

Sono necessari 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 sopra la città in modo accurato e molto economico", spiega Soja. "Con una fitta rete di stazioni, sarebbe poi possibile determinare anche dove si sta spostando e a che velocità".

Secondo Soja, questo sistema di rilevamento precoce potrebbe essere utilizzato in futuro per rendere più sicure le operazioni di volo. "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 estendere il loro lavoro di ricerca in tutta la Svizzera e a livello europeo e ampliare 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.