Un team di scienziati dell'Università La Sapienza di Roma, Italia, e il Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California, ha sviluppato un nuovo approccio per assistere nello sviluppo continuo di sistemi tempestivi di rilevamento degli tsunami, basato su misurazioni di come gli tsunami disturbano una parte dell'atmosfera terrestre.

Il nuovo approccio, chiamato approccio variometrico per l'osservazione della ionosfera in tempo reale, o VARIO, utilizza le osservazioni del GPS e di altri sistemi globali di navigazione satellitare (GNSS) per rilevare, in tempo reale, disturbi nella ionosfera terrestre associati a uno tsunami. La ionosfera è lo strato dell'atmosfera terrestre situato da circa 50 a 621 miglia (da 80 a 1, 000 chilometri) sopra la superficie terrestre. È ionizzato dalla radiazione solare e cosmica ed è meglio conosciuto per l'aurora boreale (aurora boreale) e l'aurora australis (aurora boreale).

Quando uno tsunami si forma e si muove attraverso l'oceano, le creste e gli avvallamenti delle sue onde comprimono ed estendono l'aria sopra di loro, creando movimenti nell'atmosfera noti come onde gravitazionali interne. Le ondulazioni delle onde gravitazionali interne vengono amplificate mentre viaggiano verso l'alto in un'atmosfera che diventa più sottile con l'altitudine. Quando le onde raggiungono un'altitudine compresa tra 186 e 217 miglia (da 300 a 350 chilometri), causano cambiamenti rilevabili nella densità degli elettroni nella ionosfera. Questi cambiamenti possono essere misurati quando i segnali GNSS, come quelli del GPS, viaggiare attraverso questi disturbi indotti dallo tsunami.

VAION è stato progettato sotto la guida di Mattia Crespi della Sapienza. L'autore principale dell'algoritmo è Giorgio Savastano, un dottorando in geodesia e geomatica alla Sapienza e un dipendente affiliato al JPL, che ha condotto un ulteriore sviluppo e convalida dell'algoritmo. Il lavoro è stato delineato di recente in uno studio finanziato dalla Sapienza e dalla NASA pubblicato su Nature's Rapporti scientifici rivista.

Nel 2015, Savastano ha ricevuto una borsa di studio dal Consiglio Nazionale degli Ingegneri (CNI) e dalla Italian Scientists and Scholars in North America Foundation (ISSNAP) per uno stage di due mesi presso JPL, dove è entrato a far parte del Gruppo di Telerilevamento Ionosferico e Atmosferico sotto la supervisione di Attila Komjathy e Anthony Mannucci.

"VARION è un nuovo contributo ai futuri sistemi operativi integrati di allarme rapido per gli tsunami, ", ha affermato Savastano. "Stiamo attualmente incorporando l'algoritmo nel sistema GPS differenziale globale di JPL, che fornirà l'accesso in tempo reale ai dati da circa 230 stazioni GNSS in tutto il mondo che raccolgono dati da più costellazioni di satelliti, compreso il GPS, Galilei, GLONASS e BeiDou." Poiché gli tsunami significativi sono rari, l'esercizio di VAION utilizzando una varietà di dati in tempo reale aiuterà a convalidare l'algoritmo e a far progredire la ricerca su questo approccio di rilevamento dello tsunami.

Savastano afferma che VAION può essere incluso negli studi di progettazione per sistemi tempestivi di rilevamento degli tsunami che utilizzano dati provenienti da una varietà di fonti, compresi i sismometri, boe, Ricevitori GNSS e sensori di pressione del fondo oceanico.

Quando viene rilevato un terremoto in un luogo specifico, un sistema potrebbe iniziare a elaborare misurazioni in tempo reale della distribuzione degli elettroni nella ionosfera da più stazioni di terra situate vicino all'epicentro del terremoto, ricerca di cambiamenti che possano essere correlati con la prevista formazione di uno tsunami. Le misurazioni sarebbero raccolte ed elaborate da una struttura centrale di elaborazione per fornire valutazioni del rischio e mappe per singoli eventi sismici. Si prevede che l'uso di più tipi di dati indipendenti contribuisca alla robustezza del sistema.

"Ci aspettiamo di mostrare che è possibile utilizzare misurazioni ionosferiche per rilevare gli tsunami prima che colpiscano le aree popolate, " ha detto Komjathy. "Questo approccio aggiungerà ulteriori informazioni ai sistemi esistenti, complementare ad altri approcci. Altri pericoli possono anche essere presi di mira utilizzando osservazioni ionosferiche in tempo reale, comprese eruzioni vulcaniche o meteoriti".

Osservando la ionosfera, e come il tempo terrestre sotto di esso si interfaccia con lo spazio sopra, continua ad essere un obiettivo importante per la NASA. Il lancio di due nuove missioni, Ionospheric Connection Explorer e Global-scale Observations of the Limb and Disk, è previsto per l'inizio del 2018 per osservare la ionosfera, che dovrebbe in definitiva migliorare una vasta gamma di modelli utilizzati per proteggere gli esseri umani a terra e i satelliti nello spazio.