Benedikt Soja, professore di geodesia spaziale, quella notte ha dormito poco. "È stata una delle tempeste più violente a cui abbia mai assistito. Mi sono svegliato nel cuore della notte e ho potuto vedere la tempesta infuriare attraverso la finestra", ricorda.

La portata della tempesta era evidente il mattino successivo:alberi caduti sulle strade e nei parchi, tetti danneggiati e linee tranviarie abbattute in varie parti di Zurigo. Anche il terreno intorno al campus dell'Hönggerberg era cosparso di rami e persino di interi alberi. "La tempesta deve essere passata proprio su ETH", dice Soja.

Interruzioni dei dati GPS

Una stazione GPS sul tetto dell'Istituto di geodesia e fotogrammetria nel campus di Hönggerberg registra 24 ore su 24 i segnali di diversi sistemi satellitari. Esaminando più nel dettaglio i dati della notte del temporale, Soja e i suoi colleghi dell'Istituto non potevano credere ai loro occhi.

"Si sono verificate interruzioni nell'elaborazione dei dati GPS. All'inizio non siamo riusciti a capire cosa le avesse causate", spiega Matthias Aichinger-Rosenberger, ex postdoc del gruppo di Soja e ora docente al Politecnico federale di Zurigo. Quando anche altre stazioni hanno segnalato interruzioni nella misurazione dei dati provenienti dal GPS e da altri sistemi di navigazione satellitare per quella notte, i ricercatori hanno iniziato ad analizzare i dati grezzi dell'antenna del campus di Hönggerberg.

Lo hanno potuto dimostrare in uno studio, pubblicato sulla rivista Geophysical Research Letters , che gli eventi meteorologici estremi influenzano la qualità dei segnali GPS e che questi segnali sono quindi adatti anche per rilevare i temporali. Un giorno potrebbero essere utilizzati anche per il rilevamento precoce e la previsione dei temporali.

Il rapporto segnale/rumore è diminuito

Gli scienziati hanno tratto le loro conclusioni dall'analisi dei dati della tempesta del 13 luglio e di un'altra tempesta dell'estate 2021. È risultato evidente che gli eventi meteorologici estremi hanno avuto un impatto sul rapporto segnale-rumore, il che indica come forti sono i segnali satellitari che ci raggiungono sulla Terra. Maggiore è il rapporto, migliore è la qualità del segnale.

"L'intensità del segnale che misuriamo con la nostra antenna sul tetto normalmente cambia solo in minima parte", afferma Aichinger-Rosenberger. Tuttavia, questo non è stato il caso nei due giorni di tempesta:"Il rapporto segnale-rumore nei dati GPS è diminuito notevolmente al momento della tempesta. Abbiamo visto che una volta che la tempesta si è allontanata, è tornata alla sua normalità". intervallo."

Per determinare l'ora esatta dell'arrivo della tempesta e verificare se corrispondeva all'ora in cui il rapporto segnale-rumore era diminuito, i ricercatori hanno confrontato i loro dati con i dati radar dell'Università di Berna.

"Ciò ha confermato il nostro sospetto che ci fosse un collegamento diretto", ha detto Aichinger-Rosenberger.

Ha piovuto forte o ha grandinato?

I ricercatori sono certi che le forti precipitazioni siano responsabili dell'improvviso calo del rapporto segnale-rumore. Ciò che non è chiaro è quale tipo di precipitazione, pioggia o grandine, abbia un impatto maggiore e perché. Questo è qualcosa che gli scienziati desiderano imparare in futuro.

Per quanto semplice possa sembrare il risultato dello studio, si tratta di una svolta per la ricerca sulla geodesia spaziale.

"Non è mai stato dimostrato che forti temporali e altri eventi meteorologici con forti precipitazioni influenzino in modo significativo il rapporto segnale-rumore", afferma Aichinger-Rosenberger. Finora si è ipotizzato che il GPS fosse un sistema indipendente dalle condizioni atmosferiche. Ora sembra che i dati GPS siano abbastanza sensibili da catturare tali disturbi atmosferici.

Prevedere le precipitazioni in modo più affidabile

Questi risultati potrebbero aprire nuove prospettive per l'uso dei dati di navigazione satellitare in meteorologia.

"Ora desideriamo raccogliere più misurazioni per migliorare la previsione delle precipitazioni nei modelli meteorologici", afferma Soja. La previsione affidabile delle precipitazioni rimane ancora una sfida importante. "Molti altri parametri meteorologici, come ad esempio la temperatura, oggi possono essere predeterminati abbastanza bene con i modelli meteorologici numerici. Purtroppo, però, questi modelli spesso non sono abbastanza buoni in caso di precipitazioni."

Per poter un giorno utilizzare le scoperte dei ricercatori dell'ETH per fare previsioni, è necessario metterle in relazione con un modello meteorologico.

"Per trasferire le nostre osservazioni a parametri specifici come il contenuto di acqua e ghiaccio nell'aria o la direzione del movimento della tempesta, dobbiamo raccogliere e analizzare ulteriori dati. Questi risultati potrebbero poi essere incorporati in un modello meteorologico computerizzato in per migliorare la previsione delle precipitazioni", spiega Aichinger-Rosenberger.

Sono necessari più ricevitori per il rilevamento precoce

Per essere rilevati, i temporali devono ancora passare direttamente sopra la stazione di misurazione dei segnali GPS. Poiché la rete delle stazioni di misurazione non è sufficientemente fitta, il metodo non è ancora adatto per il rilevamento tempestivo dei temporali.

"Se ad esempio avessimo dai trenta ai quaranta ricevitori fissi intorno a Zurigo, potremmo catturare eventi meteorologici estremi in tutta la città in modo preciso ed economico", spiega Soja. "Una fitta rete di stazioni potrebbe essere utilizzata anche per determinare dove si stanno dirigendo le tempeste e quanto velocemente."

Un simile sistema di rilevamento tempestivo potrebbe in futuro essere utilizzato, ad esempio, per garantire un traffico aereo sicuro, afferma Soja:"Una fitta rete di stazioni GPS attorno all'aeroporto consentirebbe di localizzare una tempesta in tempo reale e di emettere avvisi in merito. effetto."

Oltre ad affinare il metodo, gli scienziati intendono anche espandere il loro lavoro di ricerca in tutta la Svizzera e a livello europeo, per ampliare di conseguenza la loro rete. Sebbene la forte tempesta del luglio 2021 abbia causato molti danni a livello locale, ha anche consentito di acquisire conoscenze che un giorno potrebbero essere applicate a livello globale.

Geodesia spaziale

La geodesia spaziale è un campo della geodesia che affronta la misurazione e la mappatura di vaste aree, in particolare della terra, utilizzando la tecnologia spaziale. L'obiettivo principale della geodesia spaziale è ottenere informazioni precise sulla forma, le dimensioni e il movimento della terra.

Il GPS è una componente decisiva della geodesia spaziale. I satelliti GPS possono essere utilizzati per determinare la posizione dell'utente sulla terra con un elevato livello di precisione. Viene utilizzato in molte applicazioni come navigazione, rilevamento e sistemi di informazione geografica.