Stratificazioni del ghiaccio.
Fig.1: Stratificazioni interne del ghiaccio nei primi 70 m
Le riflessioni degli strati interni della calotta glaciale hanno svolto un ruolo molto importante nell'esplorazione glaciologica. Da quando sono state raccolte le prime osservazioni RES, sui radar-grammi è apparso un gran numero di riflessioni nell'intervallo tra la superficie e il letto roccioso (bedrock). Di solito mostrano una grande variazione di riflettività, un'elevata correlazione con le principali morfologie del substrato roccioso e una minore evidenza verso la superficie (fig. 1) dove si perdono completamente le conformazioni del bedrock . Sono state identificate molte fonti per queste riflessioni interne: polvere vulcanica, variazione di acidità, cambiamenti nella dimensione o nella forma delle bolle d'aria all'interno del ghiaccio, variazione nell'orientamento e nella densità dei cristalli di ghiaccio, paleo superfici (come croste diverse dalle stratificazioni contigue), strati di acqua liquida, ecc. Questi strati sono importanti perché si presume che la loro continuità rappresenti uno strato che si è deposto nella stessa epoca di tempo, cioè isocrono. L’integrità delle stratificazioni consente si seguire l’epoca e talvolta anche l’anno della loro formazione. Ad esempio eventi eruttivi notevoli che hanno scagliato in atmosfera quantità enormi di polvere che poi si ritrova depositata in uno strato costituisce un segnale “marker” temporale collocabile in una precisa data, come l’eruzione del Vesuvio o di Tambora. In altre parole si presume che i tempi di arrivo delle riflessioni interne più evidenti nel radar-gramma rappresentino una stratificazione prodotta da evento specifico, che tali strati producano riflessioni radar più intense e siano isocroni (Vaughan et al. 1999). Di conseguenza, le variazioni dello spessore della neve tra questi strati di riferimento forniscono informazioni sulla variabilità dell'accumulo di neve.
Questo tipo di informazioni è importante in molte questioni glaciologiche e paleoclimatiche, come ad esempio la valutazione di un luogo di perforazione del ghiaccio. Poiché nei siti dove l'accumulo di neve è minore, i depositi sono più vecchi e l’integrità delle stratificazioni è garanzia che il flusso glaciale non ha disturbato le sequenze isocrone. In questo contesto, le indagini RES e GPR sono state utilizzate per indagare la stessa area a risoluzioni di scala diverse. RES viene utilizzato principalmente per fornire informazioni sulla distribuzione dello strato principale su grandi distanze e profondità, trascurando i dettagli di piccola scala poco profondi (come la ridistribuzione guidata dal vento). Al contrario, il GPR è principalmente utilizzato per analizzare il problema dell'interazione ghiaccio-atmosfera nelle ridistribuzioni della neve superficiale (aree megadunali, erosione e accumulo determinati dalla morfologia superficiale e direzione prevalente del vento lungo la direzione di massima pendenza). In figura 4 è riportato un radar-gramma GPR (frequenza antenna 200 MHz, profondità indagata 70 m). Mostra una variazione molto elevata nell'accumulo di neve su distanze relativamente brevi a causa dell'interazione ghiaccio-atmosfera.
Profondita del ghiaccio
Fig.1: Punto di maggiore spessore di ghiaccio in Antartide
Fig.2: Stratificazioni del ghiaccio e punto di perfiorazione a Talos Dome
Fin dal primo utilizzo di un sistema RES nelle indagini sulla calotta glaciale per la stima dello spessore del ghiaccio, le misure sono state ripetute e verificate con altre tecniche d'indagine come le misure sismiche e gravitazionali. Un sistema RES è in grado di ottenere una riflessione del segnale trasmesso o eco, dalla superficie del ghiaccio e dall'interfaccia ghiaccio-fondo roccioso. Calcolando la differenza di tempo tra i due echi, è possibile stimare lo spessore del ghiaccio con un alto grado di precisione, conoscendo la velocita' di propagazione del segnale nel ghiaccio. L'elevazione del substrato roccioso può quindi essere ottenuta aggiungendo l'elevazione della superficie del ghiaccio (ottenuta dalle misurazioni satellitari radar EARS1 e altri modelli di elevazione digitale disponibili) allo spessore del ghiaccio.
La misurazione dello spessore del ghiaccio è l'applicazione più diffusa dei sistemi radar (fig.1). La maggior parte di questi dati radar sono stati raccolti, in differenti aree d'indagine, dalla National Science Foundation NSF degli Stati Uniti, dallo Scott Polar Research Institute, Regno Unito (SPRI), dal British Antarctic Survey, dall'Alfred Wegener Institute, Germania, dall'Università tecnica della Danimarca (TUD) e, negli ultimi anni, dall'italiano Programma Nazionale di Ricerche in Antartide (PNRA).Le misurazioni RES sono state ampiamente utilizzate per studiare la linea di terra (il punto in cui il ghiaccio continentale, che scorre verso il mare aperto, inizia a galleggiare) di molti ghiacciai antartici di sbocco. Dalla forma di questa porta di sbocco del ghiacciaio, con la misura della velocità del ghiaccio, è possibile stimare il flusso, ossia la quantità di ghiaccio che si riversa in mare al secondo. Questa stima su tutti i ghiacciai di una zona della calotta, gioca un ruolo importante nel calcolo del bilancio di massa totale della calotta glaciale antartica, un importante indice dei cambiamenti climatici.
Un'altra importate e indispensabile applicazione delle misure RES è la selezione del sito di perforazione delle carote di ghiaccio. Negli ultimi anni, il carotaggio del ghiaccio nelle aree più spesse delle calotte glaciali ha consentito la ricostruzione di circa 1 milione di anni della storia climatica del nostro pianeta (progetto EPICA presso Concordia Station). Dalle carote di ghiaccio è possibile analizzare il contenuto di aria intrappolato nel ghiaccio di centinaia di migliaia di anni fa. Questa analisi ha rivelato chiaramente come le attività umane abbiano aumentato la quantità di gas serra negli anni e come questo abbia influenzato il clima recente. Le Informazioni precise dei sistemi RES sulla profondità del substrato roccioso, sulla topografia e sul comportamento della stratificazione interna sono importanti quanto la topografia della superficie e la velocità del flusso di ghiaccio nella scelta del miglior punto di perforazione (fig. 2).
Molte di queste indagini sono state organizzate dal gruppo di radar glaciologia italiano nelle varie campagne di misure in Italia e in Antartide al'interno di differenti progetti di ricerca.
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Tecniche di misura
Fig.1: Percorso della radiazione elettromagnetica trasmessa dal RADAR
Fig.2: Correlazione tra la traccia radar (sulla destra) e il radargramma (sulla sinistra)
Tecnologia RADAR applicata alla glaciologia.
La prima indicazione che i segnali radio ad alta frequenza possono penetrare la neve e il ghiaccio, è stata osservata alla base dell'ammiraglio Byrd, Little America (Antartide) nel 1933. I piloti hanno riferito che gli altimetri radar misuravano valori errati sul ghiaccio e l'esercito americano avviò un'indagine che scoprì che il ghiaccio e la neve sono trasparenti alla radiazione elettromagnetica della banda VHF e UHF (vedi fig. 1). Successivamente nel 1957 Waite e Schmidt dimostrarono che un altimetro radar poteva essere utilizzato per misurare lo spessore dei ghiacciai polari (Waite e Schmidt, 1961). Nel 1963 presso lo Scott Polar Research Institute (SPRI) dell'Università di Cambridge fu sviluppato il primo sistema radar VHF specifico per radio sondaggi e in seguito varie istituzioni scientifiche eseguirono misurazioni in Artide e Antartide con questa tecnica tuttora in uso.
I primi sistemi di sondaggi RES implementarono radar a inviluppo con impulsi brevi operanti da 30 MHZ a 150 MHz e furono utilizzati in Groenlandia e in Antartide. La traccia radar acquisita era visualizzata su un oscilloscopio. La traccia radar ricevuta rappresentata a destra della fig. 2 è ancora denominata "O-scope" da "oscilloscopio" mentre il radargramma a sinistra è una mappa a colori dell'ampiezza della traccia. Il sistema di registrazione era costituito da una telecamera da 35 mm a motore con velocità della pellicola regolabile, sincronizzata con la velocità dell'aereo. La determinazione della posizione era ottenuta inizialmente mediante l'osservazione di punti di riferimento riconoscibili da parte dell'operatore del sistema e successivamente dai sistemi di navigazione inerziale che utilizzano dispositivi di rilevamento del movimento.
I miglioramenti tecnologici hanno reso questi sistemi RES molto più potenti. Oggi l'acquisizione digitale delle tracce radar consente di registrare un numero maggiore di tracce, in veloci dispositivi di archiviazione di massa digitali, consentendo indagini su vaste aree con una migliore risoluzione orizzontale. L'elaborazione numerica delle tracce acquisite migliora significativamente la dinamica e il rapporto tra segnale e rumore. Inoltre, le misurazioni GPS differenziali consentono di determinare con precisione la posizione geografica delle tracce acquisite, riducendo le incertezze a ±5 m e ±10 cm in post-elaborazione.
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