Osservazioni in alta atmosfera e meteorologia spaziale - Upper Atmosphere Observations and Space Weather

Le attività dell’Osservatorio hanno l’obiettivo di proseguire nel supporto alla comunità scientifica di meteorologia spaziale (space weather) e nell’avanzamento della comprensione dei processi fisici interessati. La ionosfera polare, infatti, contiene informazioni sui processi che hanno origine nello spazio interplanetario. Fenomeni perturbativi dovuti a eventi solari hanno un’alta percentuale di occorrenza anche durante periodi di minimo dell’attività solare e possono propagarsi fino alle medie latitudini disturbando sistemi tecnologici utili alla vita umana. Ad oggi esistono molti sistemi per investigare la ionosfera. Tra tutti, l’uso di misure GNSS ad alta frequenza di campionamento (50 Hz) permette di descrivere l’evoluzione temporale dei fenomeni che interessano il plasma ionosferico in regioni ristrette. I dati di questo tipo si sono rivelati molto utili, con appropriate tecniche di analisi, per prevedere e mitigare i disturbi ionosferici sul segnale GNSS per il posizionamento. Il crescente numero di satelliti Galileo in orbita ha dato la possibilità di incrementare le capacità di monitoraggio sulle regioni polari. Questo è stato cruciale date le crescenti esigenze di sviluppare servizi di meteorologia spaziale ad hoc per l’assistenza alle operazioni basate su GNSS ad alta latitudine.

Gli obiettivi specifici del progetto sono in accordo con quelli dettati dall’ “Expert group” dello SCAR denominato GRAPE. In particolare, sono stati:
O.1 Monitoraggio dell’alta atmosfera polare in Antartide (MZS);
O.2 Studio della climatologia e della dinamica delle scintillazioni ionosferiche in zone polari;
O.3 Sviluppo di algoritmi e strumenti di previsione dei parametri ionosferici ad alta latitudine;
O.4 Sviluppo di algoritmi per la correzione dell’errore ionosferico sui sistemi GNSS;
O.5 Sviluppo e consolidamento del sistema di acquisizione dei dati GNSS e HF per  garantire la continuità e l’affidabilità dei dati;
O.6 Aggiornamento del sistema di gestione, archiviazione e trasmissione dei dati per garantire: - l’acquisizione dei dati dei nuovi sistemi installati, - la conservazione e l’accessibilità dei dati, - l’interoperabilità del sistema con altri progetti nazionali ed internazionali, - standard di tecnologia e qualità elevati.
O.7 Consolidamento delle collaborazioni internazionali;
O.8 Diffusione dei risultati;
O.9 Divulgazione e formazione.

Durante lo svolgimento dell’intero progetto sono stati raggiunti tutti i risultati degli obiettivi prefissati. Schematicamente vengono riportati i maggiori risultati conseguiti:

Mantenimento ed aggiornamento dell’osservatorio di fisica dell’alta atmosfera di OASI ad MZS tramite l’acquisizione dei parametri ionosferici da segnali GNSS (O1)

Installazione del nuovo ricevitore multi-costellazione ad OASI ha permesso di acquisire anche i satelliti Galileo e GLONASS oltre al segnale GPS che storicamente sono acquisiti nell’osservatorio di MZS (O1, O5).

E’ stato testato ed ottimizzato un innovativo sistema di acquisizione e trasmissione dati “low power” per garantire il funzionamento in remoto di una rete di stazioni di misura autonome dal punto di vista energetico. Il sistema è stato attivo per due annualità. La sperimentazione effettuata in Antartide ha permesso di vincere un progetto finanziato in ambito ESA denominato “NARWHALS” per investigare l’utilizzo di stazioni di misura ionosferiche per supportare la navigazione marittima in area artica (O3, O4, O6).

Sono stati pubblicati studi di climatologia e dinamica ionosferica nelle aree polari, in collaborazione con istituzioni internazionali. In particolare, sono state realizzate analisi multi-strumentali basate sull’integrazione fra dati da ricevitori GNSS a terra, da ionosonde, sonde di Langmuir a bordo dei satelliti Swarm (ESA), da radar SuperDARN per ricostruire la dinamica delle irregolarità ionosferica e studiare il loro impatto sui segnali in banda L. Tali studi, integrati da dettagliate analisi sui parametri magnetosferici e del vento solare, hanno permesso di approfondire la conoscenza sull’accoppiamento tra vento solare, magnetosfera e ionosfera e di caratterizzare la risposta ionosferica ad alcuni tra i principali eventi solari del ciclo solare corrente (O2, O7).

Sono stati sviluppati algoritmi e strumenti di previsione dei parametri ionosferici ad alta latitudine nonché per la correzione dell’errore ionosferico sui sistemi GNSS. In particolare, i modelli sviluppati hanno contribuito alla partecipazione italiana nel consorzio europeo PECASUS (www.pecasus.eu). Il consorzio ha come obiettivo quello di rappresentare uno dei centri per la distribuzione delle informazioni di Space Weather per l’aviazione civile, così come richiesto da ICAO (International Civil Organization) (O3, O4, O7)

È stato mantenuto ed ulteriormente sviluppato un sistema informativo per l'acquisizione, la memorizzazione e la distribuzione dei dati parametrici provenienti dai sistemi GNSS, in particolare per il ricevitore installato nella base antartica di Mario Zucchelli. Il suo portale pubblico può essere raggiunto all'indirizzo www.eswua.ingv.it.  Tutti i dati e le elaborazioni sono archiviati e resi disponibili alla comunità scientifica internazionale, in particolare quella dell’Expert group GRAPE ed in generale per lo space weather. Il sistema di gestione dei dati ha seguito un approccio FAIR (Findable, Accessible, Interoperable, and Reusable) e garantisce l’accesso aperto e gratuito ai dati (O6).

• Nel laboratorio ionosferico dell’INGV sono stati preparati due esemplari completi di ionosonda su cui sono stati effettuati dei test di robustezza software e hardware. Grande attenzione è stata data alla robustezza meccanica e alla stabilità termica degli apparati, dovendo lavorare in condizioni, spesso, critiche. È stata, inoltre, avviata una sperimentazione per utilizzare software di gestione del sistema di sondaggio ionosferico su macchina virtuale. In tal modo si potranno utilizzare PC moderni ed affidabili senza dover cambiare il software di gestione scritto per sistemi operativi consolidati ed affidabili, sebbene un po' datati. Il sistema è pronto per eventuali installazioni in aree remote e non presidiate come l’Antartide (O5).

In ogni campagna estiva è stata garantita la presenza presso la base MZS di almeno un ricercatore o tecnico per sviluppare e consolidare l’intero sistema osservativo, per gestire l’archiviazione dei dati e migliorarne la trasmissione. Tutte le procedure di intervento sono state finalizzate a rendere il sistema operativo per tutta la durata della stagione invernale (O5, O6).

In collaborazione con il progetto di ricerca PNRA14/133, è stato creato un Core Group, a cui hanno partecipato 20 nazioni dello SCAR. Il Core Group è nato inizialmente all'interno dell’expert group GRAPE ma si è poi esteso ad altri ricercatori impegnati nello studio dell'atmosfera mediante tecniche radio. Il gruppo ha proposto l’approvazione di un nuovo programma di ricerca scientifica allo SCAR. AGATA (Antarctic Geospace and ATmosphere reseArch) è il nome della proposta che ha mirato a riunire le comunità che indagano l'atmosfera polare attraverso tecniche radio in un programma di ricerca collaborativo e multidisciplinare, con particolare riferimento all'Antartide (O7).

• Le relazioni internazionali sono state consolidate tramite la partecipazione a numerose iniziative internazionali tra le quali (O7):

- convegni e workshop scientifici internazionali, come SCAR (www.scar.org), URSI (www.ursi.org), EGU (www.egu.eu), European Space Weather Week, ION (www.ion.org), AGU (https://www.agu.org/), IAGA (www.iagaitalia.it);

- expert group “GRAPE” (www.grape.scar.org);

- core group “AGATA”;

• - expert group “Space Weather” delle Nazioni Unite nell’ambito del COPUOS (http://www.unoosa.org/oosa/en/COPUOS/copuos.html) nel quale il coordinatore del progetto è nominato delegato nazionale,
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• - ISWI (International Space Weather Initiative, http://www.iswi-secretariat.org/) in qualità di coordinatori nazionali;
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• - TREASURE (Training Research and Applications Network to Support the Mitigation of Ionospheric Threats) FP7-People-Initial Training Network, Marie Curie Action, 2017-2020;
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• - PITHIA-NRF (Plasmasphere Ionosphere Thermosphere Integrated Research Environment and Access services: a Network of Research Facilities), finanziata da EC-H2020, 2021-2026.
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• - GENIUS (GNSS TEC and Scintillation monitoring under the Cusp), finanziata Svalbard Integrated Arctic Earth Observing System (SIOS), 2019.
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• - PECASUS “Partnership for Excellence in Civil Aviation Space Weather User Services”, approvata da ICAO, che fornisce avvisi sull'attività meteorologica spaziale avanzata per l'aviazione civile, i dati INGV e PNRA sono inclusi nel servizio 2017-2022.
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• - Swarm-VIP (Swarm – Variability of Ionospheric Plasma), finanziata da European Space Agency nell’ambito di Swarm+ 4DIonosphere project, 2020-2022.
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• - DemoGRAPE (Demonstrator for GRAPE) dal PNRA con l'obiettivo di fornire una valutazione empirica del ritardo e della corruzione indotta dalla ionosfera sui segnali satellitari nelle regioni polari. Il progetto prevedeva campagne di misurazioni a SANAE IV e EACF, South African and Brazilian Antarctic Bases, 2014-2016.
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• - NADC del PNRA concentrandosi sull’attuazione del “National Antarctic Data Center”, 2019-2022.
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I risultati scientifici del progetto sono stati presentati in numerose conferenze e workshop nazionali ed internazionali (O8).

• Durante la durata del progetto sono state realizzate numerose attività di divulgazione scientifica legate all’Antartide e alle tematiche del progetto (O9).

Articoli:

Correia, E., Spogli, L., Alfonsi, L., Cesaroni, C., Gulisano, A. M., Thomas, E. G., ... & Rodel, A. A. (2017). Ionospheric F-region response to the 26 September 2011 geomagnetic storm in the Antarctica American and Australian sectors. In Annales Geophysicae.

D'Angelo, G., Piersanti, M., Alfonsi, L., Spogli, L., Clausen, L. B. N., Coco, I., ... & Baiqi, N. (2018). The response of high latitude ionosphere to the 2015 St. Patrick’s day storm from in situ and ground based observations. Advances in Space Research, 62(3), 638-650.

D'Angelo, G., Piersanti, M., Alfonsi, L., Spogli, L., Coco, I., Li, G., & Baiqi, N. (2019). The response of high latitude ionosphere to the 2015 June 22 storm. Annals of Geophysics, 62(4), GM454-GM454.

D’Angelo, G., Piersanti, M., Pignalberi, A., Coco, I., De Michelis, P., Tozzi, R., ... & Ubertini, P. (2021). Investigation of the Physical Processes Involved in GNSS Amplitude Scintillations at High Latitude: A Case Study. Remote Sensing, 13(13), 2493.

Deshpande, K. B., Bust, G. S., Clauer, C. R., Scales, W. A., Frissell, N. A., Ruohoniemi, J. M., ... & Weatherwax, A. T. (2016). Satellite‐beacon Ionospheric‐scintillation Global Model of the upper Atmosphere (SIGMA) II: Inverse modeling with high‐latitude observations to deduce irregularity physics. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 121(9), 9188-9203.

Ghobadi, H., Spogli, L., Alfonsi, L., Cesaroni, C., Cicone, A., Linty, N., ... & Cafaro, M. (2020). Disentangling ionospheric refraction and diffraction effects in GNSS raw phase through fast iterative filtering technique. GPS Solutions, 24(3), 1-13.

Ghobadi, H., Savas, C., Spogli, L., Dovis, F., Cicone, A., & Cafaro, M. (2020). A comparative study of different phase detrending algorithms for scintillation monitoring. In 2020 XXXIIIrd General Assembly and Scientific Symposium of the International Union of Radio Science (pp. 1-4). IEEE.

Giordanengo, G., Pilosu, L., Mossucca, L., Renga, F., Ciccia, S., Terzo, O., ... & Hunstad, I. (2017, July). Energy efficient system for environment observation. In Conference on Complex, Intelligent, and Software Intensive Systems (pp. 987-999). Springer, Cham.

Kauristie, K., Andries, J., Beck, P., Berdermann, J., Berghmans, D., Cesaroni, C., ... & Österberg, K. (2021). Space Weather Services for Civil Aviation—Challenges and Solutions. Remote Sensing, 13(18), 3685.

La Longa F., Crescimbene M. , Alfonsi L. , Cesaroni C., Romano V, (2018). Expedition to the South Pole: experience of the laboratory game on polar sciences with primary schools, Rend. Online Soc. Geol. It., Vol. 45 (2018), pp. 31-38, 7 figs. (https://doi.org/10.3301/ROL.2018.25) © Società Geologica Italiana, Roma 2018

Pica, E., Marcocci, C., Cesaroni, C., Zuccheretti, E., Pezzopane, M., Vecchi, S., ... & Spogli, L. (2021). The SWIT-eSWua system: managing, preservation and sharing of the historical and near real-time ionospheric data at the INGV. Earth and Space Science Open Archive ESSOAr.

Prikryl, P., Ghoddousi-Fard, R., Viljanen, A., Weygand, J. M., Kunduri, B. S. R., Thomas, E. G., ... & Weatherwax, A. T. (2017). GPS phase scintillation and auroral electrojet currents during geomagnetic storms of March 17, 2013 and 2015. In 2017 XXXIInd General Assembly and Scientific Symposium of the International Union of Radio Science (URSI GASS) (pp. 1-4). IEEE.

Spogli, L., Ghobadi, H., Cicone, A., Alfonsi, L., Cesaroni, C., Linty, N., ... & Cafaro, M. (2021). Adaptive Phase Detrending for GNSS Scintillation Detection: A Case Study Over Antarctica. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 19, 1-5.

Urbar, J., Cicone, A., Spogli, L., Cesaroni, C., & Alfonsi, L. (2021). Intrinsic Mode Cross Correlation: a novel technique to identify scale-dependent lags between two signals and its application to ionospheric science. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 19, 1-3.

Urbar, J., Spogli, L., Cicone, A., Clausen, L. B., Jin, Y., Wood, A. G., ... & Miloch, W. J. (2022). Multi-scale response of the high-latitude topside ionosphere to geospace forcing. Advances in Space Research.