Ice Sheet and Sea Ice Ultrawideband Microwave Airborne eXperiment

Le regioni fredde della Terra stanno mostrando rapidi cambiamenti, rendendo necessario migliorare la nostra comprensione di come le variazioni future avranno un impatto sull'attività umana a tutte le latitudini [1]. A differenza del recente passato, in cui l'obiettivo principale della ricerca era quello di determinare se si stessero verificando cambiamenti nella calotta glaciale, ora si tratta di capire a quale velocità si verificheranno i cambiamenti del livello del mare e dei ghiacci terrestri e quale dovrebbe essere la risposta umana a questi cambiamenti. Per rispondere pienamente a queste domande e fornire una migliore prevedibilità, è necessaria una nuova e complementare generazione di strumenti di osservazione per acquisire nuove informazioni su parametri importanti per i modelli criosferici che finora sono stati misurati solo in modo limitato in situ (in particolare la temperatura sottosuperficiale [2-4], che è un parametro critico per la modellazione dinamica della calotta glaciale). A tal fine, i progressi possono essere ottenuti dalla radiometria nelle bande a microonde basse [2] che sono in grado di penetrare in profondità nel ghiaccio. In questa sede proponiamo di dimostrare e utilizzare una metodologia innovativa che sarà testata in una campagna aviotrasportata utilizzando la radiometria a microonde a bassa frequenza e multicanale per studiare le proprietà geofisiche vicino alla superficie del firn polare, la temperatura fisica sottosuperficiale e altre proprietà sottosuperficiali come l'infiltrazione di salamoia in piccole piattaforme di ghiaccio. Inoltre, abbiamo in programma di studiare la sensibilità della temperatura di luminosità a microonde a bassa frequenza allo spessore del ghiaccio marino, poiché ciò potrebbe essere utile per migliorare i metodi di rilevamento dello spessore del ghiaccio marino che determinano la rotta migliore per le navi.

L'obiettivo generale della proposta è dimostrare e utilizzare una metodologia innovativa (radiometria a microonde a banda ultra larga) per il rilevamento della criosfera. Verranno studiate tre importanti componenti della criosfera antartica: il profilo di temperatura della calotta glaciale, lo spessore del ghiaccio marino e le proprietà delle piattaforme di ghiaccio, monitorando le aree basali umide.
Il profilo di temperatura sarà ricavato da misure a microonde combinando modelli glaciologici e modelli di emissione a microonde. La metodologia sarà testata in siti selezionati dove sono disponibili profili di temperatura provenienti da pozzi. L'obiettivo è quello di stimare il profilo fisico della temperatura a intervalli di 100 m dalla superficie al fondo, con un campionamento spaziale di 10 km e con una precisione di 1 K.
Lo spessore del ghiaccio marino sarà ricavato dalle misure a microonde utilizzando un modello di emissione elettromagnetica a microonde relativamente semplice. L'obiettivo è quello di ricavare lo spessore del ghiaccio nell'intervallo 0-3 metri. La convalida sarà effettuata in alcuni siti specifici.
Anche le misure sulle piattaforme di ghiaccio sono di grande interesse. In particolare, si prevede che UWBRAD sia in grado di mappare lo strato intrusivo di salamoia che si forma sulle piattaforme di ghiaccio sottili, come le piattaforme di ghiaccio Nansen o McMurdo. In effetti, sulle piattaforme più spesse, potrebbe esserci l'opportunità di studiare ulteriormente gli strati di detriti e di salamoia formatisi inizialmente alle bocche dei ghiacciai di scarico dell'Antartide orientale che sono stati seguiti fino al fronte di ghiaccio.
Il monitoraggio delle aree umide sotto i ghiacciai sarà sfruttato confrontando i dati del telerilevamento passivo a microonde con quelli raccolti con un sistema di Radio Echo Sounding (RES) che lavora a 60 MHz La Figura 2 mostra una mappa dove sono state effettuate queste indagini. Tutte queste informazioni saranno utili per la definizione della linea di volo e l'interpretazione dei dati radiometrici.

La campagna ISSIUMAX è stata eseguita con successo nel periodo novembre-dicembre 2018. Le misure da aereo sono state integrate dalle acquisizioni GPR eseguite dall'INGV per supportare la stima delle proprietà del ghiaccio marino e della calotta glaciale insieme ad altre osservazioni in situ. In totale sono stati eseguiti 3 voli come previsto (intorno alla Stazione Mario Zucchelli, dalla MZS alla Stazione Concordia, intorno al Little Dome C), uno è stato cambiato (il volo di ritorno dal Dome C), uno è stato cancellato (il volo sul Talos Dome).

Insieme ai dati di volo (sia da aereo che da elicottero) sono stati acquisiti anche dati satellitari e terrestri, tra cui:

• Immagini SAR da ALOS-1, Sentinel-1, Radarsat eCOSMO-Skymed
• Dati ottici Sentinel-2, -3, Landsat and Modis
• Dati a microonde passivi SMOS, SMAP and AMSR-2
• Dati da altimetri Cryosat and Icesat-2
• Modelli digitali della superficie REMA e RAMP 
• Dati radar Operation Ice Bridge
• Dataset Domex and Domecair 
• Dataset ITASE 

I dati acquisiti dal 24 al 25 novembre hanno coperto il ghiaccio marino costiero vicino a MZS, nonché piattaforme di ghiaccio, polyna e il ghiacciaio Priestley. I risultati mostrano variazioni con lo spessore del ghiaccio marino simili a quelle osservate nella campagna UWBRAD Groenlandia del 2017 con variazioni simili nelle firme spettrali della temperatura di brillanza che possono verificarsi tra il ghiaccio marino, la piattaforma di ghiaccio e in mare aperto. Il lavoro iniziale sulla stima dello spessore del ghiaccio marino utilizzando i metodi descritti in (Andrews et al., 2018) (che implicano una corrispondenza tra le misurazioni UWBRAD e le previsioni del modello in avanti) ha fornito i primi recuperi di spessore e salinità. I risultati mostrano spessori del ghiaccio stimati da ~ 1 a ~ 3 m che variano sulla traiettoria di volo. I confronti iniziali con le misurazioni dello spessore GPR in situ mostrano un ragionevole accordo su molte porzioni della traiettoria di volo, ma differenze maggiori nelle porzioni successive in cui i voli dati GPR e UWBRAD sono sfalsati di circa 1 km. Le fonti di queste discrepanze sono oggetto di indagine in corso. Rimangono in corso perfezionamenti del modello e della calibrazione dei dati che possono influenzare questi risultati.
I dati UWBRAD acquisiti su una porzione di ~ 105 km sul ghiacciaio Priestley rendono possibile il confronto delle temperature di brillanza con i dati MCORDS acquisiti in una precedente campagna OIB lungo la stessa linea di volo. I dati UWBRAD mostrano variazioni significative nell'ampiezza che sono correlate attraverso tutti i canali, insieme a cambiamenti significativi nelle firme spettrali delle diverse regioni lungo il ghiacciaio. Il confronto con i profili di MCORDS mostra temperature di brillanza ridotte nelle regioni con backscattering più elevati coerenti con le osservazioni in cui gli effetti di scattering causano una diminuzione della temperatura di brillanza. L'analisi di questi risultati è in corso al fine di fornire ulteriori prove delle capacità delle temperature di luminosità di 0,5-2 GHz nel fornire informazioni sulle proprietà della calotta glaciale in regioni con variazioni significative nella composizione.
I dati raccolti durante il volo dalla stazione Mario Zucchelli alla stazione Concordia il 3 dicembre sono stati analizzati insieme a dati ausiliari e stime del modello glaciologico. Tranne che a 530 MHz, si osserva una tendenza alla diminuzione lineare della temperatura di brillanza dalla costa a Dome C tra 7K e 16K a seconda della frequenza. Si osserva anche una diminuzione di 13,7 K sulle osservazioni SMOS, paragonabile alla diminuzione di 14,1 K di UWBRAD a 1370 MHz. Le variazioni del segnale SMOS sono solitamente in accordo con le variazioni dell'UWBRAD, ma mostrano variazioni più uniformi nello spazio a causa della risoluzione spaziale grossolana del prodotto SMOS (25 km di risoluzione) rispetto a quello di UWBRAD (circa 1 km²). Le temperature di brillanza sulla banda di frequenza UWBRAD variano di oltre 30 K, che è simile agli spettri osservati all'interno della calotta glaciale della Groenlandia (Jezek et al., 2018). Tuttavia, non è stato eseguito un confronto diretto di questi risultati a causa dei diversi profili di temperatura previsti nelle località dell'Antartide e della Groenlandia osservate. Il modello analitico unidimensionale proposto da Robin (1955) è stato utilizzato per stimare il profilo della temperatura della calotta glaciale lungo il volo. Questo modello è in buon accordo con il profilo di temperatura in situ misurato a Dome C. Si noti che questo modello dovrebbe essere utilizzato solo in regioni con deriva orizzontale di ghiaccio molto lenta, che si trovano lungo la linea di volo da distanze da 445 a 1119 km. La correlazione tra i 12 canali UWBRAD e la temperatura media del ghiaccio tra 0 e 500 m di profondità mostra un chiaro legame tra la temperatura di brillanza di UWBRAD e la temperatura della parte superiore del ghiaccio, tranne che a 530 MHz dove non appare alcuna correlazione significativa. Tuttavia, questa frequenza è più correlata con la temperatura del ghiaccio in profondità (cioè la media per la profondità di 1500-2000 m). Ciò evidenzia la chiara sensibilità di queste frequenze al profilo di temperatura e la differenza tra le frequenze più alte e 530 MHz, che è principalmente sensibile alla temperatura in profondità.
Un ultimo aspetto importante della campagna ISSIUMAX riguarda gli aspetti tecnologici dell'esperimento. In particolare per dimostrare la fattibilità della radiometria a microonde fuori banda protetta nelle regioni polari. Infatti UWBRAD acquisisce segnali di temperatura di brillanza a frequenze che sono comunemente assegnate ad altri usi ma che nelle regioni polari dovrebbero essere libere, rendendone possibile lo sfruttamento per scopi scientifici. Sebbene si preveda che le interferenze a radiofrequenza si verifichino con una probabilità ridotta in regioni come l'Antartide con piccole popolazioni umane, resta importante dimostrare che i set di dati geofisici di successo possono essere acquisiti nelle porzioni non protette dello spettro osservato. Il confronto tra il flagging rate derivato dalle misurazioni UWBRAD raccolte nelle campagne Artiche e Antartiche ha mostrato che alla Stazione Mario Zucchelli l'intero spettro è praticamente privo di RFI per l'80% del tempo. Tra le regioni polari boreali e australi mostra che lo scenario RFI sulla Groenlandia è abbastanza simile all'altopiano antartico orientale. Tuttavia, un volo sul Canada (da Calgary alla base aerea di Thule) ha mostrato una maggiore occupazione dello spettro: ciononostante la parte superiore della banda (sopra 1GHz) è ancora utilizzabile così come la gamma 650-900 MHz).

Il data set di misure acquisite è pubblicato su Pangaea.de (https://doi.pangaea.de/10.1594/PANGAEA.956199).

I seguenti paper sono stati pubblicati (o in via di pubblicazione):

Joel T. Johnson, Kenneth Jezek, Giovanni Macelloni, Marco Brogioni, Leung Tsang, Emmanuel Dinnat, Jeffrey P. Walker, Nan Ye, Sidharth Misra, Jeffrey R. Piepmeier, Rajat Bindlish, David M. LeVine, Peggy O’Neill, Lars Kaleschke, Mark Andrews, Caglar Yardim, Mustafa Aksoy, Michael Durand, Chi-Chih Chen, Oguz Demir, Alexandra Bringer, Julie Z. Miller, Shannon T. Brown, Ron Kwok, Tong Lee, Yann Kerr, Dara Entekhabi, Jinzheng Peng, Andreas Colliander, Steven Chan, Joseph A. MacGregor, Brooke Medley, Roger DeRoo, Mark Drinkwater, “Microwave Radiometry at Frequencies from 500 to 1400 MHz: An Emerging Technology for Earth Observations”, to be submitted to IEEE JSTAR, 2020

Brogioni, M., Leduc-Leballeur, M., Andrews, M.J., Macelloni, G., Johnson, J.T., Jezek, K.C., Yardim, C., “500-2000-MHz Airborne Brightness Temperature Measurements over the East Antarctic Plateau”, (2022) IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 19, DOI: 10.1109/LGRS.2021.3056740

Andrews, M.J., Johnson, J.T., Brogioni, M., Macelloni, G., Jezek, K.C., “Properties of the 500-2000-MHz RFI Environment Observed in High-Latitude Airborne Radiometer Measurements”, (2022) IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 60, DOI: 10.1109/TGRS.2021.3090945

Brogioni, M., Andrews, M. J., Urbini, S., Jezek, K. C., Johnson, J. T., Leduc-Leballeur, M., Macelloni, G., Ackley, S. F., Bringer, A., Brucker, L., Demir, O., Fontanelli, G., Yardim, C., Kaleschke, L., Montomoli, F., Tsang, L., Becagli, S., and Frezzotti, M.: Ice Sheet and Sea Ice Ultrawideband Microwave Airborne eXperiment (ISSIUMAX) in Antarctica: first results from Terra Nova Bay, The Cryosphere Discuss. [preprint], https://doi.org/10.5194/tc-2022-59, in review, 2022.