Monitoraggio Bipolare del TEC e delle Scintillazioni Ionosferiche - Stazione Concordia

Il campo di vista delle costellazioni GNSS osservato da Concordia permette di monitorare la ionosfera della cappa polare e del cusp. Questo settore ionosferico, in condizioni disturbate, può presentare una distribuzione irregolare della densità elettronica rivelata dalla presenza di gradienti di TEC (Total Electron Content). Il ritardo del segnale GNSS registrato tra la trasmissione dal satellite alla ricezione a terra fornisce una misura indiretta del TEC. Dall’analisi di questi dati possono essere identificati e caratterizzati i gradienti di TEC. Una rete di ricevitori GNSS può, se opportunamente configurata, monitorare anche la deriva del plasma ionosferico. Questa informazione è cruciale per identificare le condizioni ionosferiche che conducono all’innalzamento dei livelli di TEC. Ad esempio, quando un’emissione di massa coronale interagisce con la magnetosfera il campo elettrico convettivo che si genera interagisce con la ionosfera spostando il plasma dalla parte diurna polare a quella notturna tramite la deriva ExB. La deriva del plasma è diretta verso l’alto a latitudini più basse causando un aumento del TEC. La presenza di gradienti di TEC può causare rapide fluttuazioni in ampiezza e fase, dette scintillazioni, dei segnali GNSS ricevuti a terra. Il meccanismo di causa-effetto tra la presenza di gradienti di TEC e le scintillazioni non è sempre verificato. Questo è il motivo per cui è importante monitorare simultaneamente le scintillazioni e il TEC.

Concordia offre un’opportunità unica di studio del complesso ambiente in cui avviene l’interazione tra vento solare, magnetosfera e ionosfera. Le caratteristiche principali che rendono Concordia un osservatorio unico:
1. E’ molto vicino al polo geomagnetico, luogo in cui la ionosfera risulta particolarmente sensibile alla penetrazione di plasma, momento ed energia attraverso la magnetopausa, tramite la propagazione lungo le linee di campo magnetico terrestre;
2. E’ collocata a circa 3200 m sopra il livello del mare, dove l’alta trasparenza dell’aria garantisce un basso impatto del rumore atmosferico sulle misure ionosferiche;
3. E’ una stazione aperta tutto l’anno che garantisce una sorveglianza continua della strumentazione in uso;
4. Include anche l’osservatorio geomagnetico e il radar SuperDARN radar che forniscono informazioni complementari utili a ricostruire le condizioni dello spazio esterno.

Gli obiettivi specifici del progetto sono in accordo con quelli dettati dal "Expert group” GRAPE dello SCAR. In particolare, sono stati:

O.1 Acquisizione sistematica dei dati GNSS ad alta frequenza di campionamento;
O.2 Validazione dei dati acquisiti;
O.3 Sviluppo di prodotti a valore aggiunto (grafici, mappe) basati sui dati acquisiti;
O.4 Aggiornamento della rete per monitorare tutte le costellazioni GNSS;
O.5 Configurazione della rete per aggiungere la misura della velocità di deriva ionosferica;
O.6 Aggiornamento del sistema di gestione dei dati per garantire:
- L’acquisizione dei dati dal nuovo sistema osservativo,
- La preservazione e l’accessibilità dei dati,
- L’interoperabilità del sistema con progetti nazionali ed internazionali,
- Standard di alta qualità e alta tecnologia.
O.7 Consolidamento della cooperazione internazionale;
O.8 Disseminazione dei risultati
O.9 Divulgazione e formazione.

I risultati sperimentali raggiunti dall’osservatorio possono essere schematizzati nei seguenti quattro punti:

1. è stata garantita la continuità dell’acquisizione dei dati;

2. è stata garantita la standardizzazione delle procedure di misura e di validazione dei dati;

3. è stata aggiornata la rete dei ricevitori per monitorare, oltre alla costellazione GPS, anche quelle GLONASS e Galileo;

4. è stata configurata la rete per la misura della velocità di deriva del plasma ionosferico.

Durante lo svolgimento del progetto sono stati raggiunti tutti gli obiettivi prefissati. I maggiori risultati conseguiti sono stati:

Acquisizione sistematica dei dati GNSS dalle tre stazioni di misura del TEC e scintillazioni ionosferiche installate a Concordia. Le tre stazioni sono denominate: ISACCO-DMC0, ISACCO-DMC1 ed ISACCO-DMC2. Le stazioni formano una rete di misura che contribuisce a livello internazionale all’avanzamento scientifico ed operativo nel settore della fisica dell’alta atmosfera e space weather. I dati sono continuamente validati e messi a disposizione della comunità internazionale, a partire dai gruppi presenti nell’expert group GRAPE (O1, O2).

Installazione del nuovo ricevitore multicostellazione nell’osservatorio di fisica dell’alta atmosfera a Concordia ISACCO-DMC0P. Il nuovo ricevitore ha permesso l’acquisizione dei parametri ionosferici tramite l’utilizzo dei segnali GNSS. Grazie al nuovo ricevitore sono stati acquisiti anche i segnali trasmessi dai satelliti Galileo e GLONASS oltre ai segnali GPS che storicamente sono acquisiti nell’osservatorio di Concordia. La fase di test ed ottimizzazione della stazione è stata effettuata in Artide, presso le l’infrastruttura gestita dall’Università di Tromso a Longyearbyen nelle isole Svalbard. Le altre due stazioni di misura multicostellazione, ISACCO-DMC1 e ISACCO-DMC2, hanno superato la fase di test del primo bienno e sono state installate nel secondo biennio del progetto.

Sono stati effettuati studi di climatologia delle scintillazioni ionosferiche e loro correlazione con la dinamica e morfologia della ionosfera polare. A corroborare l’importanza scientifica e strategica del dato GNSS Antartico, tali studi sono stati in collaborazione con istituzioni internazionali (O2, O7).

Si sono pubblicati lavori di analisi di eventi di space weather condotti attraverso analisi multi-strumentali. Tali analisi sono state basate sull’integrazione fra dati da ricevitori GNSS a terra, da ionosonde, sonde di Langmuir a bordo di dei satelliti Swarm (ESA), da radar SuperDARN per ricostruire la dinamica delle irregolarità ionosferica e studiare il loro impatto sui segnali in banda L. Completando l’analisi attraverso lo studio dei parametri magnetosferici e di vento solare, si è approfondita la conoscenza sull’accoppiamento tra vento solare, magnetosfera e ionosfera. Gli studi hanno portato a varie pubblicazioni e a contributi a conferenze internazionali, condotti in collaborazione con colleghi internazionali.

Si è contribuito allo sviluppo e alla validazione del modello SIGMA (Satellite-beacon Ionospheric-scintillation Global Model of the upper Atmosphere) che ha permesso di caratterizzare le scale di irregolarità ionosferica comprese tra gli 0.1 e 100 km, e di come generino scintillazione ionosferica per l’alta latitudine. Il modello SIGMA è stato sviluppato e validato in collaborazione coi colleghi statunitensi e inglesi (O2, O7).

Sono stati sviluppati metodi di analisi e trattamento dei dati per aggiungere la misura della velocità di deriva ionosferica sulla rete di monitoraggio installata a Concordia; In particolare la rete è costituita da 3 ricevitori separati circa 1 km l’uno dall’altro. Tale distanza permette una ottimale correlazione dei segnali GNSS acquisiti dai ricevitori dalla quale si ricavano informazioni sulla velocità orizzontale delle irregolarità (O5).

Si sono 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 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, O7).

In collaborazione con il Progetto PNRA14/110, è stato mantenuto ed ulteriormente sviluppato il sistema informativo per l'acquisizione, la memorizzazione e la distribuzione dei dati parametrici provenienti dai sistemi GNSS, in particolare per i ricevitori installati a Concordia. 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).

In ogni campagna estiva è stata garantita la presenza presso la base Concordia 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 (O1, O4, 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 partecipazioni attive alle seguenti iniziative (O7): 
•  

o 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);

o   G. De Franceschi è coordinatore dell’expert group “GRAPE” (www.grape.scar.org), che raccoglie la partecipazione di 12 nazioni e 28 istituzioni scientifiche internazionali;

o   L. Alfonsi è co-coordinatore del Core Group “AGATA”;

o   G. De Franceschi è convener di sessioni scientifiche nelle conferenze internazionali URSI e SCAR.

o   G. Defranceschi partecipa al “delegates meeting” dello SCAR come rappresentante URSI dal 2016.

I risultati scientifici del progetto sono stati presentati in molteplici conferenze e workshop nazionali ed internazionali (O8)

• Durante la durata del progetto sono state realizzate numerose attività di divulgazione scientifica legate 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. IF 2.19

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. IF 2.611

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. IF 1.139

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. IF 5.349

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. IF 3.11

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. IF 4.517

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. IF 5.349

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. IF 0.62

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. IF 3.68

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. IF 5.343

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. IF 5.343

• 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. IF 2.611

Proceedings:

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.

Linty, N., Minetto, A., Dovis, F., Romano, V., & Hunstad, I. (2018, September). Investigation into the space weather event of September 2017 through GNSS raw samples processing. In Proceedings of the 31st International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS+ 2018) (pp. 4111-4124).

Romero, R., Linty, N., Cristodaro, C., Dovis, F., & Alfonsi, L. (2017, February). On the use and performance of new Galileo signals for ionospheric scintillation monitoring over Antarctica. In Proceedings of the 2017 International Technical Meeting of The Institute of Navigation (pp. 989-997).

Pica, E., Romano, V., Marcocci, C., Cesaroni, C., & Hunstad, I. (2020). The INGV Arctic Ionospheric data management system and its synergy with the Italian NADC. In EGU General Assembly Conference Abstracts (p. 22424).

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.