Metodologie innovative per il monitoraggio ambientale

Risultato della ricerca:

L’attività di ricerca del gruppo proponente è in linea con gli obiettivi SNSI e in particolare con l’ambito tematico “Prevenire i rischi naturali e antropici e rafforzare le capacità di resilienza di comunità e territori”. Le esperienze del gruppo di ricerca vantano la realizzazione di sistemi prototipali per il monitoraggio di parametri ambientali di tipo fisico e la loro validazione in laboratorio, fatte in collaborazione tra gruppi, privati e pubblici, a livello nazionale e internazionale, con programmi finanziati dalla Unione Europea nell’ambito del settimo programma quadro e di Horizon 2020.

In particolare, sono stati sviluppati nuovi metodi geofisici per studiare il trasporto di sedimenti e per quantificare i processi di fratturazione nelle scogliere naturali mediante il perfezionamento di un’antenna multicanale di sensori da utilizzare in laboratorio e in situ, formata da geofoni, idrofoni e sensori MEMS. Il gruppo proponente ha una vasta esperienza in tale argomento, avendo sviluppato da molti anni vari sistemi multicanale di acquisizioni dati che hanno operato sul vulcano Stromboli (Progetto finanziato dal Gruppo Nazionale per la Vulcanologia) e nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso (Progetto UNDERSEIS) contribuendo allo sviluppo di sistemi di monitoraggio altamente innovativi.

Il progetto scientifico dello sviluppo di sistemi di monitoraggio innovativi, sviluppato dal gruppo di ricerca, ha un potenziale impatto sociale e economico di grande rilievo, attraverso la realizzazione di nuove applicazioni di metodi sismici e la loro applicazione al sistema idrogeologico e ai processi della superficie terrestre, nonché per i pericoli e i rischi che tali eventi possono causare. I risultati di questo programma possono essere sfruttati direttamente o indirettamente per il monitoraggio, la protezione e mitigazione dei rischi. In particolare, lo sviluppo di sistemi di allarme o rilevamento per i flussi di detriti e gli scivolamenti rocciosi è un obiettivo principale del programma di attività. Tale progetto costituisce un’estensione delle ricerche svolte nell’ambito del progetto regionale nella Regione Calabria SMORI (recentemente concluso) e altri progetti nazionali e internazionali cui hanno contribuito o coordinato i proponenti del presente programma (in particolare i progetti europei Horizon 2020 SHEER e S4CE).

Gli esperimenti effettuati hanno permesso di validare in laboratorio la possibilità di rilevare le grandezze caratteristiche di un fenomeno come il trasporto del carico da letto, utilizzando sensori opportunamente distribuiti lungo un alveo fluviale. Il monitoraggio ambientale, realizzato con una rete ottimale di sensori sismici e/o idrofonici, sembra pertanto costituire uno strumento di ultima generazione e a relativo basso costo per realizzare la sorveglianza e il telerilevamento di fenomeni geomorfologici.

Riferimento a finanziamenti precedenti:

A parte il Progetto SMORI, il programma ha avuto contributi parziali nell’ambito dei progetti Europei H2020 SHEER e S4CE. Le esperienze del gruppo di ricerca nell’ambito degli arrays multicanali sono stati finanziati in passato anche dal MIUR (Progetti PRIN) e dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Progetto UNDERSEIS) e sono stati oggetto di numerose pubblicazioni su riviste scientifiche internazionali di elevato impatto.

Innovatività rispetto a soluzioni già esistenti:

I metodi tradizionali in situ e di telerilevamento che sono utilizzati per il monitoraggio dei processi geomorfologici hanno gravi limitazioni per la loro bassa risoluzione temporale o per la loro limitata copertura spaziale e resilienza. In linea di principio, tutti i processi generatori di rumore che operano all’interno di un paesaggio possono essere registrati da una rete sismica con sensori opportunamente distribuiti. Ciò include processi locali frequenti come la fratturazione di rocce o ghiaccio, o l’ondeggiamento di alberi a causa del vento, eventi rari e su larga scala come massicci scivolamenti di rocce o inondazioni di fiumi. Con gli strumenti sismici messi in posizioni adeguate, questi processi possono essere localizzati nello spazio e nel tempo, con risoluzioni temporali inferiori a un secondo. I singoli processi hanno caratteristici pattern sismici. Ciò include non solo i processi che agiscono sulla superficie terrestre, come alluvioni, caduta di massi, frane o distacco degli iceberg, ma anche i loro agenti meteorologici come forti piogge o vento. Pertanto, con le antenne sismiche è possibile studiare i processi che agiscono sulla superficie terrestre, il substrato in cui si trovano e i loro conducenti meteorologici ad alta risoluzione spazio-temporale.

Nell’ultimo decennio è emerso un ampio interesse per il potenziale dei metodi sismici nelle scienze della superficie terrestre. La dimostrazione dei concetti sopra esposti e di molti metodi rilevanti è stata oggetto di recenti pubblicazioni scientifiche di gruppi tedeschi e svizzeri e nuove intuizioni scientifiche sono iniziate a emergere negli ultimi anni. L’applicazione dei metodi sismici al sistema di superficie terrestre è diventata nota come Sismologia ambientale. Questo campo comprende l’intera gamma di metodi e applicazioni sismologiche disponibili nelle scienze della superficie terrestre, tra cui geomorfologia, idrologia, scienze marine e glaciali e rischi naturali. È un contesto ideale per il progetto di ricerca proposto, che abbina un approccio multidisciplinare per sfide scientifiche di eccellenza con tecniche altamente innovative e un’opportunità per sviluppare standard internazionali in metodologie di acquisizione dati e software.

Titoli di proprietà intellettuale:

I risultati al momento non sono oggetto di titoli di proprietà industriale.

Principali applicazioni e mercato di riferimento:

Le applicazioni della ricerca sono molteplici, spaziando dalla possibilità di monitorare fenomeni superficiali terrestri a quelli legati ai versanti marini. Una moltitudine di processi geomorfologici agisce sulla superficie terrestre, guidando l’evoluzione dei suoi paesaggi. Questi processi includono, ad esempio, il trasporto di sedimenti fluviali, l’erosione del letto fluviale, flusso di detriti e attività sul pendio come la caduta di rocce e le frane, che agiscono su diverse scale spazio-temporali. Inoltre, interazioni e feedback possono verificarsi tra questi processi, all’interno di singoli episodi di attività geomorfologica o in tempi più lunghi. La natura modulare del sistema di monitoraggio consente inoltre di aggiungere varie tipologie di sensori, quali piezometri e celle di carico, che possono integrare il corredo di informazioni a disposizione per lo studio dei fenomeni geomorfologici. Inoltre la potenzialità di un simile sistema di misura è estremamente elevata al fine di attivare condizioni di allarme per le situazioni di rapido incremento della deformazione degli strati del terreno, finalizzate ad interventi da parte delle autorità locali o dagli organismi di Protezione Civile.

ll Progetto IFFI (Inventario dei Fenomeni Franosi in Italia), realizzato dall’ISPRA e dalle Regioni e Province Autonome, fornisce un quadro dettagliato sulla distribuzione dei fenomeni franosi sul territorio italiano. L’inventario ha censito ad oggi 620.808 fenomeni franosi che interessano un’area di circa 23.700 km², pari al 7,9% del territorio nazionale. I dati sono aggiornati al 2017 per la Regione Umbria; al 2016 per le regioni: Emilia Romagna, Friuli Venezia Giulia, Liguria, Piemonte, Sicilia, Valle d’Aosta e per la Provincia autonoma di Bolzano; al 2015 per la Toscana; al 2014 per la Basilicata e la Lombardia. Per le restanti regioni i dati sono aggiornati al 2007. Il rapporto dell’ISPRA del 2018 riporta che in Calabria quasi 5000 beni culturali sono a rischio idrogeologico. L’applicazione di metodologie a basso costo per il monitoraggio ambientale rende pertanto di estrema attualità lo sviluppo di metodologie Hardware e Software innovative per un uso estensivo rivolto alla minimizzazione di tale tipologia di rischi ambientali

Esigenze per l’ulteriore sviluppo – Industrializzazione:

Le metodologie attuali in ampio uso in tale campo, non hanno i costi e la risoluzione spazio temporale utile per permetterne una loro ampia diffusione. Il programma di attività è orientato per una semplificazione del sistema di acquisizione ed elaborazione delle informazioni raccolte, una progettazione modulare dei sensori e dei sistemi di acquisizione/trasmissione dei dati e un maggiore collegamento tra aziende e organismi di ricerca pubblica al fine di permettere uno sviluppo a livello industriale del prodotto