Il GPS per lo studio delle deformazioni della crosta terrestre

l GPS è ormai entrato a far parte della vita quotidiana di tutti noi, visto il crescente numero di dispositivi di uso comune che hanno al loro interno un ricevitore GPS (navigatori per auto, smartphone, tablet, orologi). Ma vediamo per quali scopi era nato e soprattutto come viene utilizzato in ambito geofisico, il sistema GPS.

Originariamente sviluppato negli USA per scopi militari negli anni Settanta del secolo scorso, il GPS (Global Positioning System) è un sistema di posizionamento globale basato sulla ricezione a terra di segnali radio emessi da una costellazione di satelliti artificiali in orbita attorno alla Terra ad un’altezza di circa 20000 km. Esso è stato il primo ed è tuttora il più utilizzato sistema di navigazione satellitare al mondo; negli anni infatti nuovi sistemi simili al GPS hanno visto la luce: il russo GLONASS, pienamente operativo dal 2011, il cinese BEIDOU e l’europeo GALILEO, ancora non completamente operativi. Tutti questi sistemi costituiscono, nel loro complesso, quello che è oggi noto con l’acronimo GNSS (Global Navigation Satellite System).

Nel prossimo futuro, l’utilizzo congiunto dei segnali provenienti dalle diverse costellazioni satellitari GNSS, che è in parte già una realtà, porterà vantaggi operativi e miglioramenti nella precisione del posizionamento.

Il principio di funzionamento del GPS si può semplificare in questo modo: il segnale emesso dai satelliti, piuttosto complesso e costituito da varie componenti (codici e fasi), viene ricevuto a terra da antenne collegate a opportuni ricevitori. Nota la posizione dei satelliti e il tempo impiegato dal segnale a compiere il percorso satellite-ricevitore, si riesce a determinare la posizione del punto a terra. Negli anni, il miglioramento delle tecniche di misura e degli algoritmi per l’elaborazione dei dati, ha permesso di arrivare a stimare la posizione tridimensionale di un punto (coordinate planimetriche e quota) con una precisione submillimetrica.

Oggi il GPS è uno strumento chiave in tanti settori della geofisica, consentendoci in primo luogo di misurare il movimento relativo tra punti sulla superficie della Terra, anche molto distanti tra loro e  appartenenti a placche diverse. Secondo la teoria della tettonica a placche, infatti, l’involucro più esterno della Terra (la litosfera, spessa circa 100 km) è suddiviso in placche rigide galleggianti sopra uno strato meno rigido immediatamente sottostante, detto astenosfera. Questa teoria si è sviluppata a partire dalla teoria della deriva dei continenti di Wegener, studioso che nella prima metà del XX secolo dedicò grandi energie per dimostrare come i vari continenti andassero alla deriva e fossero prima di ciò riuniti in un’unica grande massa continentale.  A partire dagli anni Sessanta del secolo scorso, la determinazione del moto delle placche è diventato uno dei problemi principali nell’ambito delle Scienze della Terra.

Un grosso passo avanti nello studio dei movimenti delle placche è stato fatto non solo grazie al GPS, ma più in generale grazie all’avvento delle varie tecniche di geodesia spaziale(DORIS, SLR-LLR, VLBI), ovvero quelle tecniche che fanno largo uso di satelliti artificiali e di segnali provenienti dallo spazio. Tra queste però, il GPS è sicuramente quella di più largo utilizzo e che ha avuto il più forte impulso negli ultimi 20-25 anni, grazie anche allo sviluppo e alla diffusione delle reti permanenti di osservazione, costituite da un gran numero di stazioni (ricevitori collegati ad antenne) che registrano il segnale GPS H24, 365 giorni l’anno.

In Italia esistono molte reti GPS permanenti, istituite da Università, Istituti di Ricerca, Enti locali, ditte private, per un totale di circa un migliaio di stazioni; una delle più importanti è la Rete Nazionale Integrata GPS (RING) dell’INGV, costituita da oltre 180 stazioni permanenti distribuite su tutto il territorio nazionale (mappa delle stazioni della RING).

Questo gran numero di stazioni permanenti consente di studiare in dettaglio come si sta deformando la crosta terrestre in Italia, attraverso la stima delle velocità di spostamentodelle stazioni stesse.

Particolarmente interessanti in ambito geofisico sono le deformazioni che si verificano in corrispondenza di un terremoto (deformazioni “cosismiche”) e anche successivamente ad esso (deformazioni “post-sismiche”); a questo riguardo i dati GPS svolgono un ruolo fondamentale, essendo complementari a quelli forniti dalla sismologia e dalla geologia. A partire dalla misura degli spostamenti dei punti in seguito al terremoto (differenza tra coordinate dopo l’evento e coordinate prima dell’evento), e attraverso opportuni algoritmi di calcolo, si può realizzare un modello di faglia, risalire cioè alla sua posizione, estensione e alla distribuzione del movimento sulla faglia stessa.

A livello mondiale, il primo grande test sul metodo GPS come strumento per lo studio della deformazione legata a un evento sismico si ebbe nel 1989, in occasione del terremoto di Loma Prieta, nella baia di San Francisco, di magnitudo 7.1. In quell’occasione, i ricercatori dell’USGS (United States Geological Survey) misurarono gli spostamenti dovuti al terremoto di alcuni punti, riuscendo così a ricavare informazioni riguardo alla faglia che aveva generato la scossa.

In Italia, i forti terremoti degli ultimi 20 anni, già a partire dalla sequenza di Colfiorito del 1997, ma soprattutto dopo il terremoto dell’Aquila del 2009 (che possiamo considerare il primo forte terremoto italiano avvenuto in piena “era GPS”), hanno ripetutamente mostrato le grandi potenzialità della tecnica nello studio dei terremoti. Successivamente, importanti risultati sono derivati dai dati GPS, sia in occasione del terremoto dell’Emilia del 2012 che della recente sequenza sismica in Italia centrale del 2016.

L’Aquila 2009 è stato anche il primo terremoto in Italia ad essere registrato da ricevitori GPS ad alta frequenza, ovvero strumenti che registrano il segnale con un intervallo di campionamento molto piccolo, ad esempio 1 o 10 dati al secondo, invece del “classico” intervallo di campionamento di 30 secondi. I dati GPS ad alta frequenza hanno permesso ai ricercatori dell’INGV di osservare per la prima volta il movimento dinamico del suolo durante il passaggio delle onde sismiche, in occasione della scossa principale del 6 aprile 2009.

Numerosi lavori in letteratura testimoniano come i dati GPS, eventualmente integrati con altri dati geodetici (interferometria satellitare InSAR) siano oggi uno strumento fondamentale nello studio dei terremoti. In particolare i dati GPS ad alta frequenza, in occasione di forti eventi sismici, sono in grado di fornire una stima rapida di magnitudo e parametri di faglia, che è alla base di un efficace sistema di allerta tsunami.

Secondo uno studio di Blewitt et al. (2006), se in occasione del disastroso terremoto (magnitudo 9) di Sumatra del 26 dicembre 2004, fosse stata attiva una rete GPS ad alta frequenza, si sarebbe riusciti a dare una stima della sorgente sismica e una conseguente allerta tsunami entro 15 minuti, salvando migliaia di vite umane.