Progetto strategico Gestione in sicurezza dei territori di montagna transfrontalieri RiskNat attività B7-C7 - Multirischio

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1 Progetto strategico Gestione in sicurezza dei territori di montagna transfrontalieri RiskNat attività B7-C7 - Multirischio MONITORAGGIO INFRASONICO MEDIANTE ARRAY RAPPORTO FINALE Firenze, Febbraio 2012 LABORATORIO DI GEOFISICA SPERIMENTALE UNIVERSITA DI FIRENZE CENTRO DI COMPETENZA PROTEZIONE CIVILE

2 INDICE Introduzione... 3 L array infrasonico presso Champoluc... 4 Caratterizzazione acustica del sito... 7 Sviluppo dell interfaccia grafica per l Ufficio Valanghe Conclusioni Bibliografia

3 Introduzione La Convenzione stipulata tra il Dipartimento di Scienze della Terra - Università degli Studi di Firenze (DST) - e la Regione Autonoma Valle d'aosta (VdA), ha come scopo il monitoraggio infrasonico mediante array per lo svolgimento delle attività previste dal progetto strategico Gestione in sicurezza dei territori di montagna transfrontalieri RiskNat attività B7-C7 - Multirischio. Nell ambito della convenzione le attività svolte e riportate nel presente Rapporto sono: Installazione di n 1 array infrasonico permanente composto da 4 elementi con sistema di trasmissione dati in tempo reale. Attività di manutenzione della strumentazione. Analisi per la caratterizzazione acustica del sito. Sviluppo di un interfaccia grafica per la condivisione delle informazioni con l Ufficio Valanghe della Regione. Stesura del presente Rapporto Finale. 3

4 L array infrasonico presso Champoluc L array infrasonico è stato installato il 18 Novembre 2010 presso Champoluc (AO) nella val d Ayas (Figura 1), all interno del comprensorio sciistico del Monte Rosa e ad una quota di ~2000 m slm. L array si compone di 4 elementi disposti secondo una geometria triangolare e ha un apertura (massima distanza tra due elementi dell array) di ~140 m (Figura 1). Figura 1. Google Earth Map con (a) localizzazione del sito e (b) posizione degli elementi (1-4) dell array infrasonico di Champoluc. Ciascun elemento è dotato di un microfono ottico OPTIMIC TM 2180 ad elevata sensibilità e basso rumore elettronico (~ -80 db relativo a 1 Pa 2 /Hz), una risposta lineare nella banda spettrale Hz, una notevole facilità di installazione e consumi estremamente ridotti (20 ma). Tali sensori sono stati installati in scatole di PVC coibentate e parzialmente interrate (Figura 2a). La trasmissione dei dati dai sensori (1-4 in Figura 1) al sistema di acquisizione è garantita mediante cavo in fibra ottica, il quale è stato intubato all interno di un tubo corrugato e messo in sicurezza mediante interramento (Figura 2b). L impiego di connessioni in fibra ottica riduce drasticamente l esposizione del sistema ai fulmini, garantendone una maggiore longevità. Le scatole in PVC sono state infine interrate e ricoperte di neve al fine di abbattere il livello di rumore infrasonico ad alta frequenza ed allo stesso tempo minimizzare l impatto ambientale. 4

5 Sperimentazione Array Infrasonico per il monitoraggio e la prevenzione delle valanghe - Champoluc Figura 2. Particolari dell installazione dell array infrasonico di Champoluc. I dati provenienti dai 4 sensori sono digitalizzati tramite un sistema di acquisizione Guralp CMG-DM24 con escursione dinamica di 24 bits e passo di campionamento di 100 Hz, posto in prossimità dell elemento 4 (Figura 2c). La sincronizzazione oraria è ottenuta tramite ricevitore GPS. Il sistema è stato progettato per operare in completa autonomia (consumo < 3 W) ed anche sotto la copertura nevosa fino a temperature di 25 C. Il sistema di alimentazione, composto da batterie tampone e 200 W di pannelli solari (Figura 2d), ha garantito la completa autonomia dell array durante tutto il periodo, anche in assenza totale di radiazione solare per circa 7 giorni (Figura 3a). Il sistema di acquisizione e di alimentazione dell array sono stati alloggiati all interno di una copertura in legno (Figura 2c) per facilitare le operazioni di accesso alla stazione centrale di raccolta dati in locale. Oltre alla registrazione dati in locale, l array è dotato di un componente per la trasmissione dati in tempo reale mediante tecnologia GPRS/UMTS. Dopo una prima fase di test (Novembre-Dicembre 2010, Figura 3c), il sistema di trasmissione è stato ottimizzato e, nel periodo Novembre 2010-Gennaio 2012 in cui l array ha operato in modo continuo, ha raggiunto un efficienza giornaliera media del 98% (Figura 3c). Nello stesso periodo di tempo, sono stati eseguiti due interventi di manutenzione ordinaria (controllo componenti), 1 intervento per la messa in sicurezza dei cavi in fibra ottica (Luglio 2011), e 1 intervento straordinari per la sostituzione del regolatore di carica del sistema di alimentazione (Figura 3a), per un totale di 25 giorni*uomo nell arco di 1 anno. 5

6 Figura 3. Andamento (a) del voltaggio, (b) della temperatura interna (Figura 2c), e (c) dell efficienza di trasmissione dati in tempo reale, nel periodo 19 Novembre Gennaio I dati di voltaggio e temperatura sono trasmessi in tempo per il controllo giornaliero dello stato del sistema di alimentazione. Le strategie adottate quindi, hanno reso il sistema in grado di operare in completa autonomia e di garantire un efficiente monitoraggio in tempo reale. 6

7 Caratterizzazione acustica del sito La capacità dell'array di risolvere segnali a bassa ampiezza come quelli prodotti generalmente dalle valanghe è fortemente legata al rumore naturale (prevalentemente vento) ed antropico (traffico, insediamenti, industrie) presente nel sito di installazione, oltre che dalla modalità di installazione della strumentazione. Per minimizzare quanto più possibile il rumore, l array è stato installato in un bosco (Figura 4) a circa 1 km dal centro abitato di Champoluc, e tutti i sensori sono stati interrati. Figura 4. Foto ripresa da sud (Ayas) del bosco dove è stato installato l array infrasonico di Champoluc. Il livello di rumore acustico caratteristico di questo sito è stato quantificato valutando l ampiezza infrasonica media al variare delle frequenze nel periodo 18 Novembre ed il 27 Dicembre 2010 (Figura 5, linea rossa). La curva di rumore misurata è espressa in db rispetto ad un valore di riferimento (1 Pa 2 /Hz) che consente il confronto con i valori calcolati a scala mondiale [Bowman et al., 2005]. In queste curve spettrali il picco spettrale intorno a 0.2 Hz è caratteristico di qualsiasi sito nel mondo, ed è legato alla perturbazione microbarometrica prodotta dal microsisma oceanico (moto ondoso). Nell intervallo di frequenza tra 1 e 10 Hz, tipico delle valanghe, il valore medio di rumore nel sito di Champoluc è compatibile con la curva caratteristica dei siti a basso vento (Figura 5 linea nera tratteggiata). Tale livello di rumore è confrontabile con quello osservato nel primo sito sperimentale di Staffal (Figura 5, linea celeste) posto nella valle orientale adiacente. Da un punto di vista acustico entrambe i siti, così come le strategie adottate per l installazione, sono più che soddisfacenti. La scelta del sito e le strategie adottate per minimizzare il livello di rumore acustico sono tali da consentire sfruttare l elevata sensibilità dei sensori montati dall array di Champoluc (Figura 5, linea rossa). Rispetto ai sensori montati nel primo anno di sperimentazione a Staffal (Figura 5, linea grigia), il guadagno è di db nella banda 1-10 Hz, che aumenta notevolmente la capacità risolutiva dell array sia in ampiezza (valanghe più piccole) che nello spazio (valanghe più lontane dall array). L impiego di tali sensori è fondamentale per risolvere le basse ampiezze che caratterizzano i segnali prodotti da valanghe di medio piccole dimensioni. 7

8 Sperimentazione Array Infrasonico per il monitoraggio e la prevenzione delle valanghe - Champoluc Figura 5. Rumore acustico nel sito di Champoluc e di Staffal (sperimentazione con due tipi di sensori a e b) nell'intervallo di frequenze Hz, espresso in decibel (db) rispetto ad un valore di riferimento standard (1 Pa2/ Hz). Le linee tratteggiate sono curve medie caratteristiche di siti con basso vento (bianca) e basso rumore (nera) a livello mondiale. La distribuzione azimutale dell energia acustica (Figura 6a) e del numero di detezioni (Figura 6b) riconosciti dall array durante il periodo Febbraio 2011 Gennaio 2012 la presenza di sorgenti particolarmente energetiche e/o persistenti che sono in prima analisi da attribuire a fenomeni antropici presenti nell intorno dell array. Ad esempio, a 129 N dall array si registrano segnali molto energetici ma poco persistenti nell arco del periodo di analisi, da attribuire ad una sorgente sporadica vicina all array, probabilmente localizzata nei pressi della parte meridionale del centro abitato di Champoluc. Figura 6. Mappa dell alta val d Ayas (VdA) e distribuzione azimuthale (a) dell energia acustica e (b) del numero di detezioni nel periodo Febbraio 2011Gennaio

9 Segnali meno energetici ma persistenti durante il periodo di analisi, sono concentrati all interno di un settore circolare N che comprende sia il centro abitato di Champoluc che la direzione prevalente della valle d Ayas, in gran parte da attribuire a rumore antropico prodotto all interno della valle stessa. L analisi di queste sorgenti ci permette di caratterizzarle ed, eventualmente, scartarle in fase di processing. Tuttavia, solamente l impiego di due o più array consente di localizzare puntualmente tali sorgenti in modo tale da verificarne la natura rumorosa. 9

10 Sviluppo dell interfaccia grafica per l Ufficio Valanghe All interno di territori montani sensibili al rischio valanghe, come gran parte dell arco alpino, gli array infrasonici come quello di Champoluc offrono l opportunità di monitorare in modo permanente l attività valanghiva all interno di vaste aree del territorio ( km 2 ), fornendo l orario di accadimento e la posizione di possibili distacchi, con ricadute immediate per la validazione dei modelli previsionali e per la definizione degli scenari di pericolosità e di rischio nel breve termine h [Chritin et al., 1996]. Uno dei principali obiettivi di questo progetto è stato proprio quello di fornire ausilio ai metodi classici di osservazione diretta (rilevamenti nivometrici, telecamere, etc), rispetto ai quali un array infrasonico come quello nell alta val d Ayas può operare anche in assenza di visibilità e a distanze di sicurezza rispetto alle zone di distacco, anche non direttamente a vista. La tecnologia degli array infrasonici fornisce l orario di accadiemento, la magnitudo e la direzione di provenienza di segnali acustici prodotti da varie sorgenti naturali, come le valanghe, ed antropici (aerei, perturbazioni atmosferiche, strade, esplosioni). L elaborazione dei dati di array, sviluppata interamente da questo Laboratorio [Ulivieri et al., 2011] ed adottata per l analisi dei dati dell array di Champoluc, in sostanza permette di scartare automaticamente i segnali riconducibili a sorgenti note non riconducibili a valanghe (Figura 7), e solamente i segnali con caratteristiche compatibili con eventi valanghivi (Figura 8) sono considerati come probabili distacchi. Figura 7. Direzione di provenienza (magenta) ed elevazione (rosso), rispetto alla posizione dell array, di un segnale infrasonico (blu) prodotto da un aeroplano: lunga durata (~ 1,5 minuti), ampia migrazione azimuthale (~180 ) e quota altissima (70 di elevazione). 10

11 Figura 8. Direzione di provenienza (magenta) ed elevazione (rosso) rispetto alla posizione dell array, di due segnali infrasonici (blu) prodotti durante una operazione di bonifica nei pressi della pista Sarezzi con esito positivo, il primo relativo al brillamento (Daisy-Bell) e il secondo legato al distacco della valanga innescata. Durata ~ 40 sec., lieve migrazione azimuthale (~180 ) e quota con trend in diminuzione (2-3 di elevazione). L orario e l azimuth di questi eventi, se forniti in tempo breve, possono dare indicazioni agli operatori sulle potenziali zone dove effettuare i sopralluoghi e/o le osservazioni. Il sistema di trasmissione ed elaborazione dati sviluppato risponde efficacemente a tali esigenze, fornendo ogni 15 minuti l Orario di Accadimento e la Direzione di Provenienza di probabili fenomeni valanghivi. Al fine di rendere facilmente fruibile l informazione, i risultati sono stati sintetizzati all interno di una pagina web ( champoluc). Su questa pagina, oltre ai tracciati registrati dall array (Figura 9) ed altre informazioni sullo stato del sistema, è presente (menu Processing Last24H events) una mappa (GoogleMap) dell alta val d Ayas, centrata sull array e con un estensione di ~ 200 km 2, sulla quale sono riportate le informazioni di orario (GMT) di accadimento (Figura 10b) e di direzione di provenienza (Figura 10, linee blu) degli eventi infrasonici avvenuti nelle ultime 24 ore. L utente, passando il mouse sopra l orario di accadimento vedrà colorarsi di rosso la direzione di provenienza corrispondente all evento selezionato; oppure cliccando sulla linea della direzione di provenienza, può risalire all orario di accadimento dell evento selezionato. In accordo con l Ufficio Neve e Valanghe della Regione Valle d Aosta, sulla mappa è stata sovrapposta la mappa del Rischio Valanghe relativa all area di indagine, in modo da facilitare il riconoscimento della zona. E importante sottolineare il fatto che ciascuna linea rossa indica una direzione, ed ogni punto che giace sulla stessa linea può essere la sorgente dell evento. Solamente con l impiego di 2 o più array è possibile dare la sorgente puntuale. Tale linea è stata estesa per una distanza massima di 8 km che consente di ricoprire tutta la parte alta della valle d Ayas. Il sistema ideato quindi, si propone come strumento operativo di monitoraggio in tempo reale di settori geografici con probabile distacco di valanghe, denominato Rilevatore Acustico di probabili Valanghe (RAV). 11

12 Sperimentazione Array Infrasonico per il monitoraggio e la prevenzione delle valanghe - Champoluc Figura 9. Pagina web ( dedicata al monitoraggio in tempo reale dell attività infrasonica nell alta val d Ayas. I tracciati acustici delle ultime 6 ore sono riportati in righe di 15 minuti ciascuna. In basso sono presenti 4 tab menus per selezionare le 18 ore precedenti; a destra i 4 canali dell array (sensor 1 - sensor 4). Figura 10. Pagina web ( dedicata al monitoraggio in tempo reale dell attività infrasonica nell alta val d Ayas. Localizzazione (Direzione di Provenienza) degli eventi infrasonici (linee blu) delle ultime 24 ore rispetto al tempo reale, compatibili con segnali prodotti da valanghe. A destra in alto l Orario di Accadimento. Base cartografica Google Map/Earth con layer interattivo della Mappa del Rischio Valanghe. 12

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14 Conclusioni Le attività svolte durante il presente progetto hanno reso possibile la realizzazione di un Sistema Acustico di rilevamento in tempo reale di possibili Settori Geografici con probabile distacco di valanghe nell area dell alta val d Ayas. L array infrasonico è dotato di completa autonomia ed il sistema di trasmissione dati in tempo reale garantisce una efficienza media giornaliera del 98%. L impiego di sensori ad elevata sensibilità nella banda 1-10 Hz e le strategie adottate per l abbattimento del rumore garantiscono una elevata capacità risolutiva dell array sia in termini di ampiezza che spaziale, fondamentale per risolvere i deboli segnali prodotti da valanghe. I dati dell array sono stati tradotti in termini di Orario di Accadimento e Direzione di Provenienza di probabili valanghe all interno di un area di circa 200 km 2 intorno all array, e restituite in quasi tempo reale (15 minuti di ritardo) su piattaforma web ( Il sistema ideato presso Champoluc costituisce ad oggi uno strumento operativo di ausilio ai metodi classici di osservazione diretta che può operare anche in assenza di visibilità e a distanze di sicurezza rispetto alle zone di distacco ed anche non direttamente a vista. I dati dell array saranno oggetto di approfondite ricerche per lo studio del grado di risoluzione dell array nell identificare, localizzare e quantificare l attività valanghiva spontanea. 14

15 Bibliografia Bowman, J. R., G. E. Baker, and M. Bahavar, 2005, Ambient infrasound noise, Geophys. Res. Lett., 32, L09803, doi: /2005gl Chritin, V., Rossi, M., Bolognesi, R., Acoustic detection system for operational av- alanche forecasting. Proceeding of International Snow Science Workshop, Banff, Alberta, 6 11 October 1996, pp Ulivieri, G., E. Marchetti, M. Ripepe, I. Chiambretti, G. Derosa, V. Segor, 2011, Monitoring snow avalanches in Northwestern Italian Alps using an infrasound array. Cold Regions Science and Technology 69,