GLARISKALP - RISCHI GLACIALI NELLE ALPI OCCIDENTALI Azione 2.B Sito pilota Seracco delle Grandes Jorasses

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1 GLARISKALP - RISCHI GLACIALI NELLE ALPI OCCIDENTALI Azione 2.B Sito pilota Seracco delle Grandes Jorasses RELAZIONE SCIENTIFICA CONCLUSIVA

2 INDICE 1 INTRODUZIONE OBIETTIVI DELL AZIONE SCOPO DEL DOCUMENTO SITO PILOTA SERACCO DELLE GRANDES JORASSES Descrizione Tecniche sperimentali adottate per la caratterizzazione del seracco Paline con prismi sul seracco e stazione totale automatica Descrizione delle attività realizzate nell'ambito del progetto GlaRiskAlp Rete senza fili di ricevitori GNSS Caratteristiche del sistema Fasi di realizzazione del sistema Scelte progettuali Costruzione della rete Installazione in sito Operatività del sistema ed interventi di manutenzione Elaborazione dei dati Interferometria SAR satellitare Fasi di attuazione Installazione di 2 corner reflectors sul seracco Installazione di 1 corner reflector a Planpincieux Monitoraggio sismico Realizzazione del sistema Approccio seguito per l elaborazione dei dati Algoritmi per l identificazione di un evento sismico Applicazioni fotogrammetriche... 39

3 3.4.1 Fotogrammetria aerea obliqua Considerazioni sulla presa dei fotogrammi stereoscopici Fotogrammetria fissa Considerazioni sulla georeferenziazione dei modelli tridimensionali Generazione di modelli tridimensionali georiferiti Fotogrammetria fissa automatica Realizzazione del sistema fotogrammetrico fisso Requisiti Componenti del sistema Sistema di ancoraggio Sistema di alimentazione Box per l'alloggiamento della strumentazione Micro-computer Corpo macchina e ottiche Scelta della geometria di presa Stima dei parametri di orientamento interno Variazione dei parametri di orientamento interno e loro controllo Parametri di orientamento esterno Stima dei parametri di orientamento esterno Il sistema di restituzione Monitoraggio termico degli ammassi rocciosi circostanti il seracco Analisi dei risultati WSN di ricevitori GNSS Monitoraggio sismico Controllo di qualità dei segnali sismici Valutazione del rumore di fondo e dei transienti sismici... 66

4 4.2.3 Applicazione dell algoritmo STA/LTA al set di dati e conclusioni Analisi degli eventi sismici in funzione della velocità del seracco Interferometria SAR satellitare Monitoraggio fotogrammetrico Risultati dai voli fotogrammetrici Primi risultati dal sistema fotogrammetrico fisso Test in sito di un primo sistema Regime termico superficiale del substrato e andamento meteo-climatico del settore delle Grandes Jorasses Andamento meteo-climatico Regime termico superficiale del substrato roccioso Relazione temperatura-dinamica del seracco Conclusioni Riferimenti... 90

5 INDICE DELLE FIGURE Figura 1 Veduta frontale del seracco delle Grandes Jorasses Figura 2 Effetti del crollo del Figura 3 [alto] Rappresentazione della WSN su fotografia delle Grandes Jorasses. [basso] Schema della WSN Figura 4 Scheda PCB per il controllo del ricevitore GNSS, salvataggio temporale dei dati e trasmissione radio Figura 5 Misure di consumi di corrente di un singolo nodo WSN Figura 6 Foto del prototipo (ricevitore GNSS + prisma) Figura 7 Vista di due dei tre ricevitori GNSS installati sul sito pilota delle Grandes Jorasses Figura 8 Vista del pilastro di roccia dove è stato installato il ponte radio Figura 9 Corner installato sul seracco Figura 10 Corner installato a Planpincieux Figura 11 Schema di installazione del sismografo sul seracco delle Grandes Jorasses con sensore in ghiaccio Figura 12 Vista del sismografo installato sotto la Punta Whymper Figura 13 Prima installazione del sismografo Figura 14 Installazione del sismografo con sensore in roccia Figura 15 Esempio di applicazione dell algoritmo STA/LTA applicato ad un segnale sismico registrato nel 2009 (sensore in ghiaccio). A205-BHZ: segnale originale registrato sulla componente verticale; A205-BHN: funzione STA/LTA Figura 16 Esempio di presa fotogrammetrica da elicottero: i rettangoli rossi mostrano l'orientamento dei fotogrammi rispetto all'oggetto fotografato. I segmenti verdi si congiungono in un punto che rappresenta il centro focale dell'ottica Figura 17 Posizione dei quattro punti di controllo a terra (GCP) per la georeferenziazione del rilievo. L'immagine di destra mostra il particolare del punto BD ancorato su parete sub-verticale Figura 18 Coppia di fotogrammi stereoscopici pronti per la restituzione del modello tridimensionale. Nelle immagini vengono riconosciuti i tabelloni fotogrammetrici che permettono di georiferire il rilievo Figura 19 In primo piano la scheda programmabile per il controllo del corpo macchina e del modem per l'invio dei dati sui server di calcolo Figura 20 Immagine raffigurante il primo sistema di acquisizione realizzato

6 Figura 21 Individuazione delle possibili posizioni di presa del sistema di monitoraggio del seracco Figura 22 Misura della distanza di presa dalla posizione monitoraggio scelta per l installazione dei sistemi di acquisizione Figura 23 Cartellone di calibrazione fotografato dalla camera all'interno del box. Sono state realizzate immagini con camera/box orizzontale e verticale. I parametri di orientamento interno sono stati stimati su un totale di 20 immagini per ciascun sistema Figura 24 Esempio del sistema di monitoraggio delle temperature utilizzato (sensore sulla parete nord) Figura 25 Posizione sensori di temperatura sul versante meridionale Figura 26 Posizione sensore di temperatura sulla parete nord Figura 27 Confronto velocità dei prismi Vs velocità ricevitori GNSS Figura 28 analisi dei dati disponibili e riconoscimento dei periodi di corretta acquisizione del segnale Figura 29 registrazioni sismiche relative all evento del occorso alle ore 06:16 nella Valle del Trebbia (magnitudo locale = 3.5). La sigla A215-BHZ individua la registrazione relativa alla componente verticale fornita dalla stazione Figura 30 registrazioni sismiche relative all evento del occorso alle ore 07:05 nelle Alpi Graie (magnitudo locale = 1.1). La sigla A215-BHZ individua la registrazione relativa alla componente verticale fornita dalla stazione installata presso il seracco Figura 31 visualizzazione del segnale registrato presso il seracco il giorno dalle ore 08:00 alle ore 09: Figura 32 visualizzazione del segnale registrato presso il seracco il giorno dalle ore 12:00 alle ore 13: Figura 33 esempi di segnale di tipo 2 (a sinistra) e di tipo 1 (a destra) - (registrato da sensore su ghiaccio) Figura 34 esempi di segnale di tipo 2 (a sinistra) e di tipo 1 (a destra) - (registrato da sensore su roccia) Figura 35 esempio di segnale di tipo 1 alta frequenza (registrato da sensore su ghiaccio).. 69 Figura 36 esempio di segnale di tipo 2 bassa frequenza (registrato da sensore su ghiaccio) Figura 37 somiglianza tra segnali di tipo 2 bassa frequenza (registrato da sensore su ghiaccio) Figura 38 esempio di segnale di tipo 1 alta frequenza (registrato da sensore su roccia)... 70

7 Figura 39 esempio di segnale di tipo 2 bassa frequenza (registrato da sensore su roccia). 71 Figura 40 esempio dei risultati ottenuti applicando l algoritmo di identificazione e counting di eventi applicato a tutti i dati affidabili disponibili per il 2009 utilizzando soglie differenti (Periodo 1 in Tabella 1, circa un mese di dati) Figura 41 risultato dell analisi di identificazione e counting applicata a tutti i dati disponibili: periodo 1, anno 2009, periodo 3, anno 2010 e periodo 4 anno Figura 42 Confronto conteggio eventi sismici velocità prismi Figura 43 Esempio di volume di ghiaccio crollato e modellato grazie all'utilizzo della tecnica fotogrammetrica. Il blocco di ghiaccio ha un volume di circa 7000 m Figura 44 Modellazione del potenziale volume di ghiaccio instabile alla data del 29 ottobre La creazione di una nicchia di distacco virtuale ha permesso di realizzare delle sezioni dalle quali si è potuto stimare il volume Figura 45 Modello tridimensionale del seracco che evidenzia il trasferimento di massa dalla porzione di accumulo a quella di ablazione/crollo. Le aree blu rappresentano una riduzione di massa mentre quelle rosse un aumento Figura 46 Installazione del primo prototipo a monte del seracco delle Grandes Jorasses a quota 4100 m s.l.m Figura 47 Immagine realizzata dal prototipo relativa alle ore 13 del 9 gennaio Figura 48 Modello tridimensionale a punti realizzato dai punti di presa dove verranno installati i due sistemi Figura 49 Distribuzione delle stazioni meteo utilizzate per l'inquadramento meteo-climatico del periodo in esame. T: temperatura. P: precipitazione. N: altezza neve Figura 50 Precipitazioni cumulate annue (mm) nelle stazioni meteo prese in considerazione.. 82 Figura 51 Temperature medie annue dell'aria( C) nel le stazioni meteo prese in considerazione. Le temperature delle Grandes Jorasses sono state interpolate alla quota del seracco pensile (4100 m) applicando un gradiente termico giornaliero calcolato utilizzando le stazioni meteo di M. de la Saxe e Punta Helbronner Figura 52 Andamento misurato della copertura nevosa nelle stazioni meteorologiche di Ferrache, Pré de Bar e M. de la Saxe nei tre anni di osservazione Figura 53 Andamento delle temperature superficiali della roccia nei tre punti di monitoraggio. I dati mancanti sono dovuti ad errori di trasmissione del dato Figura 54 Temperature medie annue della roccia ( C) nei tre punti di misura ed alle diverse profondità (cm)

8 Figura 55 Indici di variabilità delle temperature nei 3 punti di misura alle diverse profondità per l'intero periodo di osservazione. Per il sito GJN i calcoli si riferiscono ad un solo anno idrologico. MAXabs: media delle massime assolute; MINabs: media delle minime assolute; ZCD: zero crossing day, giorni in cui viene attraversato il valore di 0 C; DMBZ: daily mean below zero, giorni con temperatura media negativa Figura 56. Matrice di correlazione (R 2 ) tra i sistemi di monitoraggio della dinamica del seracco e la temperatura dell'aria e della roccia per tutto il periodo di osservazione Figura 57 Andamento comparato di alcuni parametri di interesse nel periodo 20 Agosto - 21 Dicembre, (alto) temperatura media giornaliera dell aria e della roccia a 30 cm di profondità, (mezzo) velocità media superficiale del seracco da misure GPS, (basso) numero (normalizzato) di eventi sismici al giorno Figura 58 Andamento comparato di alcuni parametri di interesse nel periodo 20 Agosto - 21 Dicembre, (alto) temperatura media giornaliera dell aria e della roccia a 30 cm di profondità, (mezzo) velocità media superficiale del seracco da misure GPS, (basso) numero (normalizzato) di eventi sismici al giorno

9 ACRONIMI ED ABBREVIAZIONI Acronimi / Abbreviazioni BPE DINSE DGPS DISTAV ETH GCP GNSS GPS GPRS PCB VAW WSN Significato Bernese Processing Engine Dipartimento di Scienze e Tecniche per i processi di insediamento Politecnico di Torino Differential GPS Dipartimento di Scienze della Terra, dell'ambiente e della Vita dell Università di Genova (Laboratorio di sismica) EidgenössischeTechnischeHochschule Università federale svizzera, Zurigo Ground Control Point Global Navigation Satellite System Global Positioning System General Packet Radio Service Printed Circuit Board VersuchsanstaltfürWasserbau, Hydrologie und Glaziologie Dipartimento di idrologia e glaciologia dell ETH Wireless sensor network

10 1 INTRODUZIONE L azione 2.B del progetto GlaRiskAlp è focalizzata sullo studio specifico di un ghiacciaio pensile situato in Val Ferret (Courmayeur Regione Autonoma Valle d'aosta) sul versante meridionale delle Grandes Jorasses, immediatamente a valle della cresta sommitale, ad una quota compresa tra i 4100 e i 4300 m s.l.m.; domina la Val Ferret, con un dislivello di 2600 m. Il ghiacciaio si sviluppa su una superficie di circa m2 ed è un ghiacciaio freddo, che scorre su substrato roccioso, con una pendenza di 30. E caratterizzato da un aumento periodico di volume che viene riequilibrato con la fratturazione della fronte e un regolare crollo di volumi di ghiaccio di dimensioni variabili. A causa della forte acclività del versante, dei notevoli dislivelli e dell'assenza di vegetazione d alto fusto, il distacco di masse di ghiaccio dal ghiacciaio pensile delle Grandes Jorasses può generare valanghe di grandi dimensioni che possono avere un impatto catastrofico sull'attività antropica del fondovalle, in particolare durante il periodo invernale quando la neve ricopre tutto il versante. Per l attività 2.B. riguardante il seracco delle Grandes Jorasses ci si è basati sullo studio condotto, a partire dal 1996, da un'équipe di ricercatori coordinati dal prof. M. Funk (ETH Zurigo), in seguito alla formazione di grossi crepacci nella massa di ghiaccio sospesa, prima nel settore frontale, poi nella porzione a monte. Tali crepacci facevano temere un distacco totale della massa glaciale, con un crollo che avrebbe potuto provocare danni ingenti alle strutture a valle nonché il rischio per l incolumità dei fruitori di tali strutture in caso di distacco durante il periodo invernale. L'analisi e la previsione del crollo, prodottosi in due tempi, nel mese di gennaio del 1997 e nel mese di maggio del 1998, due anni dopo l'avvio del monitoraggio, furono complicate dall'assenza di dati scientifici sull'evoluzione del ghiacciaio pensile. Tale carenza di dati è oggi colmata da diverse azioni avviate dalla FondMS nel 2007 nell'ambito del progetto Interreg Spazio Alpino "ClimChAlp" e del progetto "Tecniche e tecnologie per il monitoraggio dei seracchi pensili" finanziato dalla Regione Autonoma Valle d'aosta. Enti coinvolti nell azione 2.B: Fondazione Montagna sicura, Arpa Valle d Aosta, CNRS(laboratorio Gipsa Lab), Université de Savoie(laboratorio Listic).

11 OBIETTIVI DELL AZIONE L azione ha come scopo l'approfondimento delle conoscenze sulla dinamica del ghiacciaio pensile delle Grandes Jorasses e lo sviluppo di metodologie e tecniche per lo studio di casi simili. In particolare durante il progetto si sono volute testare varie tecnologie di monitoraggio, al fine di verificare se siano adatte ad un ambiente d alta quota, sia in termini tecnici che economici. La conoscenza delle dinamiche di crollo dei seracchi si rivela importante per gli amministratori del territorio, che possono trovarvi una base scientifica per permettere e migliorarne le previsioni (laddove possibile) e consentire l applicazione di misure di prevenzione. Le attività realizzate sul ghiacciaio delle Grandes Jorasses hanno i seguenti obiettivi: testare ed applicare tecnologie innovative per una conoscenza approfondita dei fattori che regolano la dinamica del seracco pensile studiato; creare una banca dati utile alla modellazione della dinamica glaciale; caratterizzare il regime termico del seracco pensile delle Grandes Jorasses; fornire informazioni aggiuntive, in supporto al sistema monitoraggio del ghiacciaio, gestito da FondMS per conto della struttura organizzativa Attività geologiche dell Assessorato Opere Pubbliche, Difesa del Suolo e Edilizia Residenziale Pubblica della Valle d'aosta). SCOPO DEL DOCUMENTO Il presente documento riporta il sunto delle azioni condotte nell ambito del task 2.b. del progetto GlaRiskAlp sul sito pilota delle Grandes Jorasses illustrando le tecnologie testate, le fasi di sviluppo, i dati raccolti, le analisi effettuate ed i risultati conseguiti. Il taglio del documento non vuole essere eccessivamente tecnico, in modo da essere chiaro anche per i meno esperti del settore che vogliano iniziare ad affrontare le tematiche trattate.

12 2 SITO PILOTA SERACCO DELLE GRANDES JORASSES 2.1 Descrizione Il Ghiacciaio sospeso delle Grande Jorasses si sviluppa tra i 4100 e i 4300 m di quota s.l.m. e insiste su due ghiacciai (Grandes Jorasses e Planpincieux) che a loro volta sovrastano l abitato di Planpincieux (1590 m s.l.m.), in Val Ferret Courmayeur. Figura 1 Veduta frontale del seracco delle Grandes Jorasses Il Ghiacciaio delle Grandes Jorasses è considerato un ghiacciaio freddo, ossia è caratterizzato da un regime termico tale per cui tutta la massa è al di sotto della temperatura di fusione e quindi non è presente acqua allo stato liquido. Ciò implica che non vi sono perdite di massa per fusione della neve e del ghiaccio, ma che le perdite avvengano per collasso di una parte o di tutto il corpo glaciale per effetto della forza di gravità. Il ciclo di formazione e crollo del seracco delle Grandes Jorasses è un processo lento e dalla durata variabile nell arco di alcuni anni in funzione dell entità delle precipitazioni e della perdita di massa durante i crolli. Negli ultimi 60 anni sono stati registrati alcuni eventi più significativi direttamente connessi al crollo di porzioni del seracco o riconducibili ad esso: 21 dicembre 1952: una valanga di grosse dimensioni di ghiaccio e neve raggiunge il villaggio di Planpincieux provocando numerosi danni; si ipotizza che la valanga sia stata innescata dal crollo di ghiaccio dal seracco sul versante sottostante;

13 2 agosto 1993: un crollo di circa m³ travolge e uccide 8 alpinisti che stanno effettuando la salita normale alla vetta delle Grande Jorasses; luglio 1996: si verificano ripetuti crolli per un volume totale di circa m³ che innescano una valanga; 23 gennaio 1997: sono censiti ripetuti crolli per un volume totale di circa 1700 m³ con l innesco di una valanga; 25 gennaio 1997: a distanza di 2 giorni si verificano altri ripetuti crolli per un volume totale di circa m³; 1 giugno 1998: a più di un anno dai crolli del 1997, si verifica infine la caduta dell intero seracco per un volume pari a m³ circa. In questa circostanza il ghiacciaio presentava importanti fratture che lasciavano prevedere il crollo di una parte considerevole del seracco e per tale motivo era stato posto in essere un sistema di monitoraggio. L ipotesi di un collasso del seracco nel periodo invernale avrebbe come conseguenza l innesco una valanga di grosse dimensioni, a causa della consistente copertura nevosa del versante. Data la periodicità degli eventi ed i nuovi studi condotti dall ETH di Zurigo su seracchi pensili[1] nell ambito del progetto GlaRiskAlp si è perciò voluto riprendere lo studio di questo sito. Inoltre a partire dal 2009 una situazione analoga a quella del 1997, precedente all ultimo crollo di quasi tutto il seracco, è stata ravvisata per cui a partire dal mese di agosto 2009 un sistema di monitoraggio è stato messo in opera, volto alla previsione di crolli medi-grandi, che, soprattutto in inverno, possono comportare dei rischi per il fondovalle. Gli studi sperimentali condotti nell ambito del progetto GlaRiskAlp intervengono a supporto del sistema di monitoraggio topografico, per caratterizzare il ghiacciaio pensile delle Grandes Jorasses

14 Figura 2 Effetti del crollo del Tecniche sperimentali adottate per la caratterizzazione del seracco Come detto nel paragrafo precedente il seracco ha una sua vita: un accrescimento continuo durante gli anni, regolato da perdite più o meno consistenti di porzioni dello stesso fino al raggiungimento di una massa critica che favorisce la formazione di una frattura più consistente che lo attraversa completamente e ne determina la rottura ed il crollo a valle di quasi la totalità del volume isolato. Il processo di accrescimento comporta un processo di crescita verticale (accumulo di strati di neve e poi ghiaccio), ma al contempo vi è uno scivolamento verso valle, per gravità, della massa di ghiaccio. Questo movimento lungo la direzione di massima pendenza avviene con una velocità pressoché costante nel tempo fino al momento di formazione di importanti fratture che determinano una maggiore velocità della porzione a valle di queste, con un accelerazione esponenziale che si protrae per 5-10 giorni fino al momento della rottura. Nell intento di studiare questo fenomeno le attività realizzate nell'ambito del progetto sono state volte a: 1. monitorare la velocità del ghiacciaio

15 attraverso la misurazione diretta di spostamenti: o rete senza fili di ricevitori GNSS sul ghiacciaio; o interferometria satellitare; attraverso osservazioni indirette: o monitoraggio sismico del seracco; 2. monitorare l evoluzione morfologica del seracco o fotogrammetria mobile e fotogrammetria fissa automatica 3. caratterizzare l evoluzione delle temperature del substrato roccioso o termometri in roccia Per la validazione delle tecniche appena descritte si è utilizzato come riferimento il sistema topografico con prismi sul seracco e stazione totale presente in sito, ma non rientrante nelle attività del progetto GlaRiskAlp. 2.3 Paline con prismi sul seracco e stazione totale automatica (Fondazione Montagna sicura - al di fuori di GlaRiskAlp) Si tratta di una tecnica classica adottata per il monitoraggio del movimento di frane ai fini di protezione civile ed utilizzata anche per il monitoraggio delle Grandes Jorasses a partire da agosto Tale tecnica consiste nel posizionare sul corpo in movimento delle paline con alla sommità un prisma riflettente che permette di misurarne la posizione con un distanziometro laser. Al fine di un monitoraggio in continuo la distanza viene misurata periodicamente da una stazione totale motorizzata ed automatica posta in una posizione stabile. Il sistema presenta una buona affidabilità in quanto non richiede l installazione di elementi ad alto contenuto tecnologico sul seracco, ma solamente dei prismi riflettenti (dal costo contenuto). La strumentazione automatica è posta a valle in una posizione facilmente accessibile per eventuali interventi di manutenzione. Lo svantaggio di tale strumentazione è che risente fortemente delle condizioni atmosferiche che si manifestano sotto forma di: errori - Nel caso specifico delle Grandes Jorasses la distanza che separa i prismi dalla stazione totale è di circa 4500 metri con un dislivello di circa 2300 metri. In particolare l effetto del dislivello è importante in quanto a quote diverse varia sia la temperatura dell aria (si riduce di circa 0.6 C ogni 100 metri di dislivello) che l umidità con conseguente variazione dell indice di rifrazione dell atmosfera. Tale variazione ha effetto sia sulla velocità di propagazione del raggio laser sia sulla linearità dello stesso che

16 subisce un leggero incurvamento. Si è osservato che tale variazione pesa per 6 cm sulle misurazioni. Al fine di correggere tale errore è presente un(o più) prisma su roccia in una posizione ritenuta fissa nel tempo, utilizzato al fine di stimare la correzione da applicare alle letture sui prismi posizionati su ghiaccio. mancate letture - Data la distanza che separa la stazione totale dai prismi, il sistema risente anche di tutte le condizioni meteo che limitano la visibilità come pioggia, nuvolosità bassa, nevicate. A causa di tali effetti, non di rado può succedere di non avere delle letture dei prismi per diversi giorni. Data l esperienza nell uso e interpretazione dei dati derivanti dal sistema topografico e la continuità di tali dati per tutta la durata del progetto, questo sistema rappresenta il riferimento per la validazione delle altre tecniche sperimentali, testate nell'ambito del progetto GlaRiskAlp. 3 Descrizione delle attività realizzate nell'ambito del progetto GlaRiskAlp 3.1 Rete senza fili di ricevitori GNSS (Fondazione Montagna sicura) Caratteristiche del sistema Il sistema di posizionamento globale (GPS) è conosciuto da tutti per il suo grande sviluppo e diffusione come strumento di posizionamento e navigazione satellitare, che attraverso una rete di satelliti artificiali di proprietà del governo degli Stati Uniti consentono ad un ricevitore di stabilire propria posizione. Tale sistema è ora affiancato da sistemi alternativi e complementari come Glonass e, in futuro, Galileo. I sistemi sono interoperabili e si basano su di una costellazione di satelliti che trasmettono un ben determinato segnale contenente un codice che viene letto ed interpretato da un ricevitore, detto ricevitore più genericamente GNSS (Global Navigation Satellite System) al fine di eseguire una misura di distanza satellite-ricevitore per ricavarne una posizione. Meno noto è l impiego di ricevitori GNSS come strumento di precisione per rilievi topografici o per il monitoraggio di movimenti di frane, strutture e ghiacciai. Si tratta di strumenti che ricevono non solo la frequenza L1 trasmessa dal satellite, ma anche la frequenza

17 L2 e presentano accorgimenti costruttivi (determinazione del centro di fase dell antenna) che permettono di raggiungere precisioni molto maggiori (comunque limitate a circa 10 metri non ancora adeguate per la misura dei movimenti del ghiacciaio). Al fine di ottenere un miglioramento significativo di prestazioni, con precisioni al di sotto di 1 cm, bisogna ricorrere a metodi di elaborazione dei dati secondo la tecnica differenziale. La tecnica differenziale (Differential GPS) consiste nell elaborazione dei dati provenienti da più ricevitori GNSS al fine di calcolare con accuratezza la distanza relativa tra di essi, andando ad eliminare determinati errori (errore di orologio interno del ricevitore, errori atmosferici, ). Nel caso particolare delle Jorasses si è voluto sviluppare un sistema basato su 3 ricevitori GNSS posti sul seracco, appoggiandosi per il processamento dei dati a stazioni GNSS permanenti presenti in zona Fasi di realizzazione del sistema Scelte progettuali Si è voluto realizzare una rete di sensori GNSS che possa funzionare in completa autonomia, anche in condizioni ambientali e meteorologiche particolarmente difficili e garantire l operatività per 365 giorni l anno in modo da essere complementare e di supporto al sistema di monitoraggio topografico già operativo. Per i ricevitori da porre sul seracco si è partiti dalla considerazione che non potevano essere dei ricevitori professionali, che al momento dell avvio del progetto avevano un costo base superiore ai euro, oltre all ingegnerizzazione necessaria per lo sviluppo di un sistema di alimentazione indipendente e di trasmissione dati. Per tale ragione si è incentrato lo sviluppo su schede GNSS a singola frequenza, a basso costo, che raggiungono grande precisione grazie all'elaborazione dei dati mediante calcolo differenziale e a lunghi periodi di integrazione (acquisizione continua 24/24h). Considerando la limitata estensione della superficie del seracco si è reputato sufficientemente rappresentativa una rete composta da 3 stazioni indipendenti (ricevitore GNSS, logger, trasmettitore wireless). Data la non accessibilità del sito e l'intenzione di voler sviluppare un applicazione real-time è stata studiata/messa a punto una rete radio in grado di trasmettere i dati al fondovalle. Siccome la trasmissione radio è l elemento con maggiori consumi di corrente, volendo limitare le dimensioni del sistema di alimentazione, si è deciso di ridurre la potenza trasmessa inserendo un quarto nodo che si occupi solamente di raccogliere i dati delle 3 stazioni poste sul ghiacciaio ed inviarli alla stazione ricevente posta a

18 valle (anche alla luce del fatto che non tutte le stazioni potrebbero trovarsi in visibilità ottica con quest'ultima). Partendo da tali restrizioni si è progettato l intero sistema della WNS (Wireless Sensor Network). WSN comandata da un PC posto nel fondovalle che riceve i dati da tutti i ricevitori GNSS li registra in appositi file e si occupa dell invio degli stessi al server di calcolo (inizialmente al DINSE del Politecnico di Torino, poi a Villa Cameron) via collegamento GPRS Costruzione della rete L attività di progetto e sviluppo dei ricevitori GNSS e della WSN è stata condotta in collaborazione con Envisens Technologies, spin-off del Politecnico di Torino. Per quanto riguarda il ricevitore GNSS si è scelto di adottare la scheda OEM Ashtech A12, già utilizzata in precedenza per passate attività, dalle buone prestazioni e con un prezzo di poco superiore ai 50 euro. Il modulo GNSS è dotato di interfaccia UART e connettore SMB per l antenna esterna (alimentata). Una volta configurato acquisisce in continuo i dati dai satelliti e li invia su UART tramite protocollo NMEA con un rate di 15 secondi (~5 MB/day). Per quanto riguarda la realizzazione della tratta radio si è evidenziata una criticità: i trasmettitori commerciali a basso consumo non hanno la possibilità di salvare momentaneamente i dati per ottimizzare i tempi di trasmissione. Per tale ragione si è deciso di progettare e sviluppare in modo completo la catena di trasmissione e ricezione dati, fase che ha richiesto un notevole impegno, ma che ha portato però a definire un sistema di cui si ha il pieno controllo. Fase 1 - Definizione dell architettura della rete. A seguito di alcune valutazioni la migliore configurazione della rete radio è stata definita come rappresentato in nell'immagine e nello schema della Errore. L'origine riferimento non è stata trovata.. Il nodo A rappresenta il ricevitore posto nel fondo valle, il nodo B e C costituiscono il ponte radio posizionato su roccia ed i nodi D, E ed F sono i ricevitori GNSS posti sul seracco. L adozione del ponte radio intermedio è inevitabile considerando che è l operazione con maggior consumo di corrente e avendo a disposizione una limitata potenza limitata dalle dimensioni compatte del sistema di alimentazione. In una prima analisi si era analizzata anche la possibilità di utilizzare antenne direttive per le paline con i ricevitori GNSS, ma su in quanto essi sono in movimento con il ghiacciaio e rischiano di perdere il puntamento.;d altra parte la distanza da coprire è di oltre 4000 metri.

19 3 GNSS D, E, F B, C A Figura 3 [alto] Rappresentazione della WSN su fotografia delle Grandes Jorasses. [basso] Schema della WSN Fase 2 Realizzazione della componentistica elettronica Tutti i nodi di Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. sono costituiti da una scheda CB con un interfaccia di comunicazione seriale ed un'interfaccia radio; essi dispongono inoltre di un microcontrollore. Con la sola variazione del software nel microcontrollore (firmware) si è in

20 grado di pilotare l elettronica in modo da adempiere alle diverse funzioni (es: trasmettitore, ricevitore). Al fine di limitare i consumi delle schede si è inoltre installato una RAM con funzioni di buffer che permetta di trasmettere solo per brevi periodi. Per la realizzazione di tali schede si è disegnato lo schema elettrico, il layout, curato il routing ed infine eseguita la stampa su substrato dielettrico ed aggiunti i componenti elettronici. Il risultato è visibile in Errore. L'origine iferimento non è stata trovata.. Si possono osservare tutte le componenti della scheda: 1. modulo radio: ricetrasmettitore ed amplificatore impostati con modulazione e bitrate in modo da offrire il miglior rapporto segnale/rumore; la radio viene spenta durante il periodo in cui non vengono trasmessi i dati, minimizzando i consumi. 2. microcontrollore: controllore a basso consumo che si occupa della programmazione del ricevitore GNSS allo start up, del log periodico dei dati e dell invio a valle tramite il modulo radio; 3. memoria RAM: per il salvataggio temporaneo dei dati per un intervallo di circa 30 minuti; 4. led di debug: led che indicano lo stato della scheda al fine di verificarne il funzionamento; 5. connettore RS232 e connettore UART per il ricevitore GNSS: il primo connettore viene utilizzato per comunicare tra le schede B e C e tra la scheda A e il PC (vedi figura 5), mentre il secondo connettore viene utilizzato per collegarvi il ricevitore GNSS; 6. stadio di alimentazione: posto nella parte inferiore sinistra garantisce l alimentazione a tutta la scheda a diverse tensioni (3,3 V per il microcontrollore, 5 V all antenna GNSS).

21 Figura 4 Scheda PCB per il controllo del ricevitore GNSS, salvataggio temporale dei dati e trasmissione radio L alimentazione della scheda e la continuità di esercizio viene garantita da un pannello solare da soli 10 W e una batteria tampone da 7 Ah (per garantire un autonomia di 4-5 giorni in assenza di sole). I bassi consumi della scheda sono stati possibili grazie ad una ottimizzazione della trasmissione radio: per tutto il tempo in cui la scheda non trasmette il trasmettitore viene spento per poi essere acceso solamente durante le trasmissioni. Questa strategia permette di consumare solamente 20 ma in fase di acquisizione dati, per poi balzare a 90 ma durante la trasmissione, ma per un periodo limitato, come si può osservare nella Figura 5 in cui sono riportate le misure di consumo effettuate in laboratorio.

22 Figura 5 Misure di consumi di corrente di un singolo nodo WSN Fase 3 Scrittura del firmware Durante questa fase si sono programmate le schede in modo da associare ad ognuna di esse una specifica funzione e definire il protocollo di comunicazione appositamente studiato e realizzato; in questo modo si sono ottenute due tipologie di schede: schede A e C: funzione di ricevitore wireless, decodifica ed invio dati su seriale; schede D, E e F: trasmettitore wireless con funzione di memorizzazione (buffering) e controllo del ricevitore GNSS. Il protocollo di comunicazione adotta una semplice strategia listen before talk in cui, quando una scheda desidera iniziare la comunicazione, verifica che non vi siano già altre comunicazioni in atto; se il canale è occupato la trasmissione viene posticipata. Fase 4 Debug delle schede Al fine di verificare il corretto funzionamento delle schede si sono condotti approfonditi test in laboratorio. Durante questa fase si sono evidenziate e corrette tutte le situazioni che portavano le schede in uno stato di blocco. A bordo scheda si è anche implementato un dispositivo hardware-software con funzione di watchdog : tale dispositivo monitora continuamente il corretto funzionamento del microcontrollore e nel caso questo si trovi in uno stato di blocco provvede a riavviare l intera scheda. Fase 5 Realizzazione del software di salvataggio dei dati

23 Il canale di comunicazione raccoglie i dati dei 3 ricevitori GNSS e li invia su di un unico nodo ricevente (nodo A) collegato ad un pc. In questa fase ci si è occupati della realizzazione del software che a livello del nodo terminale costituito dal pc registra in modo adeguato i dati. Infatti il pc, che riceve i dati dei 3 ricevitori GNSS dal nodo B, si deve occupare di salvare tutto il flusso dati e formattarli secondo lo standard RINEX in files dedicati, uno per ogni ricevitore GNSS; ciò è essenziale per la successiva elaborazione dei dati con software DGPS (Differential GPS). I Fase 6 Collaudo della rete GNSS In data 16 agosto 2010 si è eseguito il test di collaudo dell intera rete GNSS in Val Veny (Courmayeur), in cui è stato possibile dislocare i ricevitori GNSS ed il nodo intermedio come da distanze di progetto. In Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. è riportata una foto scattata durante la giornata di test. Il test è consistito nell esecuzione di un rilievo statico della durata di 2 ore. Al termine delle 2 ore sono state variate le posizioni dei ricevitori al fine di eseguire un nuovo rilievo GNSS statico e misurare in questo modo lo spostamento. Tale misura è stata validata da una misurazione con stazione totale grazie ai prismi posti nella sommità delle paline, appena al di sotto delle antenne. Figura 6 Foto del prototipo (ricevitore GNSS + prisma) Ad inizio aprile 2011 si è data visibilità del lavoro svolto partecipando alla conferenza internazionale European Geosciences Union e presentando un poster dal titolo A low cost

24 wireless GNSS network to trace displacements [2]. Il sistema nella sua architettura finale è stato presentato a livello italiano alla conferenza GEOITALIA 2011[3]. Mentre la parte di ingegnerizzazione delle schede per la comunicazione wifi è stata presentata, sempre a settembre 2011, alla conferenza IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications con l articolo dal titolo Low cost DGPS wireless network [4]. La realizzazione della rete di ricevitori GNSS ha permesso di coinvolgere un tesista di Ingegneria Elettronica del Politecnico di Torino che ha avuto la possibilità di confrontarsi con un esperienza altamente formativa che non ha comportato solamente una fase di progetto, ma che lo ha portato a vedere tutte le fasi di sviluppo fino al test del prototipo funzionante Installazione in sito Concluse le fasi di sviluppo e test in laboratorio e in campo aperto si è proceduto all installazione dei dispositivi sul seracco in due fasi. 1. In data 21 settembre 2010 si è provveduto all installazione di 3 paline (tubi in acciaio dal diametro di 5 cm) della lunghezza di 6 metri, che sono state infisse nella neve-ghiaccio per circa metà della lunghezza. Contestualmente non si sono installati i ricevitori GNSS in modo da permettere ai pali appena infissi di stabilizzarsi, ovvero permettere in qualche giorno il rigelo ed il compattamento degli strati superficiali di neve. 2. In data 1-2 ottobre 2010 sono stati installati tutti gli apparati del sistema: o i 3 ricevitori GNSS sviluppati sono stati installati sui pali precedentemente predisposti sul seracco, con un meccanismo a scorrimento che permette di sfilarli agevolmente per eventuali interventi di manutenzione o di alzarli/abbassarli in base all accumulo nevoso; o il ponte radio è stato posizionato su di un pilastrino di roccia con visione frontale del seracco, composto da 2 antenne direttive, una per la comunicazione con i ricevitori GNSS e l altra per la trasmissione dei dati a valle; o il ricevitore radio e il PC di controllo sono stati posti nel fondovalle, nel box in cui collocata la stazione totale di lettura dei prismi a Planpincieux (Courmayeur). Il PC riceve i dati da tutti i ricevitori GNSS li registra in appositi file e si occupa dell invio degli stessi al server di calcolo via collegamento GPRS.

25 Figura 7 Vista di due dei tre ricevitori GNSS installati sul sito pilota delle Grandes Jorasses Figura 8 Vista del pilastro di roccia dove è stato installato il ponte radio

26 3.1.4 Operatività del sistema ed interventi di manutenzione I ricevitori GNSS dispongono di alimentazione autonoma e di sistema di trasmissione dati, per cui, in condizioni operative ideali, non sarebbe necessario nessun intervento di manutenzione in sito. Tuttavia, viste le caratteristiche del sito di installazione, si sono verificati dei malfunzionamenti della rete, per lo più causati da forti accumuli nevosi nei periodi invernali. Per tale motivo si sono resi necessari diversi interventi di manutenzione in sito di seguito descritti. Il primo malfunzionamento si è riscontrato a fine gennaio 2011 ed in data 25 marzo 2011 si è intervenuti sul ponte radio recandosi mediante elicottero al pilastrino di roccia antistante il seracco. Le antenne e il pannello fotovoltaico si presentavano totalmente sepolti dalla neve. Il ponte radio è stato liberato dalla neve, verificato in ogni sua parte e riavviato. In tale occasione si è potuto osservare che, a causa delle abbondanti nevicate, i tre ricevitori GNSS non erano visibili. Considerato che le condizioni del manto nevoso non erano tali da garantire operazioni sul seracco in sicurezza, in tale data non è stato possibile intervenire direttamente per liberare i ricevitori dalla neve. Solamente in data 3 luglio 2011 è stato possibile eseguire tale operazione; in tale occasione il ricevitore in posizione centrale, è stato rinvenuto guasto (antenna rotta dalla neve e non alimentata) e per tale motivo portato a valle per essere riparato. In data 15 luglio 2011 si è intervenuti nuovamente per riposizionare il ricevitore riparato e per liberare dalla neve gli altri due che nel frattempo si erano nuovamente coperti. In concomitanza del recupero con l'elicottero ci si è recati al pilastrino per un ulteriore verifica e riavvio del ponte radio. A seguito di tale intervento l'intero sistema ha ripreso a funzionare con regolarità, seppure il ricevitore GNSS centrale abbia continuato a registrare perdite di dati in trasmissione, riconducibili ad attenuazione per diffrazione, trovandosi questo in concomitanza di un rigonfiamento del seracco. In data 16 agosto 2011, durante un intervento alle Grandes Jorasses per installare nuovi prismi nella parte bassa del seracco si è provveduto al sollevamento del ricevitore GNSS centrale facendolo scorrere lungo il palo fino all estremità superiore. L intervento è stato risolutivo ed il sistema ha funzionato con regolarità.

27 Regolarmente, per tutta la durata del progetto, è stata mantenuta attiva e mantenuta la stazione ricevente posta a Planpincieux, alla quale è possibile accedere da remoto con connessione GPRS e agevolmente in auto in qualunque stagione Elaborazione dei dati Dal sistema sopra descritto si ottiene giornalmente un file RINEX per ogni ricevitore GNSS. Tali files contengono informazioni delle osservazioni GNSS con una frequenza di 30 secondi, ma non ancora la posizione accurata dei ricevitori. Per l elaborazione dei dati ci si è avvalsi di un rapporto di collaborazione con il DINSE (Dipartimento di Scienze e Tecniche per i Processi di Insediamento) del Politecnico di Torino per la definizione dei parametri di calcolo e la scelta del software più adatto alle elaborazioni e delle stazioni permanenti da utilizzare. Parametri di calcolo. Dato il basso costo dei ricevitori, il rumore sulle osservazioni ed il multipath vengono mediati lungo finestre temporali di un giorno. La scelta della dimensione della finestra è il compromesso tra l accuratezza ed la periodicità con cui si vogliono i dati. La stima del ritardo troposferico risulta alquanto critica nel caso di studio in quanto si ha una differenza di quota di circa 2500 m tra i ricevitori e la stazione permanente più elevata (Ferrachet). Il ritardo troposferico sulla stazione Ferrachet è stato fissato al modello di DryNiell, mentre il ritardo relativo è stato stimato ogni 12 ore. Software di calcolo. Per la determinazione delle coordinate dei ricevitori GNSS si è scelto di utilizzare il software scientifico Bernese GPS Software v5.0 realizzato dall Astronomical Institute dell Università di Berna che permette di automatizzare le procedure (BPE) ed ottenere dettagliati report riguardo alle elaborazioni. Per contro tale software richiede conoscenze avanzate e configurazioni ad hoc per l esecuzione del calcolo. Per tale motivo inizialmente la procedura di calcolo è stata eseguita dal DINSE su propri server, mentre, acquisite le necessarie competenze dopo un periodo di formazione, si è provveduto a importare le procedure di calcolo all interno di un server di Fondazione Montagna sicura appositamente predisposto. Stazioni permanenti GNSS. Per il calcolo differenziale ci si è appoggiati alle stazioni GNSS permanenti presenti in zona: o Ferrachet (FERR), stazione ubicata in Val Ferret a soli 3 km dal ghiacciaio delle Grande Jorasses e gestita da Fondazione Montagna sicura;

28 o Villa Cameron (FOND), posizionata presso la sede di Fondazione Montagna sicura e di proprietà della Regione Autonoma Valle d Aosta, a circa 5 km dal ghiacciaio; o Morgex (MRGE), di proprietà dell INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia), posta nel comune di Morgex a 12 km dal ghiacciaio. Con l ausilio di script di calcolo appositamente sviluppati si è automatizzata l elaborazione del software Bernese in modo da eseguire giornalmente il calcolo della posizione dei ricevitori GNSS ed elaborare dei report. I report vengono quindi inviati via mail ai tecnici che hanno in carico il sistema, al fine di seguire l evoluzione del seracco. 3.2 Interferometria SAR satellitare (Fondazione Montagna sicura - Gipsa Lab - Listic) Durante il progetto si è voluto dare spazio anche a tecniche di remote sensing da satellite sempre per la misura degli spostamenti; nello specifico la miglior soluzione per l individuazione di movimenti lenti, dell ordine di qualche centimetro al mese risulta essere l interferometria SAR. I radar SAR sono radar con una risoluzione al suolo di circa 5-10 metri, e sono di tipo coerente, cioè l oscillatore locale viene utilizzato sia per la trasmissione che per la ricezione del segnale, in tal modo la fase del segnale ricevuto dipende dalla distanza del bersaglio e si ottiene una risoluzione in distanza dell ordine del millimetro. Il principio di funzionamento teorico è molto semplice: se si ipotizza di acquisire immagini della zona da monitorare sempre dal medesimo punto di presa e che le condizioni atmosferiche non variano, allora la fase del segnale ci fornisce informazioni sul movimento in distanza del bersaglio dell ordine del millimetro. In questo modo da satellite è possibile monitorare nel tempo frane, edifici, strade, ponti. Per il seracco delle Grandes Jorasses si è voluto testare tale tecnica andando a verificare anzitutto la visibilità del seracco da parte dei satelliti (i radar SAR usano un angolo di presa non nadirale, ma obliquo, in direzione perpendicolare all orbita) Fasi di attuazione

29 Installazione di 2 corner reflectors sul seracco Si è voluto testare l'uso di immagini SAR da satellite con l obiettivo di poter estrarre da passaggi successivi del satellite informazione sul movimento del ghiacciaio sospeso delle Grandes Jorasses, sia tramite interferometria differenziale (ammesso di ottenere acquisizioni a brevissima distanza temporale) sia per correlazione. A tal fine sono stati installati (in data 28 ottobre 2010) due corner reflectors sulla superficie del seracco in prossimità dei ricevitori GNSS; i corner costituiscono punti riconoscibili sulle immagini SAR. Figura 9 Corner installato sul seracco Installazione di 1 corner reflector a Planpincieux In data 26 agosto 2011 si è provveduto all installazione di un corner reflector calibrato presso Planpincieux (sul box in cui risiedono altri dispositivi dei sistemi di monitoraggio del seracco delle Grandes Jorasses). L'obiettivo di tale corner è di rappresentare un punto persistente nel tempo e riconoscibile dalle acquisizioni da radar SAR da satellite. La precisione nella realizzazione del corner permette di conoscerne la forma e la risposta elettromagnetica ad un impulso radar; in questo modo è possibile verificare come varia la risposta EM nel tempo e calibrarla rispetto al tempo iniziale.

30 Figura 10 Corner installato a Planpincieux In particolare si vuole preservare la risposta di fase del segnale radar; si vuole quindi riconoscerlo nelle immagini acquisite e misurare la differenza di fase tra un'immagine e la successiva. Il corner è orientato verso ovest e serve come punto di calibrazione per le immagini SAR per i passaggi ascendenti di TerraSar-X. 3.3 Monitoraggio sismico (Fondazione Montagna sicura) Alcuni studi [5] hanno dimostrato che l'attività sismica del seracco è strettamente legata alla dinamica dei crolli in ghiaccio ed alla velocità di movimento del ghiacciaio; infatti durante il progressivo scivolamento del ghiacciaio si generano dei microsismi dovuti all attrito con il substrato roccioso e dei microsismi dovuti alle fessurazioni de ghiaccio (rotture).. Nell'ambito del progetto GlaRiskAlp sono stati installati un sismografo ed un geofono a contato col ghiacciaio per registrare l'attività sismica al fine di validare la correlazione esistente tra il numero di eventi sismici identificati e registrati e la variazione di velocità del seracco; è stato necessario studiare le osservazioni per determinare l algoritmo ottimale per l identificazione degli eventi (al fine di estrarli dal rumore di fondo che non contiene informazione) e valutarne l andamento nel tempo Realizzazione del sistema Punto di partenza per le attività del progetto è stato il lavoro svolto nel corso del 2009 che aveva portato all ingegnerizzazione ed all'installazione di una stazione di monitoraggio sismico nella parte sommitale del ghiacciaio. Dallo studio della letteratura scientifica si evinceva che in casi analoghi risultava ottimale un installazione con il sensore direttamente a contatto con il ghiaccio. Per tale ragione, in una prima fase, l installazione era costituita dal geofono posizionato alla profondità di 3 metri al di sotto della neve, direttamente a contatto con lo strato

31 di ghiaccio, mentre la strumentazione sismica per la registrazione e l invio dei dati a valle era posta su roccia, al di sotto della punta Whymper. In Figura 12 è possibile vedere un immagine di questa installazione. sismografo geofono Figura 11 Schema di installazione del sismografo sul seracco delle Grandes Jorasses con sensore in ghiaccio Figura 12 Vista del sismografo installato sotto la Punta Whymper

32 Figura 13 Prima installazione del sismografo In Figura 13 è possibile osservare nel dettaglio l installazione (stazione sismica) costituita da: pannello solare, fissato pressoché verticalmente sulla parete rocciosa che porta alla punta Whymper; valigia nera con all interno una batterie di grande capacità (100Ah) ed il regolatore di carica, e fissate all esterno le antenne della telefonia e del ricevitore GNSS interno, che fornisce un segnale temporale preciso per la sincronizzazione delle tracce; valigia gialla contenente la strumentazione: o sismografo Nanometrics Taurus (si tratta di un dispositivo compatto dotato di una logica di controllo con sistema operativo Linux per l interfacciamento dell operatore e la configurazione ed un convertitore analogico digitale con frequenza di campionamento a 100 Hz sui 3 canali); o router GPRS(router GPRS ethernet che permette l invio dei dati in tempo reale sul server di Fondazione Montagna sicura). A valle i dati vengono raccolti su database proprietario Nanometrics, gestito dal software Apollo Server che permette la registrazione dei dati, la visualizzazione e l esportazione di parte di essi nel formato desiderato.

33 Durante il periodo del progetto si sono susseguiti diversi interventi in sito, operazioni di manutenzione e modifiche, come di seguito descritto. A fine dicembre 2009, a causa di un guasto, la stazione sismica è stata riportata a valle e, nel corso dei primi mesi del 2010 sono state eseguite su di essa diverse operazioni di manutenzione. Dopo attenta revisione, condotta col supporto dell assistenza remota di Nanometrics (Canada), questa è stata ripristinata e ritenuta nuovamente idonea all installazione. E' stato inoltre aggiunto un sezionatore GSM per permetterne il riavvio da remoto tramite sms. La strumentazione è stata infine reinstallata in sito in data 10 luglio Dopo un breve periodo di funzionamento dall analisi dei dati sismici ricevuti è stato possibile determinare un guasto nel sensore (composto dall insieme del geofono e del cavo che lo collega al sismografo, non rimossi durante l'intervento di recupero precedente, in quanto solidali con il ghiaccio). Pertanto, in data 16 luglio 2010 si è eseguito un intervento per la sola sostituzione del cavo e del geofono. Il sistema ha però proseguito a mostrare malfunzionamenti fino a fine mese. Per cui, in data 31 luglio 2010 si è reso necessario un nuovo intervento in sito.. In tale occasione si è riscontrato che tutta la strumentazione era stata danneggiata da una sovratensione (sismografo Taurus, sezionatore GSM, modem GPRS). Il sistema è stato nuovamente ripristinato, ma, per garantire la raccolta di dati, si è dovuto rinunciare alla trasmissione GPRS in tempo reale: il sismografo ha quindi registrato gli eventi su Compact Flash con un autonomia di alcuni mesi. Il 28 ottobre 2010 si è intervenuti sulle Grandes Jorasses per verificare lo stato del sismografo e scaricare i dati: in tale occasione la strumentazione pareva in ordine e si è sostituita la scheda di memoria per proseguire la raccolta dei dati. Ad inizio 2011 si è evidenziata nuovamente una criticità del sistema legata alla connessione dal sensore al sismografo: infatti il sismografo era posto alla sommità del seracco in posizione fissa sulla parete rocciosa, mentre il sensore era solidale al seracco e tendeva ad avanzare con una velocità di circa 3 cm/giorno. Nonostante il cavo non fosse teso e presentasse parecchio lasco, con il passare del tempo era gelato nel ghiaccio e non aveva avuto la possibilità di scorrere, deteriorandosi progressivamente fino allo strappo. Per ovviare a tale inconveniente si

34 è pertanto valutata la possibilità di installare sia il sismografo, sia il sismometro (geofono) direttamente sulla parete rocciosa, rendendo l'installazione più compatta e stabile. In data 09 febbraio 2011 il sismografo è stato quindi prelevato e portato a valle per eseguire una verifica e manutenzione in vista di una nuova installazione. Le operazioni hanno comportato tra l'altro l installazione di una scheda di memoria di maggiore capacità, che permettesse così di ridurre il numero di interventi in sito per il download dei dati ed il ripristino della connessione GPRS (il precedente modem era risultato guasto a causa di una sovratensione imputabile presumibilmente ad una scarica di fulmine a luglio 2010). Al fine di definire gli accorgimenti costruttivi per l installazione in roccia, in data 9 giugno 2011 si è incontrato il Prof. Martin Funk dell'eth di Zurigo, promotore dell utilizzo di strumentazione sismica per il monitoraggio di ghiacciai sospesi. La scelta di installare il sensore sulla parete rocciosa ha aperto nuove problematiche: il sensore in roccia è più esposto all influenza del vento che aggiunge rumore non desiderato alle acquisizioni; le acquisizioni del sensore posto su roccia risentono della presenza di una discontinuità, ossia l interfaccia roccia-ghiaccio con effetti sul segnale acquisito. Innanzitutto vi è un attenuazione del segnale che in questo caso non presenterà la medesima dinamica registrata sul ghiaccio. Altri effetti all interfaccia sono le riflessioni ed il cambio di velocità del segnale, che però sono state valutate trascurabili per questa applicazione. Valutati questi aspetti si è deciso di proseguire con l'installazione del sensore su roccia sicuri di migliori risultati e di una maggiore affidabilità del sistema. Inoltre, al fine di minimizzare i collegamenti con l esterno, si è voluto realizzare un nuovo box per ospitare sia la strumentazione (sismografo, router GPRS, riavviatore GSM) che la batteria. In data 17 agosto 2011 si è provveduto ad un primo sopralluogo di predisposizione del sito nei pressi del precedente punto di installazione del sismografo. In tale zona si è cercato un punto idoneo per installare anche il sismometro, che presentasse un piano (di circa 40x40cm) per una installazione agevole del sensore ed al sicuro dalla caduta di massi dall alto. In data 22 agosto 2011 è stato infine posizionato il sensore (Figura 14). Siccome è necessario che il sensore sia il più possibile in piano in modo da non avere offset sugli assi, l installazione ha posto alcuni problemi a causa della rigidità del cavo di collegamento, che rendeva problematico coprire il sensore mantenendolo orizzontale.

35 Figura 14 Installazione del sismografo con sensore in roccia Il sismografo ha acquisito dati in modo continuativo fino a fine 2011, poi, a causa delle continue nevicate invernali è rimasto sepolto dalla neve. A differenza degli anni precedenti, anche la parete rocciosa (ed il pannello solare) sono rimasti completamente coperti per un lungo periodo, fino a primavera inoltrata, impedendo di fatto interventi in sito da parte degli operatori per motivi di sicurezza. Durante tutto il periodo il server di acquisizione presso villa Cameron è rimasto attivo e si è così potuto osservare la ripresa in funzione del sistema in modo discontinuo fino al 1 agosto, quando si è riscontrato nuovamente un malfunzionamento, non imputabile al collegamento GPRS ma solamente al sismografo (in quanto sia il modem che il sistema di riavvio da remoto risultavano raggiungibili). Si è quindi programmata la salita in sito per verificare le condizioni del sismografo Taurus ed al contempo sostituire la batteria tampone del sistema (che dopo un anno di attività non manteneva più la carica). In data 18 settembre 2012 si è potuti intervenire sul sito per la verifica della strumentazione: il sismografo in tale circostanza si presentava spento senza nessuna possibilità di intervenire sul guasto, mentre router e riavviatore GSM non riportavano nessun danno. Si è

36 quindi provveduto alla sostituzione del sismografo con uno strumento identico opportunamente configurato, che si era precauzionalmente portato in sito Approccio seguito per l elaborazione dei dati Nel corso del 2010 sono stati registrati dati sismici discontinui, a causa delle elevate problematiche di installazione e di operatività riscontrate. Tuttavia, i dati disponibili hanno reso possibile una prima fase di impostazione metodologica per l elaborazione sistematica di tutti i dati ricevuti. In questa fase ci si è avvalsi della collaborazione del DITAG (Dipartimento di Ingegneria del Territorio, dell'ambiente e delle Geotecnologie) del Politecnico di Torino) per la definizione della metodologia per l'identificazione automatica degli eventi sismici.i periodi per cui si hanno dati relativi all'attività sismica registrati non includono crolli di rilevante importanza, quindi sono rappresentativi di una condizione di normale evoluzione del seracco in oggetto. Si registra infatti un rumore di fondo abbastanza contenuto e riconoscibile facilmente, nel quale si evidenziano piccoli e frequenti eventi che corrispondono ad eventi di micro-fessurazione e di scorrimento dei diversi strati di ghiaccio. I dati raccolti vengono elaborati per riconoscere il numero di eventi sismici caratteristici e la loro frequenza tramite dei codici informatici scritti ad hoc. I risultati confluiscono in un database per future analisi approfondita degli eventi. I dati acquisiti durante il progetto sono stati convertiti in formato di interscambio *.sac, raccolti in un database ed analizzati con scripts in Matlab e con l applicativo opensource SAC Software. Parallelamente si sono presi contatti con il Dipartimento di Scienze della Terra, dell'ambiente e della Vita dell Università di Genova (Laboratorio di sismica) per eseguire congiuntamente la validazione delle procedure adottate e per la verifica del risultati ottenuti. I periodi per durante i quali si hanno dati relativi all'attività sismica non includono crolli di rilevante importanza, quindi sono rappresentativi di una condizione di normale evoluzione del seracco in oggetto. Si registra infatti un rumore di fondo abbastanza contenuto e riconoscibile facilmente, nel quale si evidenziano piccoli e frequenti eventi che corrispondono ad eventi di micro-fessurazione e di scorrimento dei diversi strati di ghiaccio.

37 Algoritmi per l identificazione di un evento sismico L'identificazione automatica degli eventi sismici avviene attraverso l'utilizzo di algoritmi automatici di individuazione dei transienti forti all'interno del flusso continuo del segnale (algoritmi di trigger ) e sui tre canali registranti. Essa è' finalizzata alla definizione di tempi di inizio-fine delle finestre temporali da estrarre dagli archivi di dati per il conteggio e l analisi degli eventi. L'algoritmo utilizzato è lo Short Time Average through Long Time Average (STA/LTA). In automatico viene calcolato il rapporto tra le medie dei valori (in modulo) calcolate in due finestre temporali mobili - una sottoinsieme dell altra, una più corta (short time window) e l altra più lunga (long time window). L algoritmo rileva quindi il superamento di un valore di soglia. La finestra lunga contiene informazioni relative al rumore di fondo del segnale registrato. La corta è invece più sensibile alle variazioni istantanee del segnale. Il rapporto STA/LTA, adatta automaticamente la sua sensibilità alla reale ampiezza media del rumore sismico, aumentandola durante i periodi di quiete sismica e diminuendola durante le fasi particolarmente rumorose. Importante è quindi la determinazione dell ampiezza delle finestre LTA e STA e del valore di soglia in base al segnale in analisi. Ad esempio eventi sismici rilevati da grande distanza hanno una durata maggiore nel tempo; si ha un transitorio iniziale, l arrivo delle onde P e delle onde S in due tempi distinti ed infine la coda dell evento fino ad esaurimento. Per il caso di eventi vicini (riconducibili al ghiacciaio) si ha un ampiezza del segnale che è molto maggiore al rumore di fondo e una durata limitata. In genere, per rendere questo metodo di individuazione più sensibile alle variazioni delle caratteristiche del segnale, l algoritmo STA/LTA viene applicato non al segnale sismico originale ma ad una sua versione elaborata CF ( Characteristic function ) o al segnale sismico prefiltrato; nel presente studio, in base sia alle caratteristiche spettrali del segnale sia alle forme d onda osservate, si è optato per pre-filtrare il segnale. Nel dettaglio i principali steps dell algoritmo sono i seguenti: 1) pre-filtraggio del segnale sismico; 2) calcolo su finestra mobile, in modo ricorsivo della funzione STA e LTA e del rapporto STA/LTA; 3) dichiarazione di trigger e quindi di evento quando il rapporto STA/LTA supera una predeterminata soglia. La fase di calibrazione dell algoritmo STA/LTA ha riguardato l esecuzione di svariati test su alcuni sotto insiemi di dati sismici (sia quelli registrati con sensore su roccia che quelli

38 registrati con sensore sul ghiacciaio) al fine di identificare i seguenti parametri che determinano il comportamento del sopramenzionato algoritmo: A. Corner Frequency del filtro passa banda; B. Lunghezze (in secondi) delle finestre temporali per il calcolo delle funzioni STA ed LTA; C. Soglia limite per la definizione di trigger. Vale la pena notare che l obiettivo principale delle attività di calibrazione non consiste nell individuazione dei parametri che consentono di individuare il maggior numero di eventi sismici, bensì nell'individuazione dei parametri che consentono al meglio di identificare una variazione temporale statisticamente significativa del numero di tali eventi. Figura 15 Esempio di applicazione dell algoritmo STA/LTA applicato ad un segnale sismico registrato nel 2009 (sensore in ghiaccio). A205-BHZ: segnale originale registrato sulla componente verticale; A205-BHN: funzione STA/LTA. In Figura 15 è riportato un esempio dei risultati ottenuti applicando l algoritmo di identificazione applicato ad un sotto insieme di dati relativi al periodo La traccia in nero A205-BHZ rappresenta il segnale sismico originario mentre la traccia in verde A205-BHN rappresenta la funzione STA/LTA ottenuta utilizzando un filtro passa banda tra Hz, una lunghezza della finestra STA pari a 0.2 s ed una lunghezza della finestra LTA pari a 2 s. In questo caso sono ben evidenti almeno 5 eventi sismici significativi chiaramente evidenti anche sulla funzione STA/LTA.

39 3.4 Applicazioni fotogrammetriche (Fondazione Montagna sicura) La tecnica fotogrammetrica permette di ricostruire la geometria tridimensionale degli oggetti a partire da una serie di fotografie dello stesso oggetto, realizzate da punti di presa differenti. Tale tecnica nasce nella seconda metà del 1800 e si sviluppa nel corso del 1900 grazie al suo grande utilizzo in campo militare. Con l'avvento della fotografia digitale, la tecnica ha subito uno sviluppo notevole grazie alla possibilità di automatizzare molti dei processi di calcolo finalizzati alla realizzazione di un modello tridimensionale. L'applicazione della tecnica fotogrammetrica trova largo utilizzo in ambienti di montagna grazie alla sua estrema versatilità rispetto a tecniche comparabili come, ad esempio, il laser scanner oppure la topografia classica. Nell'ambito del progetto in esame, tale tecnica è stata ampiamente sperimentata, applicata e perfezionata per poter fornire informazioni sulla geometria del seracco delle Grandes Jorasses. In particolare sono state sperimentate due modalità di presa differenti: fotogrammetria aerea obliqua: le immagini stereoscopiche sono state realizzate grazie all'utilizzo di un elicottero che ha permesso di ottimizzare il punto di presa delle immagini; fotogrammetria fissa automatica: le immagini stereoscopiche vengono realizzate da due sistemi fissi opportunamente ingegnerizzati Fotogrammetria aerea obliqua La conoscenza della geometria tridimensionale di un oggetto come il ghiacciaio pensile delle Grandes Jorasses risulta di fondamentale importanza per comprenderne a fondo la dinamica evolutiva e per formulare eventuali ipotesi di crollo. Dal modello tridimensionale, infatti, si possono ricavare informazioni metriche fondamentali quali ad esempio: volumi di porzioni di ghiaccio instabili e prossime al crollo: questa informazione risulta fondamentale per i gestori del territorio in quanto permette di valutare diversi scenari di rischio a seconda dei volumi in gioco e di adottare misure di prevenzione diverse; volumi di porzioni di ghiaccio crollate; misura dell'apertura di crepe sulla superficie del ghiacciaio; evoluzione morfologica di tutto il ghiacciaio; stima del trasporto di massa dalla zona di accumulo a quella di crollo;

40 misura di grandezze quali la lunghezza massima del ghiacciaio, la sua altezza massima, i dislivelli ecc... utili per il dimensionamento di altri sistemi di monitoraggio. Considerazioni sulla presa dei fotogrammi stereoscopici Rispetto ad altre tecniche geomatiche, i risultati ottenibili dalla fotogrammetria sono altamente dipendenti dalla geometria di presa. Nel caso specifico del seracco delle Grandes Jorasses non sarebbe stato possibile effettuare il rilievo da terra per diversi motivi che di seguito vengono elencati: pericolo continuo di crolli nella zona sottostante il seracco; impossibilità di rilevare l'intero oggetto a causa dei forti dislivelli presenti che creano numerose zone nascoste; impossibilità di realizzare immaginicon base di presa non sufficiente a garantire precisioni di restituzione accettabili. Per ovviare a queste problematiche si è scelta una presa aerea che risolve tutte le problematiche sopra esposte. Grazie all'uso di un elicottero è stato possibile: avvicinarsi all'oggetto per ottenere una precisione accettabile per gli scopi precedentemente illustrati (30 cm di incertezza sulla determinazione delle coordinate dei punti); porsi ad una quota di volo tale da non avere zone nascoste (descrizione integrale dell'oggetto); realizzare immagini con distanze (base di presa) sufficienti a garantire le precisioni di progetto; realizzare immagini con elevato ricoprimento (stesse porzioni di oggetto visibili su più fotogrammi) necessarie al corretto funzionamento dei codici di calcolo per la stima degli orientamenti esterni dei fotogrammi (posizione tridimensionale del fotogramma rispetto all'oggetto e rispetto agli altri fotogrammi). Tutti i punti appena elencati sono alla base del buon esito di un rilievo. In Errore. L'origine iferimento non è stata trovata. è riportata la geometria di presa relativa ad un volo del febbraio Si noti come i fotogrammi (rettangoli rossi) siano stati realizzati i rapida sequenza in modo da ottenere un elevato ricoprimento tra un'immagine e la successiva. La nuvola di punti in secondo piano è formata da tutti quei punti che sono stati osservati ed

41 utilizzati per creare l'orientamento esterno dei fotogrammi. Tali punti permettono già di descrivere sommariamente la geometria dell'oggetto. Figura 16 Esempio di presa fotogrammetrica da elicottero: i rettangoli rossi mostrano l'orientamento dei fotogrammi rispetto all'oggetto fotografato. I segmenti verdi si congiungono in un punto che rappresenta il centro focale dell'ottica Fotogrammetria fissa La fotogrammetria aerea obliqua si è dimostrata l'unica tecnica in grado di fornire, con continuità e con costi ridotti, dati geometrici utili alla conoscenza delle dinamiche del seracco in esame. Tale tecnica, tuttavia, risulta essere dipendente dalla disponibilità dell elicottero e dalle condizioni meteorologiche. Inoltre l'utilizzo dell'elicottero per la realizzazione delle immagini permette di ottenere punti di vista ottimali su tutto il seracco, sacrificando però le precisioni ottenibili. Attualmente i rilievi da elicottero hanno precisioni che sono nell'ordine dei 40 cm. Tali precisioni sono da intendersi assolute (discordanza fra le coordinate misurate e quelle reali di punti appartenenti alla superficie del seracco, espresse in un sistema di riferimento globale) e non relative, ovvero inerenti la posizione reciproca di punti appartenenti al corpo del ghiacciaio. Ciò non toglie che, pur essendo tali precisioni sicuramente più elevate (dell ordine di qualche centimetro), il realizzare blocchi fotogrammetrici da punti di vista differenti, con condizioni geometriche variabili di volta in volta, in condizioni spesso svantaggiate (l appoggio del blocco é reso difficoltoso dalla scarsa presenza nella scena di punti che possano ritenersi fissi e che non vengano coperti dalla neve nel corso delle stagioni, l individuazione di punti di legame è resa ardua dalle caratteristiche superficiali della neve che non presenta elementi ben distinguibili), rende poco accurato il confronto fra modelli di superficie acquisiti in epoche differenti. Gli spostamenti del seracco vanno da 2 cm/giorno, in