Elaborazione e assimilazione di dati radar di correnti marine superficiali

Transcript

1 Elaborazione e assimilazione di dati radar di correnti marine superficiali Daniela Flocco Prof. Enrico Zambianchi

2 Elaborazione e assimilazione di dati radar di correnti marine superficiali Daniela Flocco, Enrico Zambianchi Dipartimento di Scienza dell Ambiente (DiSAm) Il CODAR ( Coastal Ocean Dynamics Application Radar) è un dispositivo rivolto alla determinazione della direzione ed intensità delle correnti marine superficiali in un area costiera i cui limiti sono definiti dalla portata del sistema in uso (max 70 km). Il termine radar, riportato nell acronimo del nome chiarisce che, in analogia ad esso, il sistema essenzialmente effettua una misura della direzione e della distanza di un determinato bersaglio,ma rispetto al fine ultimo di determinare i parametri della corrente questa è l unica analogia. Nell applicazione in esame il bersaglio è costituito dalle onde marine che assolvono, in modo continuo, alla funzione di diffusori del segnale trasmesso che colpisce la superficie del mare. Un sistema CODAR per poter fornire le informazioni sui parametri di corrente deve essere costituito da almeno due stazioni radar costiere dotate ciascuna di un ricetrasmettitore e controllate da un piccolo computer e quindi di una unità centrale per la raccolta ed l elaborazione dei dati. Le misure effettuate da ciascuna stazione radar contribuiscono alla determinazione del vettore corrente in ciascun punto dell area investigata secondo una griglia predefinita. Recentemente l Unità Operativa del Dipartimento di Scienze per l Ambiente dell Università Parthenope si è dotata di questo sistema innovativo di misura delle correnti marine superficiali nell ambito delle attività della sezione sulla Vulnerabilità del Sistema Marino Costiero del Centro Regionale di Competenza per l Analisi e il Monitoraggio del Rischio Ambientale. Il mare un ambiente fluido. Per questa ragione, ai fini della caratterizzazione dello stato di salute ambientale di un bacino costiero non ci si può limitare al monitoraggio delle caratteristiche fisico-chimiche delle acque, sia pure ad alta risoluzione spaziale e a fitta cadenza temporale; a questo è necessario aggiungere la conoscenza delle correnti, che

3 consente di valutare l evoluzione dello stato del bacino dovuta al movimento delle acque e ai fenomeni di trasporto all interno di esso. Esistono due modi di caratterizzare un campo di correnti nell oceano, o in un bacino costiero, che rispecchiano due differenti approcci: le misure cosiddette euleriane, che sono misure effettuate a tempi diversi in posizioni fisse, e quelle lagrangiane, in cui la corrente è misurata seguendo la traiettoria di una particella d acqua che si muove trasportata dalla corrente stessa. Questi approcci, che riflettono due modalità di descrizione del campo di moto (e della distribuzione di parametri caratteristici del fluido e del flusso) in linea di principio equivalenti, presentano entrambi delle limitazioni: le misure euleriane danno un informazione regolare nel tempo, ma limitata all immediato intorno della posizione di misura. Le misure lagrangiane danno informazioni distribuite all interno della zona di interesse, ma la misura in posizioni diverse viene effettuata a tempi differenti. In altre parole, le misure euleriane mancano di sinotticità spaziale, mentre quelle lagrangiane di regolarità temporale. A queste limitazioniè possibile ovviare, almeno in parte, con misure telerilevate, ossia effettuate da strumenti che si trovino a una certa distanza dai punti di misura (generalmente montati su satelliti o su aerei), e che quindi siano in grado di inquadrare un area di mare di una certa ampiezza con regolarità temporale. In questo ambito particolarmente interessanti risultano le potenzialità dei radar costieri in HF: si tratta di strumenti di telerilevamento installati non su velivoli ma sulla costa, che consentono di misurare correnti superficiali (relative al primo metro d acqua) in aree costiere su grigliati con risoluzioni che vanno da qualche chilometro a poche centinaia di metri e con una cadenza temporale oraria. La storia dell applicazione alla correntometria superficiale dei radar in HF è ormai quasi quarantennale, ma negli ultimi dieci anni il numero di sistemi installati nel mondo ha conosciuto un sensibile incremento. L origine dell utilizzazione di simili apparecchiature per la misura delle correnti costiere è quasi casuale: nati per scopi militari (principalmente per la sorveglianza dello spazio aereo), questi strumenti ebbero vita assai difficile non solo per i costi di esercizio, al tempo elevatissimi, ma anche per la diffusa presenza di un rumore di fondo estremamente invadente, dovuto proprio alla riflessione del segnale da parte delle onde marine (le antenne erano poste in riva al mare per ragioni strategiche). La svolta

4 avvenne quando fu ribaltata la prospettiva, e si iniziò a considerare quanto proveniva dalla superficie del mare, piuttosto che come rumore, come il vero segnale di interesse. I progressi della tecnologia negli ultimi decenni hanno consentito un notevolissimo ridimensionamento delle antenne (quelle del radar installato negli anni 1970 da Donald Barrick su San Clemente Island, in California [1], occupavano una superficie di 500 metri quadrati, mentre i sistemi attuali possono utilizzare antenne simili a quelle che usano i radioamatori, facilmente spostabili e il cui ground plane è dell ordine dei due metri quadrati) e un estrema semplificazione dell elettronica e del software necessari per decodificare il segnale. Questo consente di realizzare con facilità sistemi operativi in pochissimi giorni, ove si disponga di un minimo di infrastruttura che consiste sostanzialmente in un piccolo ambiente riparato per il ricovero dell attrezzatura elettronica (già esistente o realizzato ad hoc), nell accesso a una sorgente di alimentazione elettrica e a un sistema di comunicazione, eventualmente wireless, tra siti periferici e stazione centrale.

5 DESCRIZIONE TECNICA E PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Il sistema CODAR è costituito da due antenne monostatiche che lavorano ad una frequenza compresa fra i 3 e i 30 MHz e sfrutta l'analisi delle onde riflesse dalla superficie ondosa per calcolare la velocità della corrente superficiale. Nel caso in cui non ci sia un moto ondoso, il segnale non verrebbe riflesso e non si potrebbe effettuare nessuna misura di corrente superficiale. Dato che la superficie dell'oceano non è piatta il segnale radio viene diffuso in diverse direzioni. Il mare si comporta infatti come un reticolo di diffrazione:il segnale emesso dall antenna interferisce con tutte le onde presenti sulla superficie del mare. Per il principio di risonanza di Bragg le onde con lunghezza d onda corrispondente a metà di quella del segnale trasmesso mostreranno due evidenti picchi nello spettro di frequenza simmetrici rispetto allo zero. Il sistema CODAR utilizza il principio di Bragg scattering per amplificare la parte di onde che vengono riflesse verso l'antenna ricevente. Fig. 2: effetto Doppler dovuto a propagazione delle onde e correnti superficiali (a) Spostamento Doppler del segnale retroriflesso indotto dalla propagazione in avvicinamento (segno +) o in allontanamento (segno -) dal sito radar delle onde di gravità superficiali, dato da ± f = ± 2 / con = velocità radiale delle onde di gravità superficiali rispetto alla stazione ricetrasmittente (b) Ulteriore spostamento Doppler f dovuto alla presenza di una corrente superficiale in avvicinamento alla stazione ricetrasmittente. Il picco centrale corrisponde al segnale trasmesso.

6 Il criterio di risonanza di Bragg infatti afferma che: t w 2 cos dove t è la lunghezza d'onda del segnale trasmesso, w è la lunghezza d'onda della superficie del mare e ; l'angolo di incidenza del segnale. Poiché le antenne CODAR vengono installate molto vicino alla superficie del mare, l'angolo di incidenza viene considerato nullo e quindi l'equazione si riduce a: t w 2 Attraverso questa equazione si può spiegare che un segnale scatterato interferisce con i segnali scatterati da onde successive. In particolare all'antenna ricevente arriverà un segnale amplificato corrispondente alle onde che abbiano una lunghezza d'onda che sia esattamente la metà di quella del segnale trasmesso. Lo spostamento in frequenza in definitiva sarà data da : ±δf = ± (g/πλ) 1/2 in cui il doppio segno si riferisce rispettivamente al segnale riflesso dalle onde che viaggiano verso la stazione (positivo) e da quelle che viaggiano in allontanamento dalla stazione (negativo). Fig. 1 (adattata da [3]): risonanza di Bragg da parte della superficie del mare. Si ha interferenza costruttiva del segnale retroriflesso dalle onde di gravità superficiali quando L= λ / 2, con L = lunghezza d onda delle onde di gravità superficiali e λ = lunghezza d onda del segnale elettromagnetico trasmesso dal radar Segue una tabella che indica le relazioni che intercorrono fra la lunghezza d onda del segnale trasmesso, la sua frequenza e la lunghezza d onda delle onde marine.

7 Lunghezza d onda del segnale trasmesso (m) Frequenza (MHz) m m 5 30m Tab. 1: Relazione fra la lunghezza d onda del segnale e la frequenza Come si può notare la lunghezza d onda delle onde marine che vengono risolte è proporzionale alla lunghezza d onda del segnale emesso e inversamente proporzionale alla sua frequenza. Fig. 2: tipico spettro di frequenza 1 La fig 2 evidenzia ancora un notevole contributo di energia, definito del secondo ordine, nell intorno dei due picchi del primo ordine. Esso è rappresentativo dell apporto dovuto al moto ondoso caratterizzato da frequenze più o meno diverse da quelle di Bragg. È pertanto evidente che tale contributo sarà minore o maggiore, fino ad essere nullo, a seconda della caratterizzazione dello stato del mare. 1

8 Lo spettro Doppler di fig.2 mostra ancora un altra peculiarità del sistema. In realtà lo spostamento di frequenza su cui sono centrati i picchi del primo ordine di fatto sono spesso traslati di una stessa piccola quantità rispetto alla posizione prevista dalle considerazioni precedentemente esposte. Ciò è imputabile al fatto che le onde che generano la griglia di diffusione si sovrappongono ad una superficie che può essere fisicamente in movimento qualora vi sia la presenza di una corrente superficiale. Il verificarsi di questa condizione rappresenta un trasporto della massa d acqua e può essere assimilato ad una traslazione del sistema di coordinate di riferimento per il moto ondoso rispetto alla stazione radar sulla costa. Pertanto i due picchi generati dalla diffusione prodotta dal moto ondoso nei modi precedentemente esposti, subirà un ulteriore variazione della frequenza di una piccola quantità che sarà proporzionale alla componente radiale della velocità della corrente secondo la relazione f = 2νc/λ dove νc è appunto la componente radiale della velocità della corrente nel punto. Un software dedicato per il trattamento dei dati e la definizione di una opportuna griglia sull area illuminata dalla stazione radar consentirà di definire un valore radiale medio per ogni singola cella della griglia. Tale valore scaturirà dalla determinazione dei seguenti tre parametri: 1) la distanza d tra la stazione e il punto di diffusione P del quale si desidera il vettore corrente. 2) l angolo azimutale α del punto P rispetto ad una direzione di riferimento. 3) la componente radiale u della corrente superficiale nel punto P. per calcolare questi parametri si procede al processing di una serie temporale di eco riflessi dalla superficie marina. La distanza della zona di mare in esame dipende dal ritardo con cui il segnale emesso dal radar dopo la trasmissione. Il sistema SeaSonde usa un metodo di demodulazione del segnale e lo converte in uno shift in frequenza. A questo punto è possibile fare un analisi spettrale che estrae la distanza (o range) delle sorgenti di scatter e le riordina in bins di dimensioni variabili da 1 a 12 km. In particolare, nel sistema usato a Napoli, la dimensione dei bin è di circa 1 km.

9 La velocità del target si ottiene invece da un processing dell eco di secondo ordine dello spettro di frequenza del segnale ottenuto da ogni bin, che da informazioni sul doppler shift dovuto al movimento del target. Per calcolare la velocità si usa una serie temporale da cui si ottiene una risoluzione della velocità di circa 4cm/s, che può variare dipendentemente alla salinità della superficie. Dopo che la distanza dalla fonte di scatter e la sua velocità sono state calcolate, il terzo passo consiste nel calcolo dell angolo di bearing della zona di mare in esame. Questo si calcola usando le informazioni che si ottengono simultaneamente dalle 2 antenne. Un algoritmo definito di direction finding viene usato per il processing delle informazioni per ottenere il bearing. In particolare SeaSonde usa un algoritmo chiamato MUSIC. A questo punto, dopo avere usato questi algoritmi di processing spettrale, è possibile ottenere un campo di correnti superficiali radiali. I dati di corrente radiale vengono prodotti ogni 4 minuti per la frequenza scelta per il radar di Napoli, e vengono poi mediati per ogni ora. A questo punto l unità centrale combina i dati di corrente radiale e produce i campi di corrente totali. Inoltre il software presente nell unità centrale consente di produrre immagini e movies dei campi di corrente, di archiviare i dati relativi a correnti e onde. La scelta della frequenza del segnale trasmesso deve essere dunque decisa in base a quale sia la lunghezza d'onda che è più frequente nell'area in esame. In particolare, in mare aperto lo spettro di energia delle onde mostra un picco in corrispondenza di =5.5m, che corrisponde ad una frequenza di segnale per l'antenna trasmittente di 25 MHz. Tale meccanismo è noto come principio di Bragg ed è abitualmente usato nell analisi delle strutture dei cristalli. Un altro parametro importante di cui si deve tener conto nella scelta delle frequenze usate è la superficie marina che si intende coprire: maggiore è la risoluzione della griglia e più alta la frequenza di campionamento, minore sarà la superficie coperta. Il working range viene definito come la radice quadrata dell area di misura coperta dal rada ed è dipendente dal rapporto segnale/rumore che dipende dall attenuazione del segnale dovuta alla propagazione attraverso l aria e su varie superfici, e dalla rugosità e la

10 conducibilità della superficie del mare. Nelle due figure che seguono si può osservare l andamento del working range a diverse frequenze e in relazione all attenuazione del segnale trasmesso. In figura a l attenuazione rispetto al range viene studiata prendendo in esame una frequenza di 25 MHz, mentre in figura b è stata scelta una conducibilità di 4 AV -1 m -1. Fig.3 Dipendenza dell attenuazione dal range (Gurgel et al 1999) Nonostante la crescente attenuazione, alte frequenze in trasmissione sono comunque preferibili per l assenza di interferenze del segnale con emissioni radio di tipo VHS. Inoltre la conducibilità dell acqua di mare e la temperatura giocano un ruolo importante nell attenuazione del segnale. In ogni caso le temperature e la salinità tipiche della zona in esame per questo esperimento non creano limitazioni al working range. Fig.4 Dipendenza della conducibilità dalla salinità a diverse temperature (Gurgel et al., 1999)

11 In tabella 2 si possono osservare le relazioni che legano il working range alla salinità (conducibilità) e alla frequenza di segnale emesso. W Brag f 0 P Bragg g R s R 16 R 35 R opt R min R resol [MHz] [s] [m] [km] [km] [km [km] [km] [km] Tab. 2 f0 [MHz] frequenza del radar P Bragg periodo di Bragg dell onda marina W Bragg lunghezza di Bragg dell onda marina R 8 working range a salinità 8 PSU (modello di propagazione) R 16 working range a salinità 16 PSU (modello di propagazione) R 35 working range a salinità 35 PSU (modello di propagazione) R opt working range a salinità 35 PSU, stato del mare ottimale(letteratura) R min working range a salinità 35 PSU, mare grosso (letteratura) maggiore risoluzione possibile R resol

12 AREA Lo studio delle correnti marine nel golfo di Napoli è stato uno degli obiettivi fondamentali dell Istituto di Oceanografia e Meteorologia dell Università degli Studi di Napoli Parthenope. Il golfo di Napoli è caratterizzato da una variabilità con due diverse scale temporali: una di periodo inferiore alle ore che risente molto dei regimi di brezza, ed uno con periodo superiore alle 24 ore caratterizzato dall effetto di correnti residue. Negli anni 80 una serie di misure idrologiche e correntometriche hanno mostrato la presenza di due diversi regimi di corrente nel golfo che si alternano e che sono correlati a differenti situazioni meteorologiche (fig 6a,b -6a,6b). Fig. 6a Fig.6b In fig.6b notiamo che per correnti dirette a Nord tutto il golfo è interessato dal flusso generale di corrente. In particolare si nota la presenza di una circolazione oraria nella zona vicina alla foce del fiume Sarno. In questo caso le velocità sono di circa 5-10 cm s -1. Fig7a Fig. 7b

13 In questa situazione (Fig. 7a-b) invece la situazione è invertita: il flusso di corrente proviene da Nord e le velocità sono caratterizzate da valori inferiori ai 5 cm s -1. In questo caso la circolazione interna del golfo si stacca dal flusso diretto a Sud e forma tre gyres: uno orario ancora nella zona della foce del Sarno, uno orario tra Capo Posillipo e S. Giovanni a Teduccio, e uno di dimensioni maggiori, con circolazione antioraria, che è situato nella parte centrale del golfo. Da questo possiamo dedurre che nel caso di correnti meridionali i tempi di permanenza delle acque nel golfo è decisamente maggiore rispetto al caso in cui osserviamo correnti settentrionali. Inoltre sono stati confrontati i valori di dati forniti dall ECMWF con dati locali di vento, e si è giunti alla conclusione che questi dati non sono abbastanza accurati per il nostro studio a piccola scala, poiché la topografia del golfo di Napoli non viene presa in considerazione nei modelli meteorologici usati all ECMWF.

14 INSTALLAZIONE DEL SISTEMA CODAR Durante il mese di ottobre si è proceduto a installare e calibrare il sistema CODAR. Le due antenne, di cui ognuna fornita di calcolatore, ricevitore e trasmettitore, sono state installate rispettivamente a Portici (ENEA) e Sorrento (Agriturismo la Villanella), mentre l unità centrale si trova presso l Istituto di Meteorologia e Oceanografia dell Università Parthenope. La scelta dei due siti di installazione è stata lunga poiché è di fondamentale importanza che le due antenne coprano uno specchio di mare quanto più ampio sia possibile per ottenere il massimo range di misura. Inoltre è stato fondamentale considerare la presenza di strutture metalliche nella scelta dei siti di installazione, visto che queste potrebbero inficiare le misure. La presenza di metalli infatti contribuisce a deformare i loop dell antenna. Altri problemi relativi al posizionamento dei siti di installazione riguardano la ground wave loss propagation: il segnale cioè viene attenuato nel caso la distanza delle antenne dal mare sia troppo grande, a scapito della risoluzione e soprattutto del range di misura. In particolare il sito di installazione di portici è ancora sotto osservazione a causa della presenza di una impalca tura metallica presente per lavori in corso. L area in cui le misurazioni sono al massimo della qualità sono quelle in cui i raggi che provengono dalle due antenne sono pressoché ortogonali. Nella zona di mare più lontana dalle antenne infatti si assiste al fenomeno del GDOP (geometric dilution of precision), quindi tutti i dati che vengono assimilati in zone dove l angolo che si forma fra i due raggi è maggiore di un angoolo scelto, vengono scartati. Anche nell area intorno alla congiungente le due antenne i dati vengono scartati perché i raggi del radar formano fra loro un angolo di 180. In fig. 8 mostriamo la copertura per il sistema installato nel Golfo di Napoli: come si vede il sistema non rileva dati a Est della congiungente tra le due stazioni. Questa tuttavia non va considerata come una limitazione grave, in quanto l area non coperta è delimitata completamente dalla costa, e la conoscenza completa della velocità lungo l unico bordo aperto consente di valutare il campo di correnti anche in quella zona a partire da considerazioni geometriche e di continuità.

15 Fig. 8: copertura del sistema installato nel Golfo di Napoli Si noti che il Golfo di Pozzuoli è schermato dalla collina di Posillipo. Una volta installati i vari componenti e le antenne, si è proceduto alla calibrazione del sistema. Il sistema è stato calibrato con un transponder: attraverso la trasmissione di un segnale che simula un onda di caratteristiche note, è stata controllata la ricezione del sistema antenna, e sono stati tarati i due ricevitori. Questa misura è stata effettuata con l ausilio di un imbarcazione che ha percorso il tratto di mare coperto dalle misure del radar. I pattern delle antenne misurati sono risultati soddisfacenti, anche se la calibrazione del pattern dell antenna sita presso l ENEA di portici dovrà essere ripetuto a causa della presenza di un impalcatura metallica che dovrebbe essere rimossa tra pochi mesi. Particolare attenzione è stata data alla procedura di scaricamento e trasferimento dei dati. Per l antenna sita all ENEA il problema è stato risolto utilizzando la rete LAN attiva, mentre per il sito di Sorrento è stato necessario attivare una scheda dati che funziona con connessione GPRS. Inoltre sono state scritte delle apposite routines che automaticamente e attraverso una serie di meccanismi di controllo scaricano i dati in situ e li trasferiscono al sito centrale via FTP. A questo punto gli spettri e le correnti radiali ottenuti dai due siti vengono processati per ottenere i vettori di corrente superficiale secondo il metodo sopra descritto. Seguono illustrazioni dei siti di installazione:

16 a Fig. 9a: Sito di Sorrento b Fig 9b: Sito di Portici

17 Fig 10: Unità di raccolta dati: transmitter, receiver e computer portatile In fig. 11 mostriamo una recente mappa di correnti: è importante sottolineare che si tratta di dati ancora non calibrati, che tuttavia possono dare un idea della portata e della risoluzione delle strutture del campo di correnti che questo sistema consente di misurare a cadenza oraria. Fig. 11: correnti superficiali rilevate il 2/2/2005 alle ore GMT In rosso si raffigura un esempio di estrapolazione del campo di corrente nella zona del Golfo di Castellamare di Stabia

18 DATA PROCESSING Una serie di parametri dinamici possono essere calcolati partendo dal campo di corrente superficiale: in particolare sono state scritte alcune routines che calcolano il campo di vorticità e divergenza nella zona in esame. Nelle figure successive si possono osservare i tipici risultati e le rappresentazioni della corrente superficiale e delle zone di vorticità e divergenza positive e negative. I risultati non sono ancora stati validati visto che la calibrazione dell antenna di Portici dovrà essere ripetuta per tarare nuovamente il pattern dell antenna quando l impalcatura presente davanti all antenna sarà stata rimossa. Fig.12: Campi di vorticità e divergenza del 27 Gennaio 2005: in rosso valori di divergenza e vorticità positivi e in blu quelli negativi

19 PUBBLICAZIONE DEI RISULTATI Considerata la rilevanza anche pubblica della conoscenza del campo di correnti nel golfo di Napoli in tempo quasi reale, è parso opportuno utilizzare un mezzo di presentazione dei dati online. Collegandosi alla pagina sarà possibile osservare in tempo quasi reale (circa 3 ore di ritardo), la situazione della corrente superficiale nel golfo di Napoli misurata dal sistema CODAR. Per la costruzione del sito web di destinazione dei dati si è scelta un soluzione mista. La maggior parte del sito è stato scritto in HTML (Hyper Text Transfer Protocol) e JavaScript, mentre funzioni relative alla pubblicazione delle immagini e dei movies, sono state sviluppate in php, per consentirne la "dinamicità". Anche piccole funzioni strettamente legate all'interfaccia grafica, sono state sviluppate in php. HTML, JavaScript e CSS Questi tre elementi costituiscono oggi lo standard della pubblicazione su web. Si tratta di linguaggi client side, nel senso che vengono interpretati dal browser dell' utente e per questo pongono dei problemi prevalentemente in sede di usability. Si sono scelte funzioni multi-browser e multi-piattaforma in modo da consentire la fruizione del sito alla maggior parte dei navigatori, con la maggior parte dei browser web secondo gli standard dettati dalle raccomandazioni del W3C (world wide web consortium). L'HTML, nato come semplice linguaggio di pubblicazioni di ipertesti, si è arricchito notevolmente negli anni e, oggi giorno, con l'ausilio dei CSS e di JavaScript, permette una pubblicazione ricca e complessa, anche dal punto di vista grafico. I tre strumenti insieme costituiscono quello che, erroneamente riconosciuto come un linguaggio a sè stante, viene definito comunemente dynamic html o dhtml. In particolare va sottolineata la funzione dei CSS (Cascading Style Sheet) in questo processo, dato che questo standard ha permesso, negli ultimi anni, di separare finalmente la maggior parte dei contenuti dalla veste grafica di un sito. I CSS sono nati a questo proposito, per consentire un'agevole intervento sulla forma senza costringere il programmatore ad un intervento radicale sui contenuti.

20 Alcuni esempi relativi al sito in esame portanno essere d'aiuto: Si sono utilizzati i CSS per la gestione dei font e di alcune caratteristiche delle celle. Si noti come i CSS definiscono aspetti e stili dei tag html generici, oltre a consentire una forte personalizzazione attraverso la creazione di classi ad hoc, applicabili alla maggior parte degli elementi di una pagina web. Si noti che le classi il cui nome è preceduto da un punto (ad es..ar13_333333_j) sono classi pure, applicabili liberamente a diversi tag della pagina. Mentre si parla di elementi là dove i CSS definiscono le caratteristiche di un generico tag HTML (come nel caso di p { color: #333; font-size: 11px; font-family: Arial, Helvetica, Geneva, Swiss, SunSans-Regular; text-align: justify } che definisce le caratteristiche del tag p -paragraph- di una pagina web). E' intuitivo comprendere come i CSS abbiano arricchito notevolmente l'html, intervenendo semplicemente su di esso, e risolvendo parte almeno del problema della separazione dei contenuti dalla veste grafica. Segue una parte del foglio di stile relativo al sito disamnapoli.it.bgn_img_top_dx { background: url(corpo_dx.jpg) no-repeat right top }.bgn_img_top_dx1 { background: url(top_slices/top_codar_05.jpg) no-repeat right top }.bottom_links { color: white; font-weight: bold; font-size: 12px; font-family: Arial, Helvetica, Geneva, Swiss, SunSans-Regular; text-decoration: none }.ar13_333333_j { color: #333; font-size: 13px; font-family: Arial, Helvetica, Geneva, Swiss, SunSans-Regular; text-align: justify }.ar13_333333_b { color: #333; font-weight: bold; font-size: 13px; font-family: Arial, Si è invece utilizzato JavaScript, ad es., per la costruzione dei rollover nel footer (parte bassa del sito) del sito. In particolare si è utilizzato JavaScript come "gestore" dei CSS delle celle: <td class="td_link" onmouseover = "this.classname='td_over'" onmouseout = "this.classname='td_link'"> <a href="#"> <span class = "ar11_wh_b"> Home </span> </a></td> E' facile comprendere, essendo questi linguaggi simili all'inglese corrente, che JavaScript non fa altro che intervenire sulla classe dell'elemento <td> (la cella di una tabella) a

21 seconda della posizione del mouse rispetto alla cella stessa. Le due classi.td_link e.td_over, e le rispettive caratteristiche, sono riscontrabili nell'esempio relativo ai CSS di cui sopra. La parte dinamica del sito è stata strutturata in vari step automatizzati che si occupano del trasferimento dei dati dall unità centrale IMOS su un server locale. In particolare le immagini dei campi di corrente totali vengono ridotte di dimensioni e trasferite ogni ora. Il folder dove sono contenute le immagini viene automaticamente copiato in una cartella che nominata secondo la data corrente. A questo punto i files relativi a quel giorno vengono copiati nella cartella di arrivo e le immagini ridotte di dimensioni. Inoltre ogni 24 ore viene creato automaticamente un movie dei campi di corrente superficiale di ogni giorno. Il passo successivo richiede che i files siano trasferiti per ragioni di sicurezza su un computer server ( ), dove restano anche per back up. A questo punto il server che ospita il sito web si attiva ogni ora per recuperare le immagini e i movies e pubblicarli nella pagina Queste tasks automatiche sono state ideate ideate in AppleScript, un linguaggio di programmazione friendly che permette di organizzare azioni che vengono ripetute a tempi stabiliti. Queste azioni sono strutturate in tempi successivi utilizzando il software Cronix. Sono state scritte tre routines : ScaleImage.scpt, QTSequence.scpt e TransmitFTP.scpt. ScaleImage.scpt Questo script usa i comandi Finder per: 1. creare una cartella con la data del giorno 2. copiare le immagini relative al giorno stesso 3. ridurre di dimensioni le immagini che abbiano una dimensione maggiore di 640 pixels. 4. cancellare ogni 3 giorni le cartelle giornaliere create

22 ScaleImage property TheDate : current date property MaxImageWidth : 640 property SourceFolder : "/codar/seasonde/data/pictures/totals/" as POSIX file tell application "Finder" end tell set ImageFolder to folder SourceFolder set new_folder to TheDate's day & "_" & TheDate's month & "_" & TheDate's year as string set DuplicatedFolder to duplicate ImageFolder set name of DuplicatedFolder to new_folder set ImageFiles to every file in ImageFolder repeat with i from 1 to count of ImageFiles set CurrentImage to item i of ImageFiles as alias tell application "Image Capture Scripting" set ImageFile to open CurrentImage tell ImageFile if (ImageFile's width is greater than MaxImageWidth) then scale to size MaxImageWidth save in CurrentImage close end if end tell end tell end repeat QTSequence.scpt Nella parte dinamica della stessa pagina web, è inoltre possibile vedere un filmato a scelta dell ultima settimana delle correnti superficiali osservate ogni giorno. Automaticamente questo script si attiva ogni 24 ore per creare il filmato del giorno in esame. L applicazione

23 utilizzata in questo caso è Quick Time, che realizza un filmato di tipo *.mov adatto alla pubblicazione su web. In questo caso il trasferimento sarà effettuato una volta al giorno. Inoltre sarà possibile osservare in questa pagina un archivio di casi studio. Questi verranno aggiunti alla pagina web nel tempo senza alcun tipo di automatismo. QTSequence.scpt -- START Preferences property folderpath : "/codar/seasonde/data/pictures/totals/toftp" -- STOP Preferences property new_folder : day of (current date) & "_" & month of (current date) & "_" & year of (current date) as string property ImagesFolder : (folderpath & new_folder) as POSIX file property new_file : (ImagesFolder & ":" & new_folder & "_Movie.mov") as string tell application "Finder" set ImageFiles to every file in folder ImagesFolder if ImageFiles is not {} then set FirstImage to first item of ImageFiles as alias tell application "QuickTime Player" launch activate stop every movie close every movie saving no open image sequence FirstImage seconds per frame 1.0 save movie 1 in new_file as self contained stop every movie quit end tell end if end tell FTPTransmit.scpt Questo script viene utilizzato per il trasferimento dei files immagine dall unità centrale del sistema CODAR ad un server locale ( ). I files relativi alle immagini di ogni ora verranno infatti trasferiti ogni ora, e una volta al giorno avverrà il trasferimento del movie che mostra le correnti giornaliere.

24 Lo script effettua un comando di tipo sync per confrontare le cartelle co i files di origine e di destinazione in modo che solo i files mancanti nella cartella di destinazione vengano trasferiti a scadenza oraria. In questo modo si evitano anche problemi relativi ad una eventuale gap tra i files orari. Il software che lo script usa per il trasferimento dei files è Transmit. tell application "Transmit" --Preferences set RemoteServer to " " set UserName to "******" set UserPasw to "******" set RemotePath to "/ftproot/" set LocalPath to "/codar/seasonde/data/pictures/" -- Create a new session window for the script make new document at before front document set suppress AppleScript alerts to true -- send commands to the frontmost document window tell «class ases» of document 1 «event SeSncONT» given «class srvr»:remoteserver, «class unam»:username, «class upas»:userpasw «event SeSnsYSP» given «class ypth»:localpath «event SeSnsTSP» given «class tpth»:remotepath (* Direction can be: upload files / download files Method can be: update / mirror *) «event SeSnsnCZ» given «class czmt»:mirror, «class czdr»:upload files, «class TOFF»:0 end tell end tell tell application "Transmit" quit end tell end tell L' utilizzo di PHP per alcune funzioni più complesse Per gestire alcune funzioni più complesse, e per separare ulteriormente la forma dai contenuti del sito (travalicando ulteriormente i limiti comunque posti dai CSS) si è scelto invece un linguaggio server side. In particolare si è scelto, trai tanti disponibli, PHP. L'acronimo sta per PHP: Hypertext Preprocessor il che lascia intuire la prima caratteristica

25 del linguaggio server side: esso ha funzione di preprocessore. Una semplice immagine spiega chiaramente questo processo: Fig. 13: Struttura del PhP (da Tim Converse and Joyce Park with Clark Morgan, PHP5 and MySQL Bible, Wiley Publishing Inc. 2004). E' evidente che il cuore del sistema risiede nello scripting engine che si interpone, come un filtro, tra la richiesta del browser e il web server, preprocessando dunque la richiesta dell'utente. Lo scripting engine risiede sul server e all'utente viene restituita una pagina in semplice HTML. La particolarità di questo sistema è tuttavia che la pagina HTML in questione è stata processata e non risiedeva in quella forma sul web server come normalmente accade per le pagine in puro HTML (o dhtml come sopra descritto).

26 Questa, come altre caratteristiche delle pagine preprocessate (come ad es. l'utilizzo di data base relazionali, che spesso si accompagna all'adozione dei linguaggi server side), fa sì che queste pagine web vengono spesso definite volgarmente pagine "dinamiche" così come interi siti si definiscono siti "dinamici". Come si è appena detto, spesso i linguaggi server side si accompagnano all'utilizzo di data-base relazionali (anch'essi operanti su server) che forniscono i contenuti delle pagine web dinamicamente (tra i più comuni ricordiamo anche ASP/SQL o JSP/ORACLE). La scelta dell'uno o dell'altro sistema è spesso orientata da problematiche di sicurezza, di costi delle licenze e di gestione, di velocità e capacità di elaborazione e gestione dei dati. Approfondire l'argomento esula dall'obiettivo della presente relazione. Basti dire che la scelta è caduta, come sempre più spesso accade, sia in ambito accademico e commerciale, su PHP/MySQL (in particolare su PHP, essendo i nostri dati archiviati su macchine locali) perchè oggi giorno rappresenta con buone probabilità il miglior compromesso costi/benefici esistente sul mercato. Nel sito disamnapoli.it si è utilizzato php specificamente per risolvere un ulteriore problema di separazione dei contenuti dalla forma e per consentire un'agevole pubblicazione delle immagini e dei filmati relativi alle correnti marine nel golfo di Napoli. Relativamente al primo problema si è utilizzata una semplice funzione di include per costruire alcune parti delle pagine comuni a tutte le pagine del sito. Un esempio sarà ancora di aiuto per comprendere questo punto. La toolbar laterale sinistra presenta un elenco di link a tutte le pagine del sito ed è presente, in forma identica, in ogni singola pagina del sito. Il linguaggio server side torna in questo caso particolarmente utile allo scopo di isolare un elemento della pagina in un file a sè, richiamandolo in ogni singola pagina, nel caso di php, con una semplice funzione di "include". Questo permette, dunque, un'ulteriore separazione della forma dai contenuti in quanto eventuali modifiche all'elemento comune andranno fatte in un solo script e non in ogni singola pagina del sito. I benefici di questo sistema sono ancora maggiori se si pensa a siti composti da centinaia o migliaia di pagine. Nel caso della toolbar laterale sinistra il richiamo al file da includere avviene nel modo seguente:

27 <td align="left" valign="top" width="150"> <?php include '../incs/leftbar.inc';?> </td> Dove si trova del codice misto html/php e dove la stringa php ha la mera funzione di richiamare un file esterno situato nella directory /incs/ e chiamato, nel nostro caso, leftbar.inc (contenente il codice html che "costruisce" la nostra barra laterale dei link interni). Si è utilizzato, infine, php per la costruzione delle pagine relative alla pubblicazione delle immagini e dei filmati. In questo caso la pagina web presenta dei menu a tendina che permettono all'utente di scegliere l'immagine (o il filmato) da visualizzare. In questo caso il linguaggio server side preprocessa la pagina a seconda del valore di una variabile che funge da gestore globale del file da visuallizare in pagina. Il risultato di ciò è la presenza di una sola pagina generica su server invece di un numero di pagine html corrispondente al totale delle immagini e dei filmati disponibili. Tutto ciò con ovvie conseguenze in termini di funzionalità, semplicità di gestione delle modifiche e ottimizzazione dello spazio web. Per comprendere il funzionamento di questo sistema basti pensare ad una pagina generica che presenta uno spazio vuoto di dimensioni prefissate in pixel (corrispondenti alle dimensioni delle immagini e dei filmati). A seconda della scelta dell'utente, il web server, in seguito all'intervento dello script engine, fornirà una pagina standard che all'interno dello spazio vuoto presenterà l'immagine, o il filamto, selezionato dall'utente. Per rendere, infine, tutto ciò funzionale, specialmente in caso di errori a monte (per un downtime del server universitario, per un guasto del radar, ecc.) la struttura delle immagini e dei filmati disponibili non farà riferimento ad una data specifica, ma ad una settimana tipo. Linguaggi "dimanici", html e ottimizzazione per i Motori di ricerca Si è scelto di limitare l'utilizzo di linguaggi server side alle funzioni strettamente necessarie. Questo anche in virtù di una corretta indicizzazione delle pagine web da parte dei motori di ricerca. Secondo quanto su esposto si intuisce che una delle conseguenze dell'utilizzo di linguaggi "dinamici" è la riduzione del numero di pagine web presenti sul server: le pagine vengono create a seconda della scelta dell'utente in tempo reale.

28 I motori di ricerca, attraverso i loro spider che scansiscono il web, si comportano esattamente come un utente che naviga con un browser, seguendo tutti i link presenti su una pagina web. Tuttavia funzioni troppo complesse o link troppo lunghi che spesso si utilizzano per conservare variabili e relativi valori, ovviando all'assenza di stato dei linguaggi server side, costituiscono delle barriere "architettoniche" per gli spider dei motori. La conseguenza di ciò è ovviamente una parziale indicizzazione del sito con conseguenze negative sulla visibilità di esso. Pertanto si è ritenuto opportuno utilizzare in maggioranza il linguaggio HTML per la composizione delle pagine che costituiscono la parte "descrittiva" del sito. Questo garantisce una maggiore fruibilità delle pagine da parte degli spider di Google e Yahoo, che insieme rappresentano il 90% dei risultati di ricerca forniti su scala mondiale, con conseguenze positive in termini di visibilità del sito per le chiavi di ricerca per le quali esso risulta ottimizzato. PUBBLICAZIONE SCIENTIFICA Oltre alla fruizione pubblica a largo spettro, si prevede la pubblicazione di articoli su riviste specializzate di oceanografia. I tempi previsti sono strettamente dipendenti da quelli di calibrazione dello strumento. Sarebbe interessante inoltre confrontare i risultati delle misure ottenute con il CODAR con misure ottenute attraverso altri metodi come l uso di boe lagrangiane. Inoltre le misure CODAR potrebbero essere utilizzate come input in modelli a scala locale vista l ottima risoluzione e la copertura areale. POSSIBILI APPLICAZIONI Al di là dell interesse scientifico insito nello studio della dinamica di uno specifico bacino costiero, la disponibilità di campi di corrente superficiale ad alta risoluzione nello spazio e nel tempo riveste una notevole importanza dal punto di vista applicativo. In particolare, le applicazioni più interessanti nell ambito delle indagini sul rischio ambientale in ambiente marino sono quelle incentrate sull analisi, sul monitoraggio e sulle strategie di mitigazione dei rischi derivanti da un eventuale sversamento di sostanze inquinanti all interno di un area costiera.

29 La dispersione di un inquinante in un ambiente fluido è il risultato del trasporto dell inquinante stesso da parte di moti a tante diverse scale che caratterizzano il flusso. Nell ipotesi che questi moti possano essere suddivisi in due classi ben separate, caratterizzate da scale differenti, il trasporto può essere schematizzato, dal punto di vista euleriano, come un fenomeno avvettivo-diffusivo; i processi avvettivi sono quelli riferiti alle scale del moto più grandi e più lente, responsabili di uno spostamento del baricentro del campo di inquinante, mentre quelli diffusivi rappresentano gli effetti delle scale piccole e veloci, che risultano in spostamenti tipicamente a media nulla. Esiste la possibilità di una descrizione perfettamente equivalente in termini lagrangiani, in cui la componente avvettiva è descritta come un campo deterministico a grande scala, e quella diffusiva come un opportuno processo stocastico che descriva gli effetti del campo turbolento che si sviluppa a scale più piccole della risoluzione dei dati radar. Per quanto riguarda lo studio dei processi di dispersione di inquinanti che galleggino sulla superficie marina, si può dunque prevedere di realizzare un modello di descrizione del trasporto, euleriano o lagrangiano, che utilizzi come campo avvettivo quello dedotto dalle misure radar di corrente superficiale, eventualmente interpolate nello spazio e nel tempo; la parte diffusiva andrà invece opportunamente parametrizzata, nel caso euleriano, ovvero esplicitamente descritta con un modello di moto di particelle, nel caso lagrangiano, adattato alle tipiche fenomenologie a piccola scala che si riscontrano nella zona in esame. Nel caso invece di studi di dispersione di inquinanti a buoyancy negativa, in cui è indispensabile la conoscenza della dinamica tridimensionale, i dati radar superficiali potranno essere utilizzati come condizioni al contorno di un modello di circolazione costiera multistrato. In questo caso tuttavia sarà anche necessaria la conoscenza dei forzanti meteorologici, della stratificazione e delle condizioni al contorno nella zona che segna il limite tra acque costiere e acque di largo. Inoltre fin dal 1979 Barrick aveva sottolineato la rilevanza della previsione degli tsunami in ambiente costiero. Quando un onda di tsunami si avvicina alla costa, il periodo dell onda non cambia temporalmente (resta di circa minuti), ma diminuisce nello spazio. Inoltre l altezza d onda diminuisce insieme alle velocità di fase e di gruppo(barrick, 1979). Come si può osservare in fig. 14 la presenza di un onda di tsunami altera le velocità di fase delle onde osservate dal radar.

30 Fig.14: Schema che mostra le correnti superficiali indotte da un onda di tsunami. Per un onda di tsunami con un periodo temporale di 20 min., periodo spaziale di 100 m, L sarà circa 30 km.

31 Fig. 15: Banda Aceh Shore, Indonesia - Images DigitalGlobe: l isola prima e dopo lo tsunami. Ovviamente il golfo di Napoli è poco interessato da questo tipo di problemi, ma è opportuno sottolineare i vari utilizzi di un sistema relativamente poco costoso rispetto ai danni che la mancanza di previsioni può causare (fig. 15).

32 REFERENCES BARRICK, D.E. (1977), Extraction of wave parameters from measured HF radar sea-echo Doppler spectra, Radio Sci., vol. 12, pp BARRICK, D.E., EVANS, M.W. & WEBER, B.L Ocean surface currents mapped by radar. Science, 198, BARRICK, D.E., 197. A coastal radar system for tsunami warning, Remote Sensing of Environ., vol. 8, pp BARRICK, D.E The role of dispersion relation in HF radar measurements of the sea surface. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 11, CROMBIE, D.D Doppler spectrum of sea echo at Mc/s. Nature, 175, CSANADY, G.T. (1973), Turbulent Diffusion in the Environment, Reidel, Dordrecht, pp DE MAIO, A., MORETTI, M., SANSONE, E., SPEZIE, G., VULTAGGIO, M., Outline of marine currents in the Bay of Naples and some considerations on pollutant transport. Il nuovo cimento 8C, GURGEL K.-W., ESSEN H.-H. and KINGSLEY S. P., 1999, HF radars: Physical limitations and recent developments, Coastal Engineering, VOL 37, NOS. 3-4, pp ,ISSN , August. ULLMAN, D., ÒDONNELL, J., EDWARDS, C., FAKE, T., MORSCHAUSER, D., SPRAGUE, M., ALLEN, A., KRENZIEN B. (2003), Use of Coastal Ocean Dynamics Application Radar (CODAR) Technology in U.S. Coast Guard Search and Rescue Planning, U.S. Coast Guard Research and Development Center Report No. CG-D-09-03, June 2003.