Negli ultimi secoli la pressione antropica ha causato una forte variazione del sistema costiero; le zone umide sono state sostituite dai campi agricoli, dalle strade, dalle aree urbanizzate e dalle industrie. La perdita di naturalità delle nostre coste è prodotta principalmente dall’erosione costiera (più del 60%) e dalla diffusione delle abitazioni, delle infrastrutture e delle aree produttive. In tale contesto è di fondamentale importanza comprendere le relazioni che intercorrono tra le variazioni della linea di costa e le trasformazioni antropiche, quali strumenti indispensabili per una corretta gestione della fascia costiera. Le variazioni della linea di costa rappresentano un indicatore ambientale in grado di individuare: a) le aree esposte ad erosione; b) i beni esposti a rischio, c) le priorità atte a mitigare il rischio.

L’attività descritta di seguito ha come scopo l’acquisizione di conoscenze avanzate sulle dinamiche e/o variazioni nel tempo degli ecosistemi costieri in relazione ai processi fisici che li caratterizzano, da sviluppare attraverso la sperimentazione di nuove metodologie di monitoraggio in relazione alle specifiche caratteristiche dell’area costiera adiacente la foce dei fiumi. Poiché la profondità del fondale, le caratteristiche idrodinamiche dello stato superficiale dell’acqua, l’impatto antropico e gli sversamenti di materiale convogliato alle foci fluviali incidono fortemente sullo stato ambientale del sistema costiero, l’attività di monitoraggio riguarda lo studio delle variazioni della linea di costa e della batimetria dei bassi fondali in modo tale da inserirsi nel Piano di Gestione Integrata della Fascia Costiera.

I radar in banda X, negli ultimi anni, si stanno affermando tra i sistemi di monitoraggio per il vantaggio di possedere grande diffusione e costi contenuti. Oltre a ricevere l’eco proveniente da possibili ostacoli presenti sull’acqua, ricevono anche quello riflesso dalla superficie. Sono proprio questi dati, generalmente scartati, poiché considerati un disturbo per l’individuazione dei bersagli, a essere i più utili per conoscere lo stato superficiale. In particolare, l’elaborazione dei dati consente di ottenere informazioni essenziali, quali la lunghezza d’onda, la direzione e il periodo delle onde dominanti, le correnti superficiali e la batimetria del fondale. Inoltre, offrono una flessibilità operativa avanzata grazie alle loro piccole dimensioni, al peso ridotto e alla semplicità di installazione.

Le peculiarità e potenzialità di una tecnologia innovativa, il ‘Wave Radar’, sta riscuotendo, di recente, un interesse sempre crescente nell’ambito del monitoraggio costiero grazie ai suoi impieghi per il controllo delle coste e delle situazioni di emergenza. In particolare, il modello in uso è denominato ‘Mobile’ in quanto ha la caratteristica di essere collocato su una colonna pneumatica montata a bordo di una piattaforma carrabile a rimorchio. Il radar di tipo nautico in questione, utilizzato per scopi di ricerca scientifica, funziona esclusivamente ad impulsi corti, la trasmissione è inibita verso terra e possiede uno stretto angolo di emissione diretto solo verso il mare, irradiandolo ad intervalli di tempo non continuativi di pochi minuti e solo in corrispondenza di forti mareggiate, in modo tale da consentire l’acquisizione di dati sufficienti ad effettuare un’analisi delle caratteristiche del moto ondoso e delle correnti superficiali nell’area di mare antistante il sito di posizionamento prescelto, fino ad una distanza di 3 miglia nautiche.

La possibilità di conoscere in tempo reale e con buona accuratezza lo stato superficiale del mare permette di sviluppare una serie di applicazioni e di servizi. Il sistema radar in banda X, installato su postazioni fisse, in prossimità di porti o in altri punti strategici, può essere utilizzato, ad esempio, per monitorare l’evoluzione della linea di costa, generando le mappe di corrente superficiale e il campo delle onde che irrompe generando erosione, e può costituire un dispositivo per la messa a punto di modelli di trasporto e diffusione di materiale sospeso e il monitoraggio delle foci dei fiumi.

STRUMENTI E PERSONALE

Un sistema “wave radar” si compone di:

  • Antenna radar di 6 piedi per la ricetrasmissione nella banda di frequenze 9300 ÷ 9500 MHz;

  • Sistema di acquisizione e conversione dati;

  • PC per controllo radar ed elaborazione dati;

  • Moduli software dedicati al controllo ed alla gestione dell’unità radar, dell’interfaccia di acquisizione e per la determinazione dei parametri fisici che concorrono alla definizione dello stato del mare in un’area di raggio fino a 1,5 miglia nautiche dal radar e relativa archiviazione su database;

  • Moduli software dedicati alla generazione delle mappe di correnti superficiali ad alta risoluzione spaziale, alla trasmissione delle informazioni rilevate verso database/sistema remoto su protocollo TCP/IP con selezione automatica del migliore canale trasmissivo, alla gestione ed al controllo remoto del sistema (inclusa l’interfaccia grafica utente per la visualizzazione dei risultati). L'interfaccia di acquisizione e processamento dei segnali radar per la generazione di immagini della superficie del mare è conforme alla norma IEC60945. L'Unità di elaborazione è dedicata al post-processing ed all’archiviazione dei dati.

In particolare, il modello in oggetto è denominato Mobile in quanto ha la caratteristica di essere collocato su una colonna pneumatica montata a bordo di una piattaforma carrabile a rimorchio della RSA ITALIA Srl. La colonna pneumatica può essere azionata tramite un generatore a motore monocilindrico 4 tempi a benzina HONDA GX160 di dimensioni (L x L x A) 312 x 362 x 346 mm e peso a secco 15.1 kg, cilindrata 163 cm³, potenza netta 3.6 kW (4.8 HP)/3600 giri/min, potenza nominale continua 2.5 kW ( 3.4 HP )/3000 giri/min. La capacità del serbatoio è di 3.1 Litri e il consumo di combustibile stimato alla potenza continuativa è 1.4 L/O - 3600 giri/min.

Di seguito alcune foto del sistema ‘Wave Radar Mobile’ con il dettaglio del generatore elettrico innestato all’interno della struttura. La foto di sinistra mostra il sistema con l’antenna radar montata sulla colonna pneumatica che si trova in posizione verticale, quella di destra il sistema con la colonna a riposo e di minimo ingombro.

Le caratteristiche di flessibilità e mobilità del sistema Radar Mobile, lo rendono unico nel suo genere in quanto offre il vantaggio di poter effettuare un monitoraggio costiero con estrema semplicità e rapidità da una qualsiasi posizione senza la necessità di dover effettuare una installazione fissa, purché si abbia una visuale sul mare.

Personale

Francesco Raffa (Tecnologo CNR - Responsabile Sistema Radar)

Serena Botteghi (Ricercatore CNR)

Carlo Sardo (Tecnico CNR)

Lyuba Novi

Contatti

Telefono:

+39 347 1803641 (Francesco Raffa)
+39 050 6212387 (Serena Botteghi)

E-mail:

francesco.raffa(at)igg.cnr(dot)it
serena.botteghi(at)igg.cnr(dot)it

lyuba.novi(at)deltares(dot)nl

L'attività di monitoraggio è fondamentale per la comprensione dei fenomeni in corso sul litorale e per la verifica degli effetti degli interventi realizzati. Da sempre il radar marino viene utilizzato come supporto alla navigazione, permettendo l’individuazione di target in mare. Per una migliore visualizzazione dei target il dispositivo permette di ridurre, tramite l’utilizzo di un filtro anti-clutter, il ritorno della radiazione elettromagnetica, denominato appunto clutter, proveniente dalla superficie del mare. Solo nell’ultimo decennio i dispositivi radar vengono utilizzati per un’altra applicazione: il monitoraggio dei parametri che caratterizzano lo stato del mare. Tramite l’analisi del segnale di clutter ricevuto da un comune radar in banda X, é possibile infatti, ricavare notevoli informazioni sullo stato del mare come la lunghezza dell’onda, la direzione, il periodo delle onde dominanti, le correnti superficiali e la batimetria del fondale. In specifiche condizioni è possibile anche ricostruire l'evoluzione spazio-temporale del moto ondoso e monitorare, quindi, l’altezza e il propagarsi delle singole onde della superficie del mare. La conoscenza di tali informazioni è utile per lo sviluppo di una serie di applicazioni e di servizi come, ad esempio, la protezione e salvaguardia della costa. Il Wave Radar in banda-X permette di scansionare la superficie del mare con alta risoluzione spaziale e temporale, ciò è possibile in quanto il backscattering dalla superficie del mare, la cui intensità può essere paragonabile a quella dei normali bersagli, è catturato dall’antenna radar. L’interazione tra le onde elettromagnetiche del radar e la superficie libera del mare può essere divisa in due fenomeni molto diversi:

  • la riflessione dei campi elettromagnetici secondo le leggi dell'ottica geometrica.
  • la dispersione delle onde elettromagnetiche o backscattering, che è l'effetto più significativo quando si misura

il campo d'onda attraverso i comuni radar nautici in banda X nella modalità grazing angle, cioè geometria di acquisizione con un angolo di vista quasi parallelo alla superficie del mare. L’effetto di backscattering è causato dall’interferenza delle onde trasmesse dal radar con la rugosità della superficie del mare. La suddetta rugosità è dovuta principalmente alle onde capillari formate dal vento locale e da altri fenomeni come la presenza di schiuma sulla superficie del mare. Pertanto, la misura delle onde mediante radar è legata all'esistenza di vento nella zona illuminata dal radar. Risultati sperimentali mostrano che è necessario un vento di almeno 2.5m/s perché si formino i ripples sulla superficie del mare, tali da poter dare un ritorno sufficientemente intenso sul segnale video del radar.

Per tale ragione in assenza di vento il sistema non è in grado di fornire immagini della superficie del mare poiché il segnale trasmesso viene riflesso in modo speculare rispetto alla posizione dell’antenna trasmittente e non scatterato in tutte le direzioni.

L’applicazione ha come scopo quello di contribuire all’acquisizione di conoscenze avanzate sulle dinamiche e/o variazioni nel tempo degli ecosistemi costieri in relazione ai processi fisici che li caratterizzano, da sviluppare attraverso la sperimentazione di nuove metodologie di monitoraggio in relazione alle specifiche caratteristiche dell’area costiera. Con il rilevamento da remoto attraverso il Wave Radar, da affiancare ai sistemi più tradizionali per i rilievi di dettaglio, si forniranno importanti datasets per testare i software, calibrare i sistemi e confrontare i risultati. Potranno essere individuate variazioni della linea di riva dell’ordine di grandezza pari a qualche metro. Dati a questa scala spazio-temporale non sono facilmente ottenibili da altre tecniche di rilevamento da remoto. L'uso del Wave Radar come strumento per quantificare la variazione costiera a scale stagionali e di eventi in complessi sistemi idrodinamici è un'applicazione unica per monitorare aree con morfologia dinamica o vulnerabile all'erosione determinata da eventi di tempesta.

Nell’ambito della convenzione stipulata nel corso del 2018 con il CNR-ISMAR Sede secondaria di Napoli proprietaria del Wave Radar Mobile, per attività di studio e monitoraggio condiviso a fini di ricerca scientifica, il CNR-IGG sta utilizzando questa innovativa strumentazione per la prima volta in Italia per collezionare dati di monitoraggio dell’aree costiere della Toscana. E’ stata avviata un'attività periodica di monitoraggio a scala locale, con cui poter individuare le aree caratterizzate dai fenomeni più evidenti da monitorare con maggior dettaglio, come l’area del Parco San Rossore, tra il Gombo e Marina di Pisa, la Versilia, tra Marina di Carrara e Lido di Camaiore, la Mazzanta, tra Vada e Cecina e la zona di Calafuria. Poiché la profondità del fondale, le caratteristiche idrodinamiche dello stato superficiale dell'acqua, l’impatto antropico e gli sversamenti di materiale alle foci fluviali incidono fortemente sullo stato ambientale del sistema costiero, l’attività di monitoraggio proposta riguarda lo studio delle variazioni della linea di costa e della batimetria dei bassi fondali.

Un esempio di applicazione del Wave Radar in banda X svolto nell'ambito delle azioni di "Coastal Monitoring" previste dal progetto SIGIEC PON (Integrated Management System for Coastal Erosion), realizzato dal CNR in partnership con università ed aziende, ha studiato le cause e gli effetti dei fenomeni di erosione che colpiscono le spiagge situate in aree campione nelle regioni italiane della Calabria e della Puglia, sperimentando misure di contenimento e sviluppando metodi quantitativi per produrre, valutare e attuare una corretta politica di gestione delle coste.

La scelta del sito è stata effettuata tramite un'analisi qualitativa che integra i dati geomorfologici e meteo-marini: l'area costiera di Bagnara Calabra (RC). Dal 24 al 27 febbraio 2015 sono state acquisite ed analizzate oltre 1000 immagini dello stato del mare entro un miglio dalla costa utilizzando il sistema Wave Radar sviluppato presso l'IREA-CNR.

Le immagini seguenti contengono informazioni riguardanti il campo d'onda e la sua variazione nel tempo su scala locale. L'energia delle onde intrappolate dalle barriere sommerse induce un intenso riverbero delle onde tra i frangiflutti e la linea di costa. Inoltre, nella figura è chiaramente identificabile il molo nell'area portuale e due zone d'ombra, una in direzione Nord-Est e l'altra in direzione Sud-Ovest.

Un altro aspetto interessante è costituito dalle morfologie individuate nell'area antistante la foce del fiume Assi, presso Monasterace Marina (RC).

L'immagine radar (figura sopra) evidenzia diversi elementi che caratterizzano l'area costiera di Monasterace Marina: A) Foce del fiume Assi: confronto tra ortofotografie e immagini radar; B) Area d'ombra probabilmente causata dal canale sottomarino situato di fronte alla foce del fiume Assi; C) Riflessione del segnale radar in corrispondenza della protuberanza sommersa dell'antico litorale. Alcuni elementi morfologici, come le dune costiere e i principali canali di distribuzione del delta del fiume, sono chiaramente distinguibili (figura A). È evidente un'area meno riflettente di fronte al fiume Assi (figura B): potrebbe essere correlata ad un canale sottomarino situato di fronte al fiume e quindi dovuto alla maggiore profondità raggiunta nell'area. Fino a circa 800 m dalla linea di riva, nell'area antistante il Museo, vi è un intenso riflesso del segnale radar; questa zona coincide con l'area dove si trova la testa sommersa, a forma di gancio, e dove probabilmente si trovava l'antica linea di riva (figura C).

INTERESSI SCIENTIFICI

I principali interessi scientifici sono legati all’alto livello di artificializzazione e urbanizzazione della pianura costiera toscana, con edilizia residenziale concentrata e diffusa, sviluppo di aree industriali e artigianali (particolarmente concentrate lungo le sponde dei corsi d’acqua) ed elevata densità delle infrastrutture viarie (con rilevante effetto barriera e di frammentazione). La pressione antropica sulla costa a dune e cordoni è molto pesante, e si combina con l’erosione costiera. Ampi tratti del litorale sabbioso sono interessati da fenomeni di erosione: nonostante le opere a protezione, in alcuni tratti la linea di costa è arretrata di alcune decine di metri. L'analisi a scala regionale dei tassi annuali di variazione media della linea di riva indica che nel periodo 1984 -2005 della metà circa del litorale toscano: - il 30% presenta variazioni contenute (tra 0,5 e 1,5 m/anno), di cui quasi il 18% è risultato in crescita; - il 10% ha visto variazioni comprese tra 1,5 e 3 m/anno, equamente distribuite tra tratti in erosione e in avanzamento; - il restante 6% (il 4% del litorale originariamente sabbioso è oggi occupato da costa artificiale) ha variazioni maggiori, con una prevalenza dei fenomeni di erosione rispetto a quelli di avanzamento (Fonte: Servizio Idrologico Regione Toscana).

  • Michele Punzo, Chiara Lanciano, Daniela Tarallo, Francesco Bianco, Giuseppe Cavuoto, Rosanna De Rosa, Vincenzo Di Fiore, Giuseppe Cianflone, Rocco Dominici, Michele Iavarone, Fabrizio Lirer, Nicola Pelosi, Laura Giordano, Giovanni Ludeno, Antonio Natale, Ennio Marsella, 2016 “Application of X-Band Wave Radar for Coastal Dynamic Analysis: Case Test of Bagnara Calabra (South Tyrrhenian Sea, Italy),” Journal of Sensors, vol. 2016, Article ID 6236925, 9 pages, 2016. https://doi.org/10.1155/2016/6236925.
  • Williams, JJ; Esteves, LS and Atkinson, J. X-band radar system to support coastal management decisions [online]. In: Australasian Coasts & Ports 2017: Working with Nature. Barton, ACT: Engineers Australia, PIANC Australia and Institute of Professional Engineers New Zealand, 2017: 1179-1185.
  • G. Ludeno, F. Raffa, F. Soldovieri, F. Serafino, 2018. Proof of feasibility of the sea state monitoring from data collected in medium pulse mode by a x-band wave radar system. Remote Sensing 10 (3), 459