Articolo tratto dalla Newsletter n° 021 di marzo 2025

La conoscenza e comprensione dei fenomeni che avvengono nel mare è sempre limitata da un fattore determinante: il mare è in continua evoluzione e quindi cambia il suo stato nel tempo e nello spazio. Questo è da sempre un cruccio per gli oceanografi che, dagli albori di questa scienza, cercano di inventarsi metodi e strumenti che possano ovviare ai limiti imposti dalla vastità dell’oceano. La sfida è ardua e l’oceano rimane ancora inesplorato e con fenomeni poco chiari e non descritti a sufficienza.

L’avvento dei satelliti ha permesso di ottenere una conoscenza approfondita dei processi che interessano gli strati più superficiali ma, ahinoi, il satellite non vede in profondità. E a volte è proprio lì, negli abissi, che sono custoditi molti dei segreti che l’oceano conserva.

La tecnologia sta facendo balzi da gigante nel campo delle misure oceanografiche e siamo giunti ad utilizzare dei veri e proprio droni marini che, in completa autonomia, solcano gli oceani misurando i parametri fondamentali che caratterizzano l’ambiente marino.

Tra i precursori di questa nuova era della esplorazione marina, ci sono sicuramente gli strumenti denominati Argo Float. Argo è il progetto internazionale (https://argo.ucsd.edu/) che ha come scopo finale l’osservazione su scala globale delle principali caratteristiche fisiche dell’oceano dalla superficie fino a 2000 m di profondità.

Il nome Argo è stato scelto per la collaborazione con il programma satellitare di osservazione terrestre Jason, cha ha lo scopo di studiare la forma della superficie oceanica (nella mitologia greca, Giasone – Jason – navigò sulla sua nave Argo alla ricerca del vello d’oro). Iniziato alla fine degli anni ‘90, il programma prevede la copertura di tutti gli oceani con almeno 4000 strumenti che funzionano in modo quasi sincrono e tale da fornire una visione quasi sinottica della struttura verticale del campo di temperatura e salinità. Nella figura 1 è rappresentata la mappa in cui sono riportate le posizioni di tutti gli Argo float attivi e che hanno trasmesso una posizione e i profili misurati alla data della mappa.

Come funzionano gli Argo float

La natura molto spesso fornisce delle soluzioni a problemi che possono sembrare complessi. Gli Argo float, autonomamente, affondano e risalgono e, una volta in superficie, grazie alla trasmissione satellitare, inviano i dati ai centri di raccolta sulla terra. Ma come è gestito in autonomia lo spostamento verticale? Si riproduce in sostanza il comportamento dei pesci che variano il volume della vescica natatoria per spostarsi da una profondità ad una superiore/inferiore. L’Argo float ha una sua vescica che può essere gonfiata o sgonfiata facendo variare di conseguenza il volume dello strumento. Il volume è legato alla densità attraverso la relazione: densità=massa/volume. Pertanto, se la vescica del float aumenta di volume (si pompa dell’olio presente in un circuito interno) la densità diminuisce e viceversa.

Se la densità dello strumento è minore di quella dell’oceano, il float ha un moto ascensionale, se invece avviene il contrario (densità dello strumento maggiore di quella dell’oceano) lo strumento affonda. Un sensore di pressione regola la profondità massima che il float può raggiungere (definita come parking depth posta di solito pari a circa 1000 m). Quindi, arrivati sul punto di rilascio, il float è pronto per immergersi e, lanciato in acqua (passo 1 in figura 2a), affonda fino alla profondità di 1000 (passo 2 in figura 2a) e rimane a questa profondità per 10 giorni trasportato dalla corrente (passo 3 in figura 2a). Scaduti i 10 giorni, lo strumento fa un ulteriore tuffo fino a 2000 m (passo 4) da dove comincia la risalita fino in superficie (passo 5), misurando temperatura e salinità dell’oceano. Raggiunta la superfice, attende il passaggio di un satellite della costellazione Iridium (passo 6), trasmette i dati raccolti e si immerge nuovamente (passo 7). Lo schema del ciclo di lavoro è rappresentato in figura 2 ed è ripetuto dallo strumento fino a quando le batterie lo consentono.

Tra i risultati più significativi ottenuti da questi strumenti c’è sicuramente la misura del contenuto di calore dell’oceano da 0 a 2000 m che ha messo in evidenza come l’oceano abbia assorbito più del 90% del calore in eccesso prodotto dal riscaldamento globale del pianeta (figura 2b).

Applicazione degli Argo float nell’oceano polare

Nonostante un potenziale davvero straordinario e quindi le possibilità di osservare l’oceano come mai successo in passato, un notevole gap conoscitivo persiste nell’esplorazione marina specialmente degli ambienti polari. I poli rappresentano un laboratorio straordinario per conoscere la storia climatica del nostro pianeta e per cercare quindi di intuire il futuro; rispondono molto più rapidamente ai cambiamenti climatici e hanno il potenziale di creare cambi repentini dello stato climatico del nostro pianeta (Schmidt e Hertzberg, 2011).

Da ormai un trentennio, il Programma Nazionale di Ricerche in Antartide (PNRA), è impegnato anche nello studio dell’oceanografia del Mare di Ross. L’importanza di questo bacino costiero del continente antartico è legata alla produzione di una massa d’acqua relativamente salata e fredda (Orsi e Wiedrwhol, 2008) che costituisce una frazione significativa del volume totale delle acque più dense del pianeta che, a loro volta, alimentano la grande circolazione termoalina del pianeta (Rahmstorf, 2003). Nel corso degli anni, le campagne estive condotte nell’ambito del PNRA hanno permesso di descrivere nel dettaglio i processi di formazione di queste acque salate e attraverso ancoraggi fissi di strumentazione, è stato possibile misurare la variabilità nel corso dell’anno ma solo in pochi punti del mare di Ross e a quote prestabilite (Castagno et al., 2019). Poco o nulla è noto riguardo la variabilità dei principali parametri fisici lungo la colonna d’acqua durante il periodo invernale, quando il mare di Ross è ricoperto dal ghiaccio marino.

In questo periodo, nessuna nave da ricerca può raggiungere queste aree e i satelliti ovviamente non vedono la superficie del mare ma misurano solo la copertura del ghiaccio marino. Nel 2020, i ricercatori presenti a bordo della nave italiana Laura Bassi, in collaborazione con i colleghi dell’Istituto di Oceanografia e Geofisica Sperimentale di Trieste (OGS) che gestiscono sul fronte italiano il programma Argo, hanno deciso di sperimentare un utilizzo degli Argo float non convenzionale. L’idea è stata di far muovere il meno possibile i float in modo da realizzare ripetizioni dei profili di temperatura e salinità grosso modo in uno stesso punto, per studiare quindi l’evoluzione nel tempo.

Lavorando in acque polari, coperte per buona parte dell’anno da ghiaccio marino, una condizione indispensabile per fare in modo che questa applicazione avesse successo è consistita nell’essere sicuri che il float potesse rilevare la presenza di ghiaccio e quindi non venire a galla per l’invio dei dati. Gli Argo float di ultima generazione hanno un sistema di rilevazione del ghiaccio marino basato su un algoritmo dipendente a sua volta dalla temperatura degli strati più superficiali ovvero: se le misure di temperatura dei livelli più superficiali sono minori di una data soglia (c.a. -1.7°C), il float decide che c’è ghiaccio in superficie e se ne torna giù. Al fine di tenere il float in posizione, la profondità massima da raggiungere è posta ad un valore inferiore rispetto alla profondità locale. In questo modo il float si adagia sul fondo (come se fosse ancorato) e aspetta il ciclo successivo per ripetere la salita verso la superficie.

Come spesso accade, un rischio nelle applicazioni sperimentali può portare a risultati inaspettati e così, questa applicazione, ci ha permesso di avere misure dal mare di Ross come mai in passato; ci ha offerto la possibilità, infatti, di descrivere dei processi solo immaginati fino a quel momento; di misurare alcuni parametri fondamentali per la corretta simulazione della dinamica verticale. Ed è anche vero che audentes fortuna iuvat (il destino favorisce chi osa) e in uno degli esperimenti condotti negli anni a seguire (nel 2021), uno dei float rilasciati si è infilato al di sotto di una enorme piattaforma di ghiaccio che ricopre il settore meridionale del mare di Ross (Falco et al., 2024) 

Il Ross Ice Shelf (RIS) è la più grande (~ 400000 Km²) piattaforma di ghiaccio continentale galleggiante. Di queste piattaforme (ice shlef) il continente antartico ne è circondato. Svolgono un ruolo fondamentale in quanto frenano lo scorrimento verso il mare dei ghiacciai continentali, contenendo il rilascio in mare di acqua dolce e quindi l’innalzamento del livello del mare. Lo strato galleggiante di ghiaccio (il cui spessore può arrivare anche a 200-250 m, di cui circa una trentina emersi) ricopre una parte di mare (denominata cavità) con profondità che possono arrivare (come nel caso del RIS) anche a 700-800 m. Nella cavità avvengono processi molto importanti, tra cui quelli che portano alla formazione della massa d’acqua più fredda del pianeta, la cosiddetta Ice Shelf Water, caratterizzata da una temperatura di circa -2.2 °C. Conoscere e stimare i processi che avvengono nella cavità è fondamentale al fine di comprendere se l’ice-shelf è a rischio fratturazione. Ad esempio, gli iceberg enormi di cui ogni tanto si sente parlare si staccano proprio dalle estremità degli ice-shelf. Tra le cause dell’indebolimento del fronte degli ice-shelf c’è anche l’intrusione di acqua relativamente calda che fonde il ghiaccio e contribuisce al distacco degli iceberg.

Tornando quindi al nostro esperimento, uno degli Argo float è finito proprio nella cavità del RIS, compiendo misure per 8 mesi (mai successo prima!) e fornendo dei dati preziosissimi (Figura 3).

In figura 3, è riportato l’andamento nel tempo della salinità per un periodo di due anni. Un risultato davvero unico e prezioso. I dati ottenuti hanno permesso di stimare la quantità di calore trasportato dalle acque superficiali all’interno della cavità e il conseguente tasso di fusione che provocano. In figura 3, il colore blu degli strati adiacenti alla base del RIS, nel periodo di permanenza nella cavità, indica proprio la presenza di acqua dolce originata dalla fusione dell’ice-shelf. L’osservazione di questi elementi fino ad ora non era mai stata ottenuta con tale dettaglio.

Tecnologia e fantasia sono un connubio indispensabile per ottenere risultati che altrimenti sarebbe difficile ottenere e questo lavoro ne rappresenta l’ennesima prova.

Bibliografia

Schmidt, M. W. & Hertzberg, J. E. (2011) Abrupt Climate Change During the Last Ice Age. Nature Education Knowledge 3(10):11.

Rahmstorf, S. Thermohaline circulation: The current climate. Nature 421, 699 (2003). https://doi.org/10.1038/421699a

Orsi, A. H. & Wiederwohl, C. L. (2009), A recount of Ross Sea waters, Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 56, 778-795. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2008.10.033

Castagno, P., Capozzi, V., DiTullio, G.R. et al. Rebound of shelf water salinity in the Ross Sea. Nat Commun 10, 5441 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-13083-8.

Falco, P., Krauzig, N., Castagno, P. et al. Winter thermohaline evolution along and below the Ross Ice Shelf. Nat Commun 15, 10581 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54751-8.

Pierpaolo Falco (Dipartimento di Scienze della Vita e dell’Ambiente, Università Politecnica delle Marche)