Josephine Condemi
Come si fotografa qualcosa che non sta ferma, o è coperta da altre cose, o è troppo distante? Le tecnologie di telerilevamento e monitoraggio in tempo reale dei bacini idrici attraverso sensori e algoritmi, promettono di risolvere almeno in parte questi problemi. Ecco come vengono utilizzate, tra arte e scienza
I fiumi scorrono, il livello dell’acqua dei laghi cambia: i bacini idrici di acqua dolce presuppongono un movimento che è difficile da cogliere in una singola, statica, immagine.
Da secoli cerchiamo di descrivere e stimare quanta acqua c’è e ci sarà in un determinato territorio attraverso osservazioni sul campo e strumenti di elaborazione e indagine sempre più raffinati: da vent’anni, lo sviluppo della sensoristica incorporata nei luoghi e negli oggetti e collegata in rete a software di elaborazione informatica di grandi quantità di dati, la cosiddetta Internet of Things, consente di strutturare sistemi di misurazione e monitoraggio in tempo reale in diversi settori, che si sono affiancate a sistemi di telerilevamento come il radar o il lidar.
L’insieme di queste tecnologie applicate ai corpi idrici prende il nome di Internet of Water e viene sempre più utilizzata per misurare e gestire il fabbisogno idrico in diverse parti del mondo.
Il Global Water Futures Observatories in Canada
Lo scorso aprile in Canada è stato lanciato ufficialmente il potenziamento del Global Water Futures Observatories1, una rete nazionale di osservazione scientifica delle acque dolci che oggi comprende nove università e gestisce 64 siti di osservazione dell’acqua di laghi, fiumi, zone umide e aree montuose, 15 sistemi di telerilevamento specializzato e 18 laboratori per la qualità dell’acqua. Presente dal 2016, ha ricevuto nuovo impulso dal finanziamento per il periodo 2023-2029 della Canada Foundation for Innovation.
Dai droni che sorvolano i ghiacciai alle boe intelligenti nei laghi, tutto serve per raccogliere dati utili a monitorare lo stato di salute delle acque dolci, che vengono elaborati con l’aiuto di specifici algoritmi, programmati per identificare eventuali anomalie come variazioni di temperatura, proliferazione di alghe o presenze di batteri pericolosi, e far scattare allarmi in tempo utile.
L’allerta precoce è la chiave per iniziare a strutturare politiche di mitigazione al cambiamento climatico che è già in atto e sta causando crisi idriche proprio nello Saskatchewan, la provincia in cui ha sede l’università che coordina l’osservatorio.
Tutti i dati sono rilasciati in accesso aperto2 per contribuire alla ricerca e alla definizione di modelli che aiutino a prevedere i flussi in relazione a eventi estremi come alluvioni e siccità, a progettare meglio l’irrigazione e le tecniche agricole, quindi a gestire meglio il fabbisogno nazionale.
L’Internet of Water nelle Fiandre
Un progetto simile è stato realizzato dal 2019 alla fine del 2023 nelle Fiandre, la regione fiamminga del Belgio: una rete di enti pubblici e privati, tra cui Aquafin, l’azienda pubblica per il trattamento di acque reflue, e la Flanders Environment Agency governativa, ha strutturato l’Internet of Water Flanders3, un prototipo di monitoraggio digitale in tempo reale degli indicatori di qualità dell’acqua.
In punti specifici di fiumi, canali, pozzi sotterranei e impianti di trattamento delle acque reflue sono stati posizionati particolari sensori a basso costo programmati per misurare l’acidità, la concentrazione di sali e la temperatura dell’acqua: l’obiettivo è stato contrastare la salinizzazione delle acque dolci dovuto alle siccità in aumento e ai bassi livelli delle falde sotterranee. Anche in questo caso, il monitoraggio dei diversi parametri sulla qualità delle acque ha consentito di elaborare mappature più aggiornate, studiare le interazioni tra acque sotterranee e acque di superficie e stimare l’impatto del fabbisogno idrico per l’irrigazione dei campi o gli utilizzi civili.
Le mappe della missione spaziale SWOT
Almeno due volte ogni 21 giorni, la sonda SWOT invia sulla terra informazioni su grandi fiumi, laghi e bacini idrici che vengono usate per creare mappe globali e ad alta definizione. SWOT – Surface Water and Ocean Topography è infatti la prima missione satellitare con l’obiettivo di produrre la prima indagine completa dell’acqua dolce sulla Terra, ovvero di fornire dati su oltre il 95% dei laghi ampi più di 62.500 metri quadrati e sui fiumi larghi più di 100 metri.
Realizzato dalla NASA e dal Centre National d’Etudes Spatiales francese in collaborazione con le agenzie spaziali canadese e britannica, il satellite SWOT è stata lanciata il 15 dicembre 2022 ed è tuttora in orbita.
Grazie a un sistema tecnologico integrato4 , è in grado di misurare i livelli delle acque, dolci e salate, con un’approssimazione di circa un centimetro. La tecnologia base è il radar, ovvero il rilevamento della posizione e della velocità di un oggetto attraverso la misurazione di onde elettromagnetiche a frequenza specifica, le onde radio. Un’antenna radar emette a intervalli onde radio e cattura il segnale di “rimbalzo” della stessa onda contro l’oggetto-target.
Tra i diversi sistemi radar, SWOT ne utilizza uno a microonde, che penetra le nuvole, raggiunge la superficie terrestre e raccoglie il segnale di “rimbalzo” in qualsiasi condizione atmosferica sia diurna che notturna. Sul satellite SWOT sono posizionate due antenne radar di questo tipo, che raccolgono dati contemporaneamente: dal “rimbalzo” del segnale radio sulla superficie terrestre possono essere elaborate immagini ad alta definizione che individuano e descrivono la posizione e la portata dei bacini idrici. Le variazioni di quota della superficie terrestre in base alla lunghezza d’onda vengono individuate grazie alla interferometria, la misurazione dell’interferenza tra le onde radio. Il risultato sono delle immagini, chiamate interferogrammi, in cui queste variazioni vengono definite per colore.
In uno studio pubblicato lo scorso aprile su Nature Geoscience5 i ricercatori e le ricercatrici della missione hanno fornito nuove stime sulla portata dei fiumi terrestri, sulla velocità di deflusso degli oceani e sulla fluttuazione di questi dati nel tempo, con indicazioni utili sulle zone segnate da un uso intensivo dell’acqua, tra cui il bacino del fiume Colorado negli Stati Uniti, il bacino amazzonico in Sud America, che contiene circa il 38% dell’acqua dei fiumi di tutto il mondo, e il bacino del fiume Orange nell’Africa meridionale.
Le aree sono state individuate a partire dalle osservazioni della sonda, e in particolare della mappa globale ad alta definizione.
Le immagini dai dati LIDAR di Daniel Coe
La tecnologia LIDAR-Light Detection and Range è simile a quella radar, ma al posto delle onde radio utilizza la luce laser pulsata. Un sistema Lidar è composto da un laser che emette il segnale, un sensore che raccoglie quello di “rimbalzo” e un software che elabora i dati e restituisce la “nuvola di punti” da cui possono essere ulteriormente elaborate mappe tridimensionali.
I sistemi Lidar vengono molto usati in geologia per misurare e descrivere i cambiamenti morfologici: quasi 12 anni fa il cartografo Daniel Coe ha iniziato a utilizzarli mentre lavorava per il Dipartimento di Geologia del governo dell’Oregon, nel nord-ovest degli Stati Uniti. «Da un modo per imparare a usare un nuovo software è diventato un progetto artistico attraverso cui esploro i cambiamenti dei corsi d’acqua nel tempo» racconta.
Daniel Coe è un cartografo. Vive a Olympia (Washington, USA). Ha conseguito un Bachelor of Arts alla Portland State University e lavora da anni per enti governativi di pubblica informazione sulla geologia del territorio, prima l’Oregon Department of Geology and Mineral Industries (2010-2015), poi, dal 2016, il Washington Geological Survey. Specializzato nell’uso dei dati LIDAR, in parallelo elabora artisticamente le immagini scientifiche da database pubblici a scopo divulgativo.
Scopri le sue opereLe sue immagini dei corpi idrici sono state utilizzate come illustrazioni divulgative, copertine di libri, album musicali, riviste, locandine di festival cinematografici. «Mi piace trovare diversi luoghi del mondo con fiumi interessanti» spiega «Vivo nello stato di Washington, nel nord-ovest degli Stati Uniti, al confine col Canada, una zona che circa 15.000 anni fa era coperta da una grande calotta di ghiaccio: con i dati Lidar si possono vedere i canali dove scorrevano i fiumi intorno al ghiacciaio, è una specie di macchina del tempo. Oppure si può vedere come le dighe, gli argini e le infrastrutture umane abbiano cambiato il percorso dei fiumi, raddrizzandoli o come, viceversa, siano cambiati i confini dei fiumi che segnavano due Stati rimasti invece immobili».
Le immagini di Coe derivano da dati in opensource forniti da fonti governative: «In questi portali si possono scaricare piccole sezioni che poi vanno ricucite per formare un’area di grandi dimensioni, che si solito si chiama modello digitale di elevazione o modello digitale del terreno e corrisponde a un modello di superficie liscia della Terra» spiega «Una volta scaricati i dati, uso un sistema GIS per elaborarli e cambiare i colori attraverso una scala di gradienti e poi uso un ulteriore software di grafica per perfezionarli». Il processo può durare da qualche ora a qualche giorno: «Se si parte dalla nuvola di punti raccolta dal sistema LIDAR, occorre più elaborazione, se invece il punto di partenza è il modello di elevazione digitale occorre meno tempo».
Anche le immagini elaborate dai dati LIDAR possono servire a rappresentare l’impatto antropico sui fiumi: «ho alcune immagini del delta del fiume Colorado, dei canali di marea dove l’acqua dolce incontra l’acqua salata che sembrano alberi morti. Mi sembra un’ottima metafora del prosciugamento del fiume a causa dell’iperconsumo» sottolinea Coe. «I dati lidar e di elevazione sono un ottimo modo per mostrare come i corsi d’acqua siano cambiati nel tempo a causa del riscaldamento globale: credo che fare qualcosa di esteticamente bello sia il primo passo per attirare le persone a riflettere su questi argomenti».
A suo avviso la tecnologia LIDAR, che non consente di vedere attraverso l’acqua se non in minima parte, non è adatta a ritrarre la variazione del livello dell’acqua dei laghi ma si presta molto bene per la descrizione dei fiumi: «Grazie al lidar è possibile rimuovere digitalmente la vegetazione e vedere direttamente la nuda terra, il terreno circostante, e quindi i segni di episodi accaduti molto tempo fa» spiega Coe. «Personalmente ho imparato che i fiumi sono davvero degli esseri viventi sotto molti aspetti: anche nei luoghi in cui gli esseri umani cercano di arginarli o di impedirne il movimento, alla fine si muoveranno e riprenderanno il loro corso». Ma con quali conseguenze per noi esseri umani?
- https://gwfo.ca/index.php ↩︎
- Global Water Futures Observatories. Access or request data. https://gwfo.ca/data/access-request-data.php#GWFNetDataCatalogue. ↩︎
- Real-time data for better water management. Internet of Water Flanders. https://www.internetofwater.be/en/. ↩︎
- NASA SWOT. Flight Systems | Mission. https://swot.jpl.nasa.gov/mission/flight-systems/. ↩︎
- Collins, E.L., David, C.H., Riggs, R. et al. Global patterns in river water storage dependent on residence time. In Nat. Geosci. 17, 433–439 (2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01421-5. ↩︎
