Perché monitorare i punti di sterzo del livello del mare

L'aumento del livello del mare è uno degli indicatori più consequenziali di un clima di riscaldamento. Come aumenta la temperatura media globale, le acque oceaniche si espandono e il ghiaccio terrestre si scioglie, causando livelli di mare a un ritmo accelerante. Questo fenomeno minaccia comunità costiere, infrastrutture, ecosistemi e economie in tutto il mondo.

Negli ultimi tre decenni, il tasso di aumento globale del livello medio del mare è più che raddoppiato, da circa 1,4 millimetri all'anno nei primi anni 1990 a circa 3,6 millimetri all'anno nel 2010 e oltre. Questa accelerazione sottolinea l'urgenza di mantenere e migliorare i sistemi di osservazione.

Oltre 600 milioni di persone vivono in zone costiere a bassa quota, e le trilioni di dollari in infrastrutture si trovano a pochi metri dai livelli del mare attuale. Anche piccoli aumenti del livello del mare possono amplificare notevolmente gli impatti delle tempeste, delle alte maree e dell'erosione costiera.

La scienza dietro il livello del mare

L'aumento del livello del mare non è un processo uniforme, ma deriva da diversi meccanismi fisici che operano a livello globale, regionale e locale, e per interpretare correttamente i dati osservativi, gli scienziati devono tener conto di ciascuno di questi fattori che contribuiscono.

Espansione termica

Poiché gli oceani assorbono il calore in eccesso intrappolato dai gas serra, le molecole dell'acqua si espandono, questo processo, noto come espansione termica, rappresenta circa il 40-50 per cento dell'aumento globale del livello del mare medio osservato. Gli strati superiori dell'oceano si sono riscaldati significativamente dalla metà del XX secolo, e il riscaldamento profondo dell'oceano contribuisce anche.

Fogli di ghiaccio e ghiacciai

La perdita di ghiaccio dalla Groenlandia e dall'Antartide è ora il principale autista dell'aumento globale del livello del mare, e il suo contributo sta accelerando. La calotta del ghiaccio della Groenlandia sta perdendo la massa principalmente attraverso la fusione e il deflusso delle superfici, mentre la perdita di ghiaccio antartico si verifica principalmente dalla diradamento e dal ritiro dei ghiacciai che stanno attraversando la costa del mare.

Deposito di acqua terrestre

Le attività umane alterano il modo in cui l'acqua viene immagazzinata sulla terra. L'estrazione delle acque sotterranee, l'impolveramento dei serbatoi e il drenaggio delle zone umide possono aggiungere o sottrarre alla massa oceanica. Ad esempio, l'eccessiva pompaggio delle acque sotterranee per i trasferimenti di acqua dalle acque sotterranee all'oceano, contribuendo all'aumento del livello del mare.

Tecnologie per osservare il livello del mare Rise

La moderna rete di osservazione del livello del mare si basa su una suite complementare di tecnologie, ognuna con punti di forza e limitazioni distinte. Nessun singolo sistema fornisce un quadro completo; le valutazioni più robuste integrano i dati da fonti multiple.

Altimetria satellitare

Il monitoraggio del livello del mare ha rivoluzionato l'altimetria satellitare quando la missione TOPEX/Poseidon è stata lanciata nel 1992. Questi satelliti utilizzano impulsi radar per misurare la distanza tra il satellite e la superficie dell'oceano con una precisione straordinaria. Combinando questa misura con un preciso monitoraggio dell'orbita, gli scienziati possono calcolare l'altezza della superficie del mare rispetto al centro della Terra.

Le missioni di successo, tra cui Jason-1, Jason-2, Jason-3 e più recentemente Sentinel-6 Michael Freilich, hanno esteso questo record per oltre tre decenni. I dati mostrano un'accelerazione inconfondibile nel livello globale del mare. Gli altimetri moderni raggiungono una precisione di circa 2 a 3 centimetri per le misurazioni individuali e possono risolvere le variazioni di altezza della superficie del mare a decine di chilometri.

L'altimetria satellitare non è senza limitazioni, la tecnologia richiede un'attenta calibrazione contro gli indicatori di marea e altri sistemi di riferimento per correggere gli errori di deriva degli strumenti, gli errori orbitali e i ritardi atmosferici. L'altimetria costiera rimane impegnativa a causa della contaminazione terrestre dell'impronta radar, sebbene gli algoritmi di elaborazione avanzati stiano migliorando costantemente la copertura vicino alla costa.

Gabbie di marea

Gli indicatori di mare misurano il livello del mare rispetto ad un punto di riferimento locale da oltre 200 anni, rendendoli la fonte più lunga di dati sul livello del mare. Questi strumenti registrano l'altezza della superficie dell'acqua nelle zone costiere fisse, tipicamente utilizzando sensori acustici, di pressione o radar.

Il Global Sea Level Observing System (GLOSS) coordina una rete di circa 300 stazioni di misura in tutto il mondo, anche se la densità varia notevolmente da regione. I paesi in via di sviluppo tendono ad avere reti dense e ben mantenute, mentre molte nazioni in via di sviluppo e stati isolati hanno una copertura radi o nessun dato.

Per correggere il movimento terra, gli scienziati equipaggiano i misuratori di marea con i ricevitori Global Navigation Satellite System (GNSS) che tracciano la posizione verticale del benchmark. Questa tecnica, conosciuta come analisi del calibro di marea GNSS, consente ai ricercatori di separare il segnale oceanografico dal rumore geologico.

Sensori dell'oceano autonome

Le piattaforme autonome emergenti stanno riempiendo lacune critiche nella rete di osservazione del livello del mare. Il programma Argo, che distribuisce migliaia di carri di profilazione attraverso l'oceano globale, misura la temperatura e la salinità dalla superficie a 2000 metri di profondità. Questi dati permettono agli scienziati di calcolare l'espansione termica e il suo contributo all'aumento del livello del mare. Mentre i carri di Argo non misurano direttamente il livello del mare, le loro osservazioni sono essenziali per comprendere i fattori che lo guidano.

Più recentemente, i veicoli di superficie autonomi e gli alianti subacquei hanno cominciato a trasportare ricevitori e sensori di pressione GPS che possono misurare l'altezza della superficie del mare a scale locali. Queste piattaforme sono particolarmente preziose nelle regioni in cui le lotte di altimetria satellitari, come l'Artico, dove il ghiaccio marino impedisce le misurazioni satellitari, o vicino alle coste, dove le impronte di altimetri contaminano il segnale.

Piattaforme di integrazione e analisi dei dati

Le osservazioni crude da satelliti, manometri e sensori autonomi devono essere elaborate, calibrate e unite in datasets coerenti. Organizzazioni come l'amministrazione oceanica e atmosferica nazionale (NOAA)], il NASA Sea Level Change Team, e i dati [FLT:] AVAS [FLT:]

L'European Space Agency's Climate Change Initiative (ESA CCI) produce un record di livello marittimo coerente e multi-mission che va dal 1993 al presente. Analogamente, il Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)]] si basa sui dataset integrati per valutare l'aumento del livello del mare nelle sue relazioni periodiche. La sfida è quella di mantenere la coerenza in quanto le vecchie missioni sono ritirate e quelle nuove prendono in atto, garantendo che si verificano il clima.

Sfide nel monitoraggio del livello del mare Rise

Nonostante notevoli progressi tecnologici, il monitoraggio del livello del mare aumenta con l'accuratezza necessaria per la scienza del clima e la pianificazione costiera presenta sfide significative.

Moto terra e datum verticali

Il movimento verticale del terreno è una delle sfide più persistenti e difficili nella misura del livello del mare. Lungo molte coste, il terreno è in fase di sottomissione a causa di processi naturali come la compattazione dei sedimenti o la regolazione isostatica glaciale, così come le attività umane come l'estrazione e il drenaggio delle acque sotterranee. In alcune regioni, come la costa del Golfo degli Stati Uniti e parti del Sud-Est asiatico, i tassi di sottosidenza superano i 5 millimetri all'anno, che possono raddoppiare il tasso di aumento relativo del livello del mare.

Al contrario, le regioni precedentemente coperte da fogli di ghiaccio, come la Scandinavia e parti del Canada, stanno sperimentando uplift isostatico, che riduce il tasso locale di aumento del livello del mare relativo.

Gaps e Limitazioni di copertura

L'Artico è particolarmente importante perché si sta scaldando più velocemente di qualsiasi altra regione e contiene grandi depositi di ghiaccio terrestre che possono contribuire all'aumento del livello del mare. Il ghiaccio marino impedisce anche altimetri satellitari di misurare la superficie dell'oceano nelle acque polari, lasciando un significativo divario nel record globale.

Le aree costiere presentano un'altra sfida di copertura: i prodotti standard di altimetria escludono in genere misure entro 10-20 chilometri dalla costa perché la contaminazione terrestre degrada il segnale radar.

Fattori ambientali e tecnici

Le tempeste, le maree, gli erpi oceanici e i cicli stagionali producono grandi fluttuazioni a breve termine che devono essere filtrate per rilevare il segnale climatico sottostante. Ad esempio, l'El Niño– l'oscillazione meridionale può aumentare o ridurre il livello globale medio del mare di oltre 5-10 millimetri su scale temporali interennali, mascherando temporaneamente le variazioni secolari del conto statistico.

Gli altimetri satellitari si allontanano nel tempo e le diverse missioni hanno caratteristiche dello strumento leggermente diverse. Gli errori dell'orbit, i ritardi atmosferici e le biasi dello stato marino devono essere corretti utilizzando modelli sofisticati e la calibrazione a terra. Trasferire la taratura da una missione satellitare all'altra è un processo delicato e qualsiasi discontinuità può introdurre un salto spurio o una tendenza nel record.

Calibrazione e coerenza nel tempo

Il record di 27 anni dal 1993 al 2020 si basa su una catena di sei altimetri satellitari, ciascuno con le proprie biasi e caratteristiche derivate. Gli scienziati utilizzano una combinazione di confronti di tide manutenzioni di calibrazione interna, e periodi di missione sovrapposti per garantire una transizione senza soluzione di continuità. Tuttavia, il rischio di un compromesso di dati tra missioni è breve.

Il recente lancio di Sentinel-6 Michael Freilich nel 2020 assicura continuità con Jason-3, ma la pianificazione per la prossima generazione di altimetri è già in corso. Poiché le missioni diventano più avanzate, la sfida è quella di mantenere la compatibilità arretrata con il record storico, sfruttando al contempo nuove capacità.

Variazioni regionali nel Rise del Mare

L'aumento del livello del mare non è uniforme in tutto il mondo. I tassi regionali possono differire da un fattore di due o più a causa di dinamiche oceaniche, effetti gravitazionali e movimento verticale del terreno. Nel Pacifico occidentale e nell'Oceano Indiano, ad esempio, il livello del mare è aumentato tre a quattro volte più veloce della media globale negli ultimi due decenni.

Gli effetti gravitazionali e rotazionali hanno un ruolo importante: mentre i ghiacciai perdono la massa, la loro attrazione gravitazionale sull'oceano circostante si indebolisce, causando un calo del livello del mare vicino al ghiacciaio mentre si innalzano nelle regioni di gran lunga lontane. Questo effetto di impronta digitale significa che la fusione dalla Groenlandia contribuisce sproporzionatamente al livello del mare, mentre la fusione a livello a livello analitica ha un impatto maggiore sull'emisfero settentrionale.

Le proiezioni regionali del livello del mare richiedono modelli ad alta risoluzione che incorporano correnti oceaniche, modelli eolici e contributi per la fusione del ghiaccio terrestre. La ricerca [ più recente[]] sottolinea che le comunità costiere hanno bisogno di proiezioni localizzate, non solo medie globali, per valutare i rischi di inondazione e l'infrastruttura resiliente di progettazione.

Le direzioni future nel monitoraggio del livello del mare

Il prossimo decennio promette progressi significativi nelle tecnologie e nei metodi utilizzati per osservare l'aumento del livello del mare, che mirano a chiudere le lacune dei dati esistenti, migliorare la precisione delle misurazioni e fornire le informazioni tempestive necessarie per il processo decisionale.

Missioni Satellitate di prossima generazione

La missione Surface Water and Ocean Topography (SWOT), lanciata nel dicembre 2022, rappresenta un cambiamento di paradigma nell'altimetria oceanica. Utilizzando radar di apertura sintetico interferometrico, SWOT misura l'altezza della superficie dell'acqua ad una risoluzione spaziale di circa un chilometro, rispetto alla risoluzione di 10-20 chilometri di altimetri convenzionali.

Le future missioni previste dall'ESA, dalla NASA e da altre agenzie spaziali miglioreranno ulteriormente la copertura, in particolare nelle regioni polari, attraverso l'utilizzo di orbitanti polari dedicati e l'altimetria del ghiaccio marino migliorata. Queste missioni potranno inoltre beneficiare di progressi nella determinazione dell'orbita e nella correzione dell'atmosfera, riducendo le incertezze di misura.

Ampliamento delle reti di osservazione in loco

La rete globale di misuratori di marea viene modernizzata e ampliata, in particolare nelle regioni sotto-serve. Iniziative come il Global Ocean Observing System (GOOS) e le Osservazioni Oceane e Fisica e Clima (OOPC) stanno lavorando per aumentare il numero di manometri di marea attrezzati GNSS in Africa, piccoli stati di sviluppo dell'isola e l'Artico. L'obiettivo è quello di raggiungere un minimo di un calibro di marea 500 chilometri di linea di costa continua

Le piattaforme autonome stanno anche proliferando. Il programma Argo sta passando a una nuova serie conosciuta come Deep Argo, che estenderà le misure al fondo marino, catturando il riscaldamento profondo dell'oceano e il suo contributo all'aumento del livello del mare. I galleggianti Biogeochimici Argo aggiungeranno sensori per ossigeno, pH e sostanze nutritive, fornendo un quadro più completo della salute dell'oceano.

Avanzamenti in Assimilazione e Modellazione dei dati

Le tecniche di assimilazione dei dati che combinano osservazioni con modelli numerici stanno diventando sempre più sofisticate: questi sistemi possono colmare lacune dove le osservazioni sono scarse, spiegare errori di misura e produrre campi di livello marino grigliati che sono dinamicamente coerenti.

I modelli regionali dell'oceano stanno anche migliorando, guidati da osservazioni migliori e da una risoluzione più elevata. Le proiezioni in aumento che incorporano topografia locale, dinamiche di marea e modelli di sovratensione della tempesta sono ora disponibili per molte coste, che permettono ai gestori costieri di valutare i rischi di inondazione alla scala delle singole comunità, piuttosto che affidarsi a ampie medie regionali.

Conclusioni

L'aumento del livello del mare è una sfida determinante del XXI secolo, e la capacità di osservarlo è esattamente una pietra angolare della scienza del clima e della pianificazione dell'adattamento. Negli ultimi tre decenni, l'altimetria satellitare, i misuratori di mare e i sensori autonomi hanno fornito un chiaro e convincente record di accelerazione del livello del mare aumento.

La prossima generazione di missioni satellitari, reti in-situ espanse e tecniche di assimilazione dei dati avanzate promettono di affrontare molte di queste limitazioni. Integrando osservazioni da più piattaforme e migliorando la risoluzione spaziale e temporale dei dati del livello del mare, gli scienziati saranno in grado di fornire le informazioni attuabili che le comunità costiere hanno urgentemente bisogno.

Mantenere e valorizzare il sistema di osservazione globale del livello del mare richiede una collaborazione internazionale sostenuta, un finanziamento e un'esperienza tecnica. La posta in gioco non potrebbe essere più alta e gli strumenti sono a portata di mano. Con un impegno costante, i prossimi decenni vedranno una rete di monitoraggio del livello del mare che è globale in copertura, precisa nella misura e rispondente alle esigenze di un mondo in rapida evoluzione.

Per ulteriori informazioni, il NOAA Ocean Service[[] fornisce riassunti accessibili della scienza del livello del mare, e il NASA Sea Level Change Portal offre visualizzazioni interattive dei dati e gli ultimi aggiornamenti di ricerca.