L’effetto di #iorestoacasa sul rumore elettromagnetico all’Etna

Il blocco di molte attività dovute all’attuale emergenza sanitaria ha portato ad una forte riduzione del “rumore antropico” registrato in molte delle strumentazioni monitoranti dell’INGV.

di Alessandro Bonforte, Salvatore Caffo, Rosario Catania, Luca Catania, Flavio Falcinelli, Alessandro Longo, Roberto Maugeri, Renato Romero, Nunzio Sambataro, Federico Scremin e Salvo Spina

Il “rumore” generato dalle attività umane condiziona le registrazioni dei campi elettromagnetici. I segnali elettromagnetici (EM) naturali sono di interesse scientifico perché sono principalmente correlati all’interazione tra Sole e Ionosfera e vengono anche monitorati per la ricerca e verifica di eventuali correlazioni con l’attività sismica e vulcanica.

Durante l’emergenza COVID-19, la minore attività ha ridotto drasticamente i disturbi antropici e ha permesso di ottenere registrazioni più pulite dei campi elettromagnetici naturali. In questo modo i segnali antropici sono stati chiaramente discriminati da quelli naturali dovuti, ad esempio, allo stato della ionosfera.
L’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia – Osservatorio Etneo e l’Osservatorio Radio dell’Etna  (Etna Radio Observatory – ERO) cooperano per l’osservazione e lo studio dei segnali elettromagnetici nelle bande ELF-VLF (da 0.1 Hz a 24 kHz) e nella banda delle microonde (intorno agli 11 GHz).

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Figura 1 – Mappa delle stazioni dell’Etna Radio Observatory

ERO, che si occupa della registrazione dei segnali elettromagnetici che confluiscono nella più ampia rete VLF (Very Low Frequency) nazionale, da qualche anno registra e analizza i segnali elettromagnetici emessi dall’Etna in alcune bande particolari, quella ELF (0.1 – 36 Hz), ULF e VLF (fino a 24 kHz) e, da poco tempo, quella delle microonde (intorno agli 11 GHz). Quest’ultima si trova nella parte più bassa dello spettro emesso da tutti gli oggetti in funzione della temperatura. Per maggiori dettagli sulla classificazione delle frequenze dello spettro elettromagnetico si può consultare il documento disponibile su http://www.vlf.it/ITU-frband.pdf.

Ad oggi, il sistema di registrazione è composto da tre stazioni di monitoraggio, ubicate alle pendici meridionali del vulcano (Figura 1), per la registrazione delle onde elettromagnetiche a diverse frequenze.

Una stazione si trova a Pennisi (ERO-Pennisi), frazione del comune di Acireale. E’  equipaggiata con un ricevitore di microonde, puntato verso l’area sommitale per studiare la naturale emissività del suolo al variare della temperatura e con una telecamera per associare le eventuali variazioni di emissività con l’attività vulcanica osservabile (Figure 2 e 3).

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Figura 2 – L’Etna al tramonto, vista dalla telecamera di ERO_Pennisi

 

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Figura 3 – Schema della geometria di osservazione delle microonde emesse dall’area sommitale dell’Etna

Una seconda stazione (ERO-SanLeo) si trova ai piedi del conetto avventizio di Monte S. Leo, nel comune di Belpasso; è equipaggiata con sensori sperimentali basati su accelerometri a semiconduttori e ospiterà presto nuova sensoristica.

La stazione operante da più tempo è ospitata presso la sede del Parco dell’Etna (ERO-EtnaPark), appena a Nord di Nicolosi. E’ equipaggiata con diverse antenne sensibili a diverse frequenze da VLF, ULF a ELF ed esegue una registrazione continua dei segnali ricevuti. In particolare, la stazione è equipaggiata con un’antenna (IdealLoop) costituita da due anelli verticali posti in posizione ortogonale (doppio loop ortogonale, VLF in figura 4), che permette di risalire alla direzione di provenienza delle onde elettromagnetiche nella banda delle ULF e VLF, e con un Induction COIL (in figura 4), un’antenna complessa (e pesante) costituita da migliaia di spire in rame (per una lunghezza totale di ben 14 km) avvolte intorno a 130 barre di materiale ferromagnetico lunghe 2m, in grado di registrare le frequenza più basse (ELF), fino a 0.1 Hertz.

Tutte le stazioni sono dotate di sismometri (geofono a Nicolosi, a pendolo orizzontale a Pennisi e accelerometro a semiconduttori a Monte S. Leo) per la correlazione con gli eventi sismici e, soprattutto, per misurare le oscillazioni delle antenne rispetto al campo magnetico terrestre che producono un segnale spurio.

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Figura 4 – Schema descrittivo delle componenti del sistema di ERO

Tutte le registrazioni dei sensori di ERO, sia delle antenne sia dei sismometri, sono continue, vengono visualizzate in tempo reale e sono consultabili attraverso il sito web di ERO (http://www.etna-ero.it/ero-live-sensors.html), sotto forma di spettrogrammi.

Uno spettrogramma è una rappresentazione grafica che mostra il variare del contenuto in frequenza di un segnale in funzione del tempo. Il grafico degli spettrogrammi mostra il tempo lungo l’asse delle ascisse, per cui si legge normalmente, scorrendo il tempo da sinistra verso destra. Le frequenze sono riportate lungo l’asse delle ordinate, dalle più basse alle più alte. La distribuzione e l’intensità delle frequenze nel tempo è invece rappresentata dai colori, riportando con colori più accesi le frequenze più intense lungo la striscia temporale (Figura 5).

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Figura 5 – Illustrazione del significato di uno spettrogramma e, a destra, lo spettro delle frequenze di risonanza della ionosfera terrestre.

Abbiamo preso spunto da un recente articolo, pubblicato sul Blog INGVTerremoti, avente come oggetto la riduzione del rumore (in quel caso sismico) prodotto dalle attività umane a seguito delle restrizioni per l’emergenza COVID-19.
Nella banda ELF, oltre ai segnali naturali, si trovano anche segnali artificiali prodotti dalle attività umane il più forte dei quali è la frequenza a 50 Hz della rete elettrica.

Da sempre cerchiamo di capire come il rumore generato dalle attività umane condizioni le registrazioni dei campi elettromagnetici, così abbiamo colto l’occasione della riduzione di queste attività per eseguire questa verifica ed analisi sui dati archiviati.
Abbiamo considerato gli spettrogrammi generati dalle registrazioni dell’induction COIL di Nicolosi dal 22 febbraio al 31 marzo (Figura 6), utilizzando il software gratuito Spectrum Lab. Ci siamo concentrati sui dati registrati tutte le mattine dalle 08:00 alle 10:00 (UTC), in quanto queste sono solitamente le ore affette dal maggiore disturbo antropico. Queste registrazioni sono state confrontate ed analizzate con l’obiettivo di capire se il blocco, o quantomeno la riduzione, delle attività produttive a causa dell’emergenza COVID-19 avesse influito sulla qualità dei segnali EM registrati dalla stazione, in che misura e con quali caratteristiche.

Figura 6 – Sequenza degli spettrogrammi registrati dal 22 febbraio,a destra, al 31 marzo, a sinistra. Clicca sulla figura per ingrandirla.

Gli spettrogrammi delle registrazioni dell’Induction COIL delle mattine (07:00-12:00 UTC) dal 22 febbraio al 31 marzo sono illustrati nella Figura 6.

Dal confronto degli spettrogrammi, è evidente la correlazione tra la riduzione delle attività antropiche e la riduzione del rumore, visibile a partire da sabato 21 marzo (in Figura 6). Nei periodi precedenti, era visibile una simile riduzione solo nelle giornate di sabato e domenica. Il forte disturbo del giorno 25 marzo (in Figura 6) è invece dovuto alla forte pioggia e maltempo. Negli spettrogrammi più in basso lungo la figura, la drastica riduzione del rumore correlata al blocco delle attività è molto chiara. Nelle figure 7 ed 8, sono riportati due casi esemplari di due registrazioni relative a due mattine, prima (giorno 3 marzo, figura 7) e dopo (giorno 30 marzo, figura 8) il lockdown.

Figura7.03MAR20-1201_coil-hourly
Figura 7 – Spettrogramma relativo al giorno 3 marzo 2020  (07:00-12:00 UTC Time)
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Figura 8 – Spettrogramma del giorno 30 marzo 2020  (07:00-12:00 UTC Time)

Il rumore antropico è parte inevitabile delle condizioni di misura che maggiormente influenza la qualità dei segnali ricevuti e registrati dai sensori. Questo rumore non può essere eliminato o ignorato; l’unica difesa che possiamo avere è quella di collocare i sensori alla maggiore distanza possibile dalle zone popolate, compatibilmente con le esigenze logistiche e ambientali. Chiaramente, è un compito molto difficile in aree fortemente antropizzate come l’Etna e i suoi dintorni, considerando che questi disturbi si propagano per svariati chilometri dalla sorgente. Adesso però, possiamo almeno cercare di discriminarlo dal resto dello spettro naturale e tentare di capire meglio le sue caratteristiche. Nella successiva figura 9, abbiamo evidenziato il rumore registrato giorno 3 marzo (in figura 7), in particolare nella finestra dalle 08:00 alle 10:00 UTC.

Nel prossimo futuro, utilizzeremo questa esperienza per approfondire le nostre analisi e cercare di capire più precisamente come questo rumore disturbi le registrazioni e come poterlo filtrare.

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Figura 9 – In questa figura, il rumore generato dalle attività umane dalle 08:00 alle 10:00 UTC del giorno 3 marzo è evidenziato dai riquadri tratteggiati (UTC Time)

Link al sito di ERO: http://www.vlf.it/etna/etna_live.html

Link all’articolo sul rumore sismico: https://ingvterremoti.com/2020/04/01/variazione-del-le-le-diore-ambientale-in-seguito-ai-decreti-per-lemergenza-covid-19/