Gladys Mae West: la matematica che ha dato forma alla Terra

Ogni giorno utilizziamo il GPS senza pensare alla complessa matematica che ne rende possibile il funzionamento. Tra le scienziate che hanno contribuito al suo sviluppo c’è Gladys Mae West, protagonista della geodesia satellitare e dello studio della figura della Terra e del suo campo di gravità

di Anita Grezio e Alessandra Borghi

Quante volte al giorno usiamo il sistema di posizionamento satellitare GPS? Per orientarci in una città sconosciuta, per evitare il traffico, per condividere la nostra posizione sui social media. Dietro la precisione con cui oggi possiamo localizzare un punto sulla Terra c’è anche il lavoro di Gladys Mae West, matematica statunitense che per oltre quarant’anni si è occupata di geodesia satellitare, contribuendo a migliorare i modelli della figura della Terra e del suo campo di gravità.

Dal GPS alla forma della Terra

Per determinare la nostra posizione il sistema GPS ha bisogno di conoscere la posizione dei satelliti GPS lungo la loro orbita. È quindi necessario disporre di un modello accurato della figura della Terra (forma, dimensione e orientamento nello spazio) e del suo campo di gravità.

La Terra non è una sfera perfetta e nemmeno un semplice ellissoide di rotazione. La distribuzione irregolare delle masse all’interno del pianeta e il suo moto di rotazione modificano localmente il campo di gravità della Terra e contribuiscono a determinare la sua figura, che i geodeti chiamano geoide, una superficie di riferimento fondamentale per la geodesia e uno degli oggetti di studio al centro del lavoro di Gladys Mae West.

Gladys Mae Brown nacque il 27 ottobre 1930 nella Contea di Dinwiddie, in Virginia, in un’epoca di segregazione e in un contesto rurale che la voleva destinata al lavoro nei campi. L’ambizione e le competenze intellettuali la portarono a diventare una delle figure chiave nella geodesia satellitare. Diplomatasi come migliore studentessa del suo liceo, ottenne una borsa di studio completa per frequentare il Virginia State College, dove si laureò in matematica nel 1952. Dopo alcuni anni di insegnamento conseguì anche un master nella stessa disciplina. Nel 1956 iniziò a lavorare presso il Laboratorio di Armi Navali degli Stati Uniti a Dahlgren, in Virginia, oggi Naval Support Facility Dahlgren. Era un ambiente di ricerca all’avanguardia, nel quale i grandi calcolatori elettronici stavano iniziando a trasformare il modo di affrontare problemi scientifici complessi. Presso questo centro Gladys West si è occupata dell’analisi dei dati satellitari, del perfezionamento dei calcoli orbitali e del contributo ai modelli matematici della Terra derivanti ​​da tali osservazioni.

Le sue meticolose e complesse equazioni hanno contribuito a costruire un modello matematico della figura della Terra, il geoide e del suo campo di gravità. Su questo si basa la stima delle orbite dei satelliti GPS e di molti altri sistemi di osservazione della Terra.

Dai supercomputer alla forma della Terra

Nel 1962 West contribuì a programmare il Naval Ordnance Research Calculator (NORC) per progetti di calcolo di vastissima portata, tra cui uno dedicato allo studio del moto di Plutone rispetto a Nettuno. Il successo di quel lavoro le valse un riconoscimento ufficiale della Marina nel 1964.

Negli anni successivi concentrò la propria attività sulla geodesia satellitare. Il suo compito era raccogliere e analizzare i dati provenienti dai satelliti per determinarne con grande precisione la posizione. Queste informazioni venivano elaborate dai grandi computer dell’epoca per costruire modelli di geoide sempre più accurati. Si trattava di elaborazioni che richiedevano decine di ore di calcolo su macchine che occupavano intere stanze, una potenza di elaborazione infinitamente inferiore a quella di un moderno computer portatile.

Il lavoro richiedeva lo sviluppo di procedure matematiche e algoritmi capaci di elaborare enormi quantità di dati, correggere gli errori di misura e migliorare continuamente la rappresentazione della superficie terrestre. Grazie a questi studi diventava possibile determinare con maggiore precisione le orbite dei satelliti. Si ponevano così le basi per lo sviluppo dei moderni sistemi di posizionamento satellitare, quale il GPS.

Misurare gli oceani per conoscere meglio la Terra

Nel 1978 Gladys West fu nominata responsabile di progetto per SEASAT, la prima missione satellitare progettata per misurare la superficie degli oceani. Il suo gruppo utilizzò i dati raccolti dal satellite per misurare con grande precisione la superficie marina, informazioni preziose anche per migliorare il modello del geoide.

Quel lavoro aprì la strada alla missione GEOSAT, dedicata all’osservazione della superficie degli oceani tramite radar altimetrico.

Nel 1986 West pubblicò una guida fondamentale di sessanta pagine, Data Processing System Specifications for the Geosat Satellite Radar Altimeter. Il documento descrive come aumentare l’accuratezza delle stime delle altezze del geoide e della deviazione della verticale attraverso l’elaborazione dei dati del radioaltimetro di GEOSAT.

I suoi algoritmi, efficienti e altamente complessi, consentivano inoltre di dimezzare i tempi di elaborazione dei dati, con un notevole risparmio di tempo e risorse.

Un contributo fondamentale per il GPS

Quando negli anni successivi il sistema GPS iniziò a essere sviluppato e perfezionato, poté contare anche sui modelli geodetici costruiti grazie a decenni di ricerca sulla figura della Terra e sul suo campo gravitazionale.

Gladys West non ha inventato il GPS. Il suo contributo però è stato essenziale: rendere possibile una descrizione della Terra sufficientemente accurata da consentire ai sistemi di navigazione satellitare di determinare la posizione con precisione sempre maggiore.

Per questo motivo il suo lavoro è oggi riconosciuto come un contributo fondamentale allo sviluppo della geodesia satellitare moderna.

Misurare il pianeta con precisione

Il GPS viene spesso raccontato come una storia di satelliti, tecnologia e informatica. In realtà è anche la storia di chi ha dedicato la propria carriera a comprendere e descrivere la Terra con precisione sempre maggiore.

Gladys West è stata una di queste persone. Attraverso decenni di lavoro ha contribuito a costruire i modelli matematici che oggi permettono ai sistemi di navigazione di funzionare con l’accuratezza che consideriamo normale. Un contributo silenzioso, ma fondamentale, che continua ogni giorno a guidare milioni di persone in tutto il mondo.