Alla fine di ottobre, mentre a Glasgow delegati, capi di Stato e attivisti discutevano, manifestavano, protestavano in occasione della Cop26, un occhio a centinaia di chilometri dalla superficie terrestre osservava l’atmosfera sopra le loro teste e raccoglieva informazioni su CO2 e metano che sono stati al centro delle trattative della Conferenza delle parti. Quell’occhio è Copernicus – o meglio uno dei satelliti (le Sentinelle) di Copernicus, il programma di osservazione della Terra dell’Unione europea. E il clima è solo uno degli aspetti, come vedremo sempre più numerosi, in cui gli occhi che ci osservano dal cielo sono al sevizio dell’ambiente e della sostenibilità.
“Il dato da satellite, che tutti pensiamo molto lontano e distante, invece è una realtà molto vicina”, ci fa riflettere Rosa Lasaponara, dirigente del Cnr e docente all’Università della Basilicata. Soprattutto grazie al citato Copernicus, che, come ci racconta Andrea Taramelli, professore dell’Istituto Universitario di Studi Superiori di Pavia (IUSS) e associato di Ispra, delegato nazionale presso lo User Forum Copernicus Europeo, “è un dato che è di tutti, è open: basta registrarsi”. Una scelta, quella della gratuità, che ha reso il programma europeo il primo fornitore di dati satellitari ed in situ al mondo, ci spiega ancora il professore IUSS, prima della NASA. Un primato che fa del programma europeo un ottimo esempio del ruolo decisivo che i dati satellitari e le loro informazioni stanno avendo e avranno nella transizione ecologica.
“Monitorare la qualità dell’aria e attuare le giuste politiche su traffico e industrie, seguire la propagazione delle ceneri vulcaniche per la sicurezza dell’aviazione, avvertire in caso di alti livelli di radiazioni UV che possono causare il cancro alla pelle, affrontare sfide globali dalla migrazione al cambiamento climatico, contribuire alla definizione di strategie per lo sviluppo sostenibile, osservare l’evoluzione di ecosistemi cibo-energia-acqua per pianificare gli aiuti umanitari”: questi sono solo alcuni esempi dei possibili impieghi di Copernicus, spiega – in un intervento su Ecoscienza (n. 5/2021) – Mauro Facchini, Responsabile programma Copernicus della Direzione generale per l’industria della difesa e lo spazio della Commissione europea. Facciamone altri. Subito dopo il primo lockdown, nel luglio 2020, in Pianura Padana si è verificato un episodio di inquinamento di ozono – gas meno noto della CO2, irrita gli occhi e causa infiammazioni respiratorie. Grazie alla costellazione di satelliti Copernicus, utilizzata quotidianamente da diverse Agenzie ambientali regionali, è stato possibile non solo osservare ma anche prevedere, grazie a complessi software (oggi diremmo algoritmi di intelligenza artificiale), l’evoluzione del fenomeno, fornendo alle amministrazioni uno strumento affidabile sulla base del quale prendere decisioni. Osservando, insomma, il satellite offre anche importanti indicazioni operative. Non a caso due delle categorie di servizi offerti da Copernicus – oltre a quelli dedicati ad atmosfera, ambiente marino, territorio, cambiamenti climatici – sono quelli per la sicurezza, con servizi di intelligence ambientale su incidenti e reati (discariche, scarichi a terra, mare e fiumi); e quelli per le Emergenze, che riguardano ad esempio sversamenti in mare, eventi come terremoti, alluvioni ma anche migrazioni.
“Oggi – rimarca Taramelli – circa il 60% degli utenti finali dei dati di Copernicus lo fa per interessi ambientali e agricoli: nella nuova Politica agricola comunitaria gli enti di vigilanza nazionali per l’erogazione dei finanziamenti sono tenuti ad usare i dati Sentinel per fare una serie di valutazioni e calcolare gli impatti che l’agricoltura ha sull’ambiente”. Sono grosso modo 150 mila gli utenti registrati per la fruizione dei dati (circa 300 milia miliardi di byte ogni giorno, come scaricare 300 milioni di foto da 10 mega pixel).
Uno di questi utenti è il Sistema nazionale di protezione ambientale (Snpa) che, usando algoritmi di machine learning, ha incrociato informazioni raccolte da sensori sul terreno coi dati delle Sentinelle per mappare la copertura del suolo e la sua evoluzione nel tempo. La risoluzione spaziale delle immagini utilizzate, cioè la superficie terrestre rappresentata da un singolo pixel dell’immagine inviata dallo spazio, arriva ad una precisione di 10 metri. I satelliti, dunque, hanno sensi molto sviluppati.
Questi sensi sono i radar (come quelli di dei satelliti Sentinel 1A e B, per restare al programma europeo), che grazie ai cambiamenti anche minimi nell’eco di ritorno del segnale (basato sul fenomeno fisico della dispersione: quando l’onda attraversa una sostanza ne viene modificata), permettono di sapere se le onde radar hanno incontrato metano o anidride carbonica, se hanno attraversato acqua e se in quest’acqua c’è sale o anche idrocarburi. I radar permettono di valutare anche l’innalzamento o l’abbassamento del terreno e dei mari, l’umidità del suolo e dell’aria.
Ci sono poi i sensori che catturano le radiazioni dello spettro elettromagnetico (come quelli di Sentinel 2A e B), soprattutto luce (spettro visibile) e infrarossi (che permettono di misurare le temperature). “Da satellite ad esempio osserviamo parametri geofisici che ci fanno valutare l’attività fotosintetica delle piante, che ci dicono quanto sono verdi, quanto sono in salute, e ci danno anche indicazioni sulla capacità di sequestrare carbonio”, spiega ancora Lasaponara. Lo spettrometro di Sentinel 5P (che permette di misurare lo spettro della radiazione elettromagnetica), per esempio, misura inquinanti come biossido di azoto, anidride solforosa che provengono dalla combustione di combustibili fossili, ma anche monossido di carbonio, formaldeide, ozono e metano.
Le informazioni dei satelliti sono, ovviamente, usate ampiamente della scienza. I dati europei sono stati impiegati ad esempio per studiare la migrazione di giovani tartarughe nell’oceano indiano. Oppure per studiare le abitudini delle balene dell’Atlantico, mettendole in correlazione alla concentrazione di fitoplancton. Balene e tartarughe a parte, si tratta di informazioni che possono essere molto utili a chi amministra. “Si tratta di servizi spesso operativi – aggiunge Facchini – che auspichiamo entreranno a far parte del quotidiano lavoro di monitoraggio, prevenzione, supporto alle amministrazioni nazionali, regionali e locali integrando le attuali tecniche e procedure”. Sono servite infatti per studiare i livelli del mare in Danimarca e i rischi di inondazioni legate, in particolare, ai cambiamenti climatici. O per prevede l’erosione del suolo in Italia o le isole di calore urbane. Oppure, come fa il programma come FIRE-SAT (sviluppato dai ricercatori del laboratorio Argon del Cnr-Imaa per la protezione civile), a fornire mappe di pericolo degli incendi con stime dell’avanzamento del fronte di fuoco che consentono di migliorare la gestione dell’intervento. “Per la gran parte di queste valutazioni i dati satellitari vengono interpolati, integrati, con dati in situ”, precisa Taramelli: “Per fare questo sviluppiamo algoritmi che uniscono le informazioni dal satellite a quelle che vengono da terra (come la rete radar di terra, i sensori che misurano l’umidità al suolo)”.
Oltre che dagli algoritmi, la possibilità di fare previsioni sui fenomeni osservati dipende dalla disponibilità di grandi serie di dati storici che in alcuni casi risalgono indietro di decenni. “Grazie ai satelliti abbiamo tanti dati acquisiti in maniera sistematica, che ci raccontano come era la Terra dagli anni ’70”, ricorda Lasaponara. Ed è una disponibilità che riguarda tutto il globo. “Se vogliamo studiare il cambiamento climatico, ad esempio, abbiamo l’opportunità di fare analisi su scala globale. Oppure possiamo vedere com’era la vegetazione italiana, la temperatura del mare, la qualità delle acque negli anni ‘70 e misurare come è cambiata”.
Ma una caratteristica dei dati satellitari, tanto più quando sono gratuiti, è quella di fornire la materia prima per una miriade di servizi commerciali. Nasce per questo il programma Mirror Copernicus del Ministero dello sviluppo economico: “Un piano di coordinamento nazionale delle utenze istituzionali finanziato con 400 milioni di euro ed entrato in fase operativa da dicembre 2020”, spiega Taramelli. Principale obiettivo di Mirror Copernicus, infatti, è promuovere lo sviluppo dei servizi basati sul programma europeo, favorendo l’incontro tra domanda e offerta e agevolando l’impegno italiano, risultato finora un po’ debole. Qualche esempio ancora può aiutare. C’è chi, consultando Copernicus, offre informazioni utili per il settore dell’acquacoltura. Chi impiega i dati per valutare progetti eolici offshore. Per fare previsioni decennali sulle precipitazioni di una data regione e stimare la produzione di impianti idroelettrici. O per indicare ai gestori dei porti gli strumenti da mettere in campo per affrontare gli effetti dei cambiamenti climatici. Per valutare come i cambiamenti climatici cambieranno i costi di manutenzione di impianti eolici offshore. O ancora per aiutare gli istituti di credito ad elaborare dati sui rischi climatici quando sviluppano le informative finanziarie.
Abbiamo parlato soprattutto di Copernicus, ma secondo l’associazione statunitense Union of Concerned Scientists, attorno alla Terra ruotano (dati al primo gennaio 2021) 3.372 satelliti artificiali attivi: soprattutto statunitensi (1.897), cinesi (412) e russi (176), stando al sito di statistiche Statista. Si tratta per una buona percentuale di satelliti per le comunicazioni, la cui diffusione ha guidato la miniaturizzazione delle apparecchiature, il miglioramento dei sensori e la crescente economicità dei satelliti. “Nasa, Esa, ma poi quasi sempre le singole agenzie spaziali nazionali gestiscono programmi satellitari. E poi ci sono i programmi delle università” racconta la professoressa Lasaponara: “Oltre alle missioni internazionali che richiedono investimenti massicci, oggi siamo nell’era dei pico e nano satelliti: più piccoli di un cellulare, ospitano camere e strumenti di rilevazione: messi in orbita in numero significativo, riescono a fornire informazioni molto dettagliate a costi molto più bassi che in passato. La prossima rivoluzione verrà proprio da questi satelliti”.