Introduzione

Il satellite CSES è stato lanciato con successo il 2 febbraio 2018 alle 8:51 (ora italiana), dalla base cinese Jiuquan Satellite Launch Center, nel deserto del Gobi (Mongolia Interna). La durata prevista è di 5 anni.

Progetto LIMADOU

L' Italia partecipa alla missione CSES con il Progetto LIMADOU, finanziato da ASI e INFN, e così chiamato dal nome cinese del gesuita ed esploratore Matteo Ricci che grande importanza ha avuto nella conscenza della cultura occidentale nella Cina del XVI secolo. Il progetto LIMADOU è una inzizativa dell’Agenzia Spaziale Italiana approvata dal Parlamento Italiano e dal MIUR quale “finanziamento premiale di specifici programmi” con DM 506/RIC del 9 agosto 2012. Si tratta di una missione spaziale per la realizzazione di un satellite in collaborazione fra le agenzie spaziali cinese ed italiana in particolare per lo studio dei precursori sismici.

 

Il progetto nasce da analisi effettuate negli anni ’90 del secolo scorso da ricercatori russi in collaborazione con il Prof. P. Picozza sulla base di dati registrati nello spazio per mezzo di rivelatori di particelle, che avevano evidenziato una correlazione tra eventi sismici e l’osservazione di flussi anomali di particelle cariche di alta energia. Sulla base di queste ricerche, nel 2000, un team di ricercatori italiani coordinati dai Professori V. Sgrigna e P. Picozza presentarono il progetto ESPERIA, finanziato in Fase A dall’ASI per la realizzazione di un satellite interamente italiano dedicato allo studio dallo spazio di possibili pertrurbazioni elettromagnetiche, di plasma e di particelle legate all’attività sismica. A questo lavoro hanno fatto seguito una serie di ricerche condotte da una collaborazione tra le Università di Roma Tre, Tor Vergata e Perugia, l'INFN congiuntamente al MePhI di Mosca, l'Università di Tbilisi (Georgia), e l'LPCE-CNRS (Francia). Tali ricerche - finanziate in Italia dall'ASI, dal MIUR con due progetti PRIN coordinati dal Prof. R. Battiston, e dall'INFN - hanno portato a diverse pubblicazioni ed alla realizzazione nel 2005 dell’esperimento LAZIO-SIRAD-EGLE installato dall’astronauta R. Vittori sulla ISS (Stazione Spaziale Internazionale) nell’ambito della missione Eneide. Nel 2004 l’Agenzia Spaziale Francese CNES ha lanciato il satellite DEMETER, la prima missione specificamente disegnata per lo studio dei disturbi indotti nell’alta ionosfera dalle emissioni sismo-elettromagnetiche.
In questo contesto, presso la Facoltà di Ingegneria dell’UNINETTUNO è attivo dal 2011 il gruppo di ricerca UNINETTUNO-Earth per lo studio dei meccanismi di interazione litosfera-ionosfera-magnetosfera attraverso l'analisi di dati satellitari e lo svilupppo di strumentazione per misure nello spazio.

Sulla base dell'esperienza scientifica acquisita dai gruppi di ricerca in Italia e del forte interesse dell'agenzia spaziale Cinese (CNSA) per lo sviluppo di tecnologie di monitoraggio e studio dei disastri naturali (e sismici in particolare), è maturata la collaborazione tra Italia e Cina per la realizzazione di un satellite dedicato allo studio dell'ambiente elettromagnetico della Terra e dei processi che su di esso agiscono inclusi in particolare i fenomeni sismo-elettromagnetici. Il 23 agosto 2013 viene firmato l'accordo tra ASI e CNSA per la partecipazione dell'Italia alla missione CSES. L'accordo prevede la costruzione da parte dell'Italia di uno dei rivelatori di particelle del satellite, la collaborazione allo sviluppo del rivelatore di campo elettrico e la realizzazione di test di alcuni strumenti del satellite nella camera a plasma dei laboratori INAF-IAPS di Roma. Nasce così il progetto LIMADOU. Il primo finanziamento vede come capofila l'INFN e come partners le Università di Trento, UNINETTUNO e l'INAF-IAPS. La collaborazione si è quindi estesa a gruppi di ricerca delle Università di Bologna, Perugia e Roma Tor Vergata, del Centro INFN TIFPA di Trento, dei Laboratori Nazionali INFN di Frascati e degli Istituti IFAC-CNR (Istituto di Fisica Applicata "Nello Carrara" - CNR), INAF-IAPS (Istituto Nazionale di Astrofisica e Planetologia Spaziali) ed INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia). La costruzione del satellite CSES - che include 9 strumenti per la rilevazione nell’alta ionosfera di variazioni di campo elettrico, campo magnetico, parametri di plasma e di fluttuazioni del flusso di particelle delle fasce di Van Allen - si è conclusa nel 2017. Il lancio, inizialmente previsto per agosto 2017 è stato effettuato il 2 febbraio 2018 per una missione della durata di 5 anni.

E' già pianificata una nuova missione di un secondo satellite, CSES-02, gemello del primo che sarà messo nei prossimi anni sulla stessa orbita del primo con una strumentazione sostanzialmente analoga. Scopo di questa seconda missione è quello di osservare con due satelliti, CSES e CSES-02, che passano sulle medesime zone della Terra a distanza di pochi minuti l'uno dall'altro, l'evoluzione nel tempo di disturbi e processi legati all'attività sismica che possano essere identificati come precursori sismici.

Collaborazione CSES - LIMADOU

Istituzioni cinesi partecipanti

 

 

• CEA - China Earthquake Administration
• CAS - Chinese Academy of Science
• CAST - China Academy of Space Technology
• NSSC - CAS - National Space Science Center
• LIP - Lanzhou Institute of Physics
• ICD - CEA - Institute of Crustal Dynamics
• IHEP - Institute of High Energy Physics
• Space Star Technology Co.
• DFH Satellite Co.

Istituzioni italiane partecipanti

 

 

• INFN - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare:
  • Sezioni di Bologna, Napoli, Perugia, Roma Tor Vergata
  • Centro TIFPA di Trento
  • Laboratori Nazionali di Frascati
• Università di Bologna
• Università di Roma Tor Vergata
• Università di Trento
• Università Telematica Internazionale UNINETTUNO
• INAF-IAPS - Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali
• IFAC-CNR - Istituto di Fisica Applicata "Nello Carrara" (CNR)
• INGV - Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia

Istituzioni austriache partecipanti

 

 

• IWF - Space Research Institute
• ÖAW - Austrian Academy of Sciences
• IEP - Institute of Experimental Physics, Graz University of Technology

Sintesi

La missione CSES è costituita da un satellite stabilizzato su 3 assi, basato sulla piattaforma cinese CAST2000. L'orbita è eliosincrona con inclinazione di 98° ad un'altitudine di circa 500 km. La massa del satellite è di circa 730 kg con un consumo di picco di circa 900 W. I dati scientifici sono trasmessi in banda X a 120 Mbps. Esistono due diverse zone di operazione lungo l'orbita: la zona di acqusizione dati e la zona di controllo di assetto della piattaforma. Gli strumenti raccolgono dati nell'intervallo di latitudine magnetica di +/- 65°. A latitudini maggiorni è previsto lo spegnimento dei rilevatori al fine di svolgere le attività di controllo e manutenzione dell'assetto orbitale del satellite (AOCS). Gli strumenti raccolgono dati con due modalità operative: la "modalità burst" e quella "survey". Nella prima i dati sono acquisiti in generale con frequenza e risoluzione maggiori. La modalità burst infatti viene attivata sul territorio cinese e sulle regioni del Pianeta più attive sismicamente. La modalità survey è invece prevista per raccogliere dati su tutte le altre aree.

Descrizione

La strumentazione a bordo del satellite è costituito complessivamente da nove apparati: due rilevatori di particelle di alta energia (HEPD, HEPP) per misurare il flusso e gli spettri energetici delle particelle; un magnetometro search-coil (SCM), due magnetometri fluxgate ed uno scalare (facenti parte dello strumento HPM) per misurare componenti ed intensità totale del campo magnetico; un rivelatore di campo elettrico (EFD); un analizzatore di plasma ed una sonda di Langmuir per misurare le perturbazioni del plasma ionosferico; un ricevitore GNSS per l'occultazione ed un Tri-band beacon per misurare la densità degli elettroni.

Rivelatore di particelle HEPD

Il rivelatore di particelle di alta energia (HEPD -  High Energy Particle Detector), sviluppato dalla Collaborazione Italiana LIMADOU, può rilevare elettroni, protoni e nuclei leggeri. L' obiettivo principale è quello di misurare le variazioni dei flussi di particelle cariche dovuti a perturbazioni delle fasce di radiazione causate da fenomeni solari, terrestri e antropici. Il range di energie esplorate è di 3 - 100 MeV per gli elettroni e 30 - 200 MeV per i protoni, mentre è possibile studiare nuclei fino all'ossigeno.

Lo strumento è composto da diversi sotto-rilevatori. Due piani di sensori al silicio a doppio strato posizionati sulla parte superiore dello strumento forniscono la direzione della particella incidente. Subito sotto, due strati di scintillatori plastici servono per il trigger e sono seguiti da un calorimetro costituito da altri 16 scintillatori ed uno strato di cristalli di LYSO. Un sistema di veto a scintillatore completa lo strumento. L' alimentatore e l’elettronica sono inseriti in una box posta a lato del rivelatore.

Del rivelatore HEPD sono stati realizzati e testati quattro diversi modelli: il Modello Elettrico (EM), il Modello Strutturale e Termico (STM), il Modello di Qualifica (QM) ed il Modello di volo (FM). Dopo il lancio del satellite CSES avvenuto il 2 febbraio 2018, la verifica dello stato di funzionamento di HEPD si è conclusa positivamente.

Rivelatore di particelle HEPP

La suite di strumenti HEPP (High Energy Particle Package), realizzata dall' IHEP (Istituto di fisica delle alte energie dell’Accademia Cinese delle Scienze), è composto da un rivelatore di particelle alta energia (HEPP-H), un rivelatore di bassa energia (HEPP-L) ed un rivelatore a raggi X (HEPP-X).

Gli stumenti si basano su sistemi di rivelazione delle particelle cariche in parte diversi da quelli di HEPD. Inoltre, mentre HEPD è posto sul pannello superiore del satellite orientato a zenith, gli strumenti HEPP sono su un pannello laterale a 90 gradi. Questa diversa orientazione, unita alla parziale sovrapposizione degli intervalli energetici delle particelle cariche cui HEPD ed HEPP sono sensibili consentirà studi comparativi dei flussi raccolti.

Rivelatore di campo elettrico EFD

Il rivelatore di campo elettrico (EFD) misura le tre componenti del campo elettrico lungo l' orbita e le perturbazioni dovute a fenomeni solari, sismici ed antropici. È costituito da quattro sensori sferici identici (probes) installati all’estremità di altrettanti bracci dispiegabili (ciascuno dei quali di lunghezza pari a circa quattro metri). EFD è stato realizzato dal Lanzhou Institute of Physics (LIP) con la collaborazione della Sezione INFN di Roma Tor Vergata.

Un ulteriore modello ingegneristico di due probes, progettato e costruito dalla Sezione INFN di Roma Tor Vergata, è stato testato nella gabbia di Faraday presso la Sezione INFN di Roma Tor Vergata e nella camera a Plasma dell'Istituto IAPS-INAF di Roma Tor Vergata. Il modello di volo di EFD, assemblato dal LIP è stato ottimizzato tenendo conto anche delle prestazioni dei due strumenti.

Magnetometro HPM (magnetometri fluxgate e scalare)

Il magnetometro ad alta precisione HPM è frutto di una collaborazione tra il National Space Science Center (NSSC) dell’Accademia cinese delle scienze, l’Istituto di ricerca spaziale (IWF) dell’Accademia austriaca delle scienze (ÖAW) e l’Istituto di fisica sperimentale (IEP) della Graz University of Technology.
Lo strumento include: due magnetometri fluxgate (per misurare le 3 componenti del campo mgnetico a bassa frequenza) ed un magnetometro scalare (CDSM) realizzato dai ricercatori austriaci. Il CDSM è un optically-pumped absolute scalar magnetometer per la misura dell'intensità assoluta del campo magnetico utilizzato per la taratura dei magnetometri fuxgate realizzato dal NSSC.

Magnetometro search-coil

Il magnetometro search-coil è in grado di misurare le tre componenti del campo magnetico da circa 10 Hz fino a circa 20 kHz.

Langmuir Probe

La Langmuir probe, realizzata dal Center for Space Science and Applied Research dell’Accademia Cinese delle Scienze, permette di misurare densità e temperatura elettronica. È costituito da una coppia di sonde di Langmuir sferiche con diametri rispettivamente di 5 cm e 1 cm, installate all’estremità di bracci lunghi circa 50 cm. La Langmuir probe è stata sottoposta a test nella camera a plasma dell'INAF-IAPS a Roma.

Analizzatore di plasma

L' analizzatore al plasma misura densità ionica, temperatura degli ioni, velocità di drift degli ioni, composizione e fluttuazione della densità degli ioni. La strumentazione è stata sottoposta a test nella camera a plasma dell’INAF-IAPS di Roma.

GNSS Occultation Receiver

Il GNSS (Global Navigation Satellite Systems) Occultation Receiver è utilizzato per il sondaggio verticale della ionosfera. In particolare, permette di misurare il contenuto totale di elettroni (TEC) ed ottenere profili di densità elettronica.

Tri-Band Beacon

Il Tri-Band Beacon è un radiofaro a tre frequenze sviluppato per trasmettere nelle bande VHF/UHF ed L (150 / 400 / 1067 MHz). L' obiettivo primario dello strumento è studiare la densità degli elettroni nella ionosfera e produrre mappe bidimensionali e profili monodimensionali di densità elettronica. Lo strumento consentirà inoltre di studiare influenza delle irregolarità ionosferiche sulle trasmissioni in banda VHF, UHF e L dallo spazio al suolo.

Obiettivi

Interazioni litosfera - atmosfera - magnetosfera

I meccanismi di accoppiamento tra la litosfera, l'atmosfera (neutra e ionizzata) e la magnetosfera sono una questione molto vasta e complessa che coinvolge molti fenomeni fisici ed interazioni. Lo studio di tali processi - ed in particolare del comportamento, ancora non del tutto noto, della regione di transizione tra ionosfera e magnetosfera - è di fondamentale importanza per la comprensione del Sistema Terra, il monitoraggio dell'ambiente elettromagnetico vicino alla Terra e lo studio dei disastri naturali.

 

La sismicità e le eruzioni vulcaniche sono la conseguenza dei processi dinamici che avvengono all' interno della litosfera terrestre. La previsione deterministica del tempo e del luogo di un evento sismico non è alla portata delle conoscenze scientifiche attuali. E' possibile invece una stima statistica della probabilità di eventi sismici sulla base di serie storiche ed osservazioni delle caratterisitiche geofisiche delle diverse aree. La realizzazione di mappe di pericolosità sismica del territorio ed il loro uso per l'adeguamento delle infrastrutture restano ad oggi il solo metodo per la riduzione dei danni provocati dai terremoti e dalle eruzioni vulcaniche. Molto infatti resta ancora da comprendere della fisica dei processi sismici e vulcanici. Da lungo tempo sono noti gli effetti meccanici e termici dei processi deformativi associati ai terremoti ed alle eruzioni dei vulcani. Più di recente sono stati studiati i processi elettromagnetici che si ritiene possano accompagnare la deformazione e la rottura delle rocce che generano i terremoti. Emissioni elettromagnetiche sono state osservate durante esperimenti di laboratorio su campioni di rocce soggetti a forti pressioni in prossimità del momento di rottura dei materiali. Nel tempo si è accumulata una certa letteratura di osservazioni di disturbi elettromagnetici, emissioni di gas (radon) e perturbazioni termiche osservati da reti di monitoraggio a terra in relazione a eventi sismici specie di grande magnitudo.

 

A queste osservazioni si sono aggiunte diverse misure di fluttuazioni di parametri ionosferici misurati a terra e nello spazio che si ipotizza possano costituire precursori sismici. Negli ultimi decenni, sono state effettuate molte analisi sperimentali e proposti diversi modelli teorici per interpretare tali disturbi ionosferici. L'ipotesi che essi siano causati da terremoti ed eruzioni vulcaniche benchè suggestiva è tuttavia molto dibatuta e richiede verifiche puntuali anche perchè essi vanno accuratamente distinti dagli assai più numerosi processi indotti da sorgenti naturali non sismiche e dalle attività antropopiche che possono generare fenomeni "analoghi". L'intensità dei presunti precursori sismici infatti appare piuttosto "debole" rendendoli difficili da distinguere dagli effetti prevalenti indotti da sorgenti esterne alla cavità geomagnetica e dagli eventi atmosferici. Infatti, un ruolo importante nel controllo della dinamica della ionosfera superiore è svolto dal Sole - che genera variazioni (regolari e irregolari) della ionosfera e della magnetosfera a seguito di eventi impulsivi come le espulsioni di massa coronale ed i brillamenti solari - oltre che dall' attività troposferica (fulmini, TLE, ecc.).

Lo sviluppo di satelliti a bassa quota per l'osservazione della Terra ha reso possibile studiare dallo spazio tali fenomeni attraverso il monitoraggio di diversi parametri su vaste aree del Pianeta, attività che va integrata con le reti di monitoraggio a terra, che da sole non consetono di effettuare un controllo capillare dell'intera superficie terrestre. Tra i processi discussi nei lavori pubblicati in letteratura come possibili fenomeni precursori dei terremoti e delle eruzioni vulcaniche vanno anoverate emissioni elettromagnetiche (osservate a terra e su satelliti a bassa quota), anomalie nei parametri ionosferici e atmosferici (fluttuazioni di densità di plasma e TEC, disturbi nelle trasmissioni VLF, ecc.) e flussi anomali di particelle che precipitano dalle fasce di Van Allen. Rilevanti sono le ricerche effettuate su misure a bordo di satelliti riguardanti disturbi dei flussi di particelle intrappolate di Van-Allen. Aumenti anomali dei flussi di elettroni e protoni sono stati osservati diverse ore prima del verificarsi di terremoti di media e grande entità. E' stato ipotizzato che emissioni elettromagnetiche pre-sismiche possano modificare la traiettoria delle particelle intrappolate, inducendo le precipitazioni rilevate poi dai satelliti. Ad esempio i risultati di analisi effettuate su dati ottenuti con le missioni Maria 1 e 2, GAMMA-1, Sampex-PET, ARINA, NOAA ecc. mostrano l'esistenza di una correlazione statistica tra l'attività sismica e la precipitazione di particelle cariche dal limite inferiore delle fasce di Van Allen che precederebbe i terremoti di alcune ore. I rivelatori di particelle (HEPD e HEPP) a bordo del satellite CSES sono ottimizzati per lo studio di questi effetti.

In questo contesto, dopo le prime analisi condotte con dati di esperimenti spaziali non dedicati, nel 2000 è stato proposto e sviluppato da un team italiano il progetto satellitare ESPERIA ed è stato lanciato nel 2004 il satellite francese DEMETER che ha raccolto molti dati dettagliati resi disponibili per la comunità internazionale. In particolare, la missione DEMETER ha mostrato anomalie delle emissioni VLF e variazioni della densità di plasma in prossimità dell'epicentro di alcuni terremoti nei giorni precedenti lo shock principale; l'intensità di queste anomalie è maggiore per terremoti di magnitudo alta, minore quando la profondità dell'ipocentro è maggiore. L' obiettivo della missione CSES è quello di continuare lo studio esplorativo della missione DEMETER, per lo studio delle perturbazioni ionosferiche indotte dall' attività sismica e dai meccanismi di preparazione dei terremoti, attraverso misurazioni sistematiche e dettagliate per un lungo periodo grazie a rivelatori appositamente progettati.

Fisica solare

Il flusso di raggi cosmici di origine galattica risente di questa attività, che modifica significativamente - a seconda dell'energia delle particelle, della specie, del segno della carica e del tempo - gli spettri differenziali originali allorché essi sono misurati a Terra. L' effetto della modulazione solare risultante è evidente nei dati del monitor di neutroni che mostrano una chiara anti-correlazione tra intensità del flusso di particelle e attività solare. Le particelle principalmente interessate sono quelle con rigidità fino a circa 30 GV mentre l'effetto diventa progressivamente maggiore con la diminuzione della rigidità.

L' attività solare è caratterizzata da una serie di fenomeni transitori come i flares solari, improvvisi brillamenti osservati sulla superficie del Sole, e le espulsioni di massa coronale, caratterizzati dall'emessione di enormi quantità di materia e di campo magnetico. Le particelle espulse (Particelle Energetiche Solari - SEP) possono essere accelerate a energie che vanno da poche decine di keV fino ad alcuni GeV. Esse possono sfuggire al campo magnetico del Sole e trasportate attraverso l'eliosfera possono raggiungere la Terra dove, interagendo con gli strati più esterni della magnetosfera, causano tempeste geomagnetiche, fenomeni aurorali, ecc. La missione CSES monitorerà l'attività impulsiva solare e la modulazione solare dei raggi cosmici, rilevando flussi di protoni ed elettroni da qualche MeV a centinaia di MeV. Le misurazioni forniranno un'estensione a basse energie degli spettri di particelle monitorati, nell' attuale 24° ciclo solare, dagli esperimenti PAMELA e AMS. Sarà anche possibile confrontare gli spettri misurati con quelli di altre missioni spaziali come GOES e ACE.

Ruolo UNINETTUNO

Presso la Facoltà di Ingegneria dell' UNINETTUNO è attivo dal 2011 il gruppo di ricerca UNINETTUNO-Earth, coordinato dal Prof. L. Conti, per lo studio dei meccanismi di interazione litosfera-ionosfera-magnetosfera attraverso l'analisi di dati satellitari e lo svilupppo di strumentazione per misure nello spazio. Il gruppo UNINETTUNO-Earth partecipa al progetto LIMADOU sia per le attività di ricerca sia come centro di spesa finanziato da un contratto ASI-INFN. In particolare i ricercatori UNINETTUNO che partecipano al Progetto LIMADOU sono:

• Prof. Piergiorgio Picozza, responsabile nazionale della Collaborazione LIMADOU-CSES
• Prof. Livio Conti, responsabile Unità di ricerca LIMADOU-UNINETTUNO e degli studi di fisica delle fasce di Van Allen
• Prof. Dario Assante, responsabile delle attività di product and quality assurance per l'esperimento HEPD
• Dr.ssa Simona Bartocci, docente UNINETTUNO e LIMADOU deputy spokesman
• Prof. Claudio Fornaro, responsabile dell' HEPD software development and testing
• Dr. Giuliano Vannaroni, responsabile delle attività di test dell' esperimento EFD nella camera a plasma dell' INAF-IAPS

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