Una bussola solare per la determinazione precisa e Una bussola solare per la determinazione precisa e Una bussola solare per la determinazione precisa e Una bussola solare per la determinazione precisa e veloce del Nord geografico veloce del Nord geografico veloce del Nord geografico veloce del Nord geografico D. Di Mauro 1 , S. Bollanti 2 , L. Cafarella 1 , D. De Meis 2 , P. Di Lazzaro 2 , F. Flora 2 , G.P. Gallerano 2 , L. Mezi 2 , D. Murra 2 , A. Torre 2 , D. Vicca 2 , A. Zirizzotti 1 (1)INGV, Sezione Roma2, via di Vigna Murata, 605, 00143 Roma, Italy; (2)ENEA, Dipartimento Fusione e Tecnologie per la Sicurezza Nucleare, via Enrico Fermi 45, 00044 Frascati (Roma), Italy INTRODUZIONE Per misurare con grande accuratezza il Nord geografico i sistemi più utilizzati oggi sono rappresentati dai GPS e dalle bussole giroscopiche. Entrambi questi dispositivi presentano, però, degli inconvenienti, gli uni legati alla precisione del segnale GPS e le altre alla lentezza della misura. Inoltre, l’accuratezza dei GPS e delle girobussole diminuisce qualora siano utilizzati in zone di latitudine molto elevata, cioè lontane dall’equatore. ENEA ha sviluppato e brevettato una bussola solare compatta, economica e di elevata precisione che non risente di tali problemi. Essa, sfruttando una soluzione semi-analitica delle leggi di Keplero, fornisce, istante per istante, l’angolo di azimut del Sole, noti il tempo vero e le coordinate geografiche del luogo. Tramite un dispositivo elettro-ottico, la bussola determina l’angolo tra il suo piano principale e quello del Sole e, di conseguenza, la direzione del Nord geografico. La misura avviene in meno di un secondo e l’accuratezza sperimentale della bussola è di circa 0.01 gradi, confrontabile con quella di sistemi molto più costosi e complessi. Tra le possibili applicazioni di questa bussola vi è la misura dell’allineamento di impianti solari a concentrazione, l’uso per rilievi topografici, l’installazione di sistemi radar, l’orientamento di mezzi mobili su altri pianeti e così via. In questo lavoro vengono illustrati i risultati ottenuti congiuntamente da ENEA e INGV in occasione dell’ultima spedizione antartica (2017- 2018), durante la quale la bussola è stata utilizzata per verificare l’allineamento del traguardo utilizzato per la misura della declinazione ed inclinazione magnetica presso la base Concordia. Dome C Dome C Mario Zucchelli Station Mario Zucchelli Station Dome C Mario Zucchelli Station Castello Tesino L’ENEA ha brevettato (RM2012A000664) una bussola solare elettronica, compatta ed automatica, che rileva la posizione del sole con un sistema ottico innovativo. Lo strumento utilizza le equazioni che regolano il moto apparente del sole grazie ad un algoritmo semplice ma accurato, in grado di funzionare in ogni luogo della Terra e di fornire la direzione Nord-Sud con una precisione di circa 30” d’arco. In particolare, alle elevate latitudini, dove il sole è sempre basso, la bussola raggiunge le sue migliori prestazioni. Oltre all’accuratezza nella misura della direzione, la bussola ENEA presenta diversi vantaggi tra cui la compattezza, i costi di costruzione contenuti, il funzionamento automatico a ogni latitudine, la velocità di rilevamento e l’insensibilità ad interferenze elettromagnetiche (Bollanti et al., 2015). La bussola solare è costituita da: • Una parte sensibile con un’elettronica di rilevamento della posizione del sole basata su un sensore tipo CCD • Un dispositivo GPS per il rilevamento delle coordinate del luogo e dell’ora • Un microprocessore che esegue i calcoli L’osservatorio geomagnetico a CONCORDIA (Dome C) - Antartide L'osservatorio geomagnetico a Concordia è l'unico osservatorio, assieme a quello di Vostok (Russia) ad essere operativo sul plateau antartico, sopra uno spessore di oltre 3 km di ghiaccio. Le misure di declinazione e inclinazione magnetica, rilevati presso ogni osservatorio geomagnetico, sono raccolte da un pilastrino fisso su roccia, in accordo agli standard IAGA. Nel caso dell’osservatorio di Concordia questa condizione non è realizzabile perché il pilastrino è infisso nel ghiaccio. La piattaforma, su cui è istallata l'intera stazione, e ogni infrastruttura sono soggette al lento ma inesorabile movimento degli strati di ghiaccio continentale, come peraltro osservato, su scala regionale, da studi geodetici indipendenti (Vittuari et al., 2009). E’ pertanto di fondamentale importanza verificare la stabilità della posizione del pilastrino nel corso degli anni. Il sospetto che le misure magnetiche possano essere inficiate da lenti movimenti dell’intero sistema è basato sul trend dell’andamento delle suddette misure. • Un microprocessore che esegue i calcoli • Un display su cui viene indicata la direzione puntata La bussola solare è montata e calibrata su un teodolite commerciale già dotato di goniometro di alta precisione, puntatore laser e livelle per la messa in bolla. SI MUOVE o NON SI MUOVE? Il progressivo inglobamento, copertura e sprofondamento nella neve ha reso sempre più problematico il rilevamento della stabilità della posizione della mira (traguardo azimutale) e del pilastrino all’interno degli shelter che ospitano l'osservatorio geomagnetico a Concordia. Entrambe le posizioni sono state determinate per via astronomica (posizione del sole) nel 2003. Nel corso di oltre un decennio sono stati utilizzati dei ricevitori GPS in apposite campagne di misura (2005, 2007, 2009 e 2013) al fine di restituire stime con risoluzione utile a monitorare tali movimenti. Tuttavia, il crescente rumore sul dato GPS dovuto allo sprofondamento degli shelter e l’uso di supporti esterni per la raccolta più agevole del dato ha reso il calcolo della posizione piuttosto macchinoso e i risultati non del tutto soddisfacenti: -2’, -1’, +5’ e +15’ le differenze approssimate (in primi) rispetto alla prima rilevazione, raccolte nel corso di 4 campagne di misura in 8 anni (Di Mauro et al., 2014). Nel corso della campagna antartica 2017-2018 è stata utilizzata la bussola ENEA, all’interno dello shelter delle misure assolute, lungo la direzione che congiunge il pilastrino con il traguardo. Posizione e assetto dei due shelter, distanti circa 26 metri, nell’anno 2005. Teodolite geomagnetico durante una sessione di misura (foto a sn); teodolite ordinario con bussola solare durante la misura condotta a gennaio 2018: il tunnel è stato parzialmente scoperto per permettere ai raggi solari di colpire lo strumento attraverso l’apposita finestra (foto a dx). Completa ricopertura e sprofondamento dei due shelter nella configurazione attuale (2018). La disposizione della finestra, l’ingombro in altezza della bussola sul teodolite e l’elevazione del sole nel periodo di permanenza presso la base Concordia non hanno permesso di rilevare la direzione direttamente dal centro del pilastrino verso il traguardo poiché il sole non raggiungeva il sensore della bussola. In tale assetto, il periodo migliore per una misura diretta sarebbe Novembre oppure la fine di Febbraio, quando l’elevazione del sole, nel breve intervallo temporale in cui passa davanti all’oblò dello shelter, è tale da colpire il sensore (montato sul teodolite) quando è posto al centro del pilastro. E’ stato allora necessario avvicinare il teodolite alla finestra, mantenendolo lungo la direzione che congiunge il centro del pilastrino al suddetto traguardo. Volendo mantenere un’accuratezza miglore di 1 primo d’arco è necessario che, nello spostare in avanti il teodolite, posto su apposito treppiede, lungo la direzione suddetta (individuata grazie al puntamento laser di cui dispone il teodolite), l’eventuale scostamento traverso dal centro del teodolite non sia superiore a 26 (m) x tg (1’) ∼ 7- 8 mm, una condizione facile da rispettare. In data 17.12.2017 è stato eseguito un rilievo, consistente in due gruppi di misure raccolte approssimativamente tra le 10H e le 11H (UT), all’interno dello shelter ad una temperatura costante di +10° C. Di seguito la tabella che riporta i parametri e i valori di azimut restituiti dallo strumento: Bibliografia “ Electro-optical sun compass with a very high degree of accuracy”, Bollanti, S.; De Meis, D.; Di Lazzaro, P.; Flora, F.; Gallerano, G.P.; Mezi, L.; Murra, D.;Torre, A.; Vicca, D. – Optics Letters, 40 (15) 2015. DOI: 10.1364/OL.40.003619. “Geomagnetic polar observatories: the role of Concordia station at Dome C, Antarctica”, Di Mauro D, Cafarella L, Lepidi S, Pietrolungo M, Alfonsi L, Chambodut A. - Annals of Geophysics, 57 (6), 2014. DOI: 10.4401/ag-6605. Colonna dal baricentro della riga di luce Elevazione (in gradi) Azimut del teodolite puntato sul traguardo (rispetto al Sud geografico) 418.97 20 73.931 403.82 20 73.931 387.05 20 73.934 364.19 20 73.935 349.06 20 73.937 318.56 20 73.932 297.31 20 73.931 255.24 20 73.929 Colonna dal baricentro della riga di luce Elevazione (in gradi) Azimuth del teodolite (rispetto al Sud geografico), dopo rotazione di -5.319 ° dal traguardo per centratura del sole) 219.35 18 68.612 208.08 18 68.609 195.03 18 68.619 186.72 18 68.615 177.84 18 68.610 168.57 18 68.612 157.37 18 68.618 149.51 18 68.614 L’elevazione del sole, la temperatura a cui sono effettuate le misure, nonché l’effetto prismatico del filtro ottico (+5max / f stop) utilizzato per selezionare e permettere il passaggio di una ristretta banda ottica, dopo apposita calibrazione del sensore su banco, permettono di fissare un termine correttivo alle misure raccolte. Il termine correttivo, applicato a tutte le misure, è pari a +0.014°. Dopo opportuna correzione, il valor medio sulle 16 misure restituisce la misura finale dell’azimut del traguardo visto dal pilastrino (aggiungendo +180° per riportare la misura al Nord geografico): 253.9466° ± 0.003° ossia 253° 56’ 48” ± 11” (il basso errore statistico non va confuso con l’accuratezza della misura che rimane di circa 40”). Al rientro dalla campagna antartica, presso il Centro ENEA di Frascati è stato verificato il corretto funzionamento e il mantenimento della taratura iniziale dello strumento, garantendo che le misure effettuate durante la campagna antartica sono da considerarsi affidabili. Dal confronto della misura dell’azimut effettuata con la bussola solare, pari a 253.9466° ± 0.003 dal Nord geografico, rispetto alla prima determinazione (2003) pari a 253.9478° ossia 253° 56’ 52”, le due misure possono considerarsi coincidenti entro l’errore. Pertanto, si può concludere che la direzione tra il pilastrino e il traguardo è rimasta immutata nel tempo.