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Strumentazione scientifica

- Dotazioni tecnico-scientifiche "Nave ASTREA"

STRUMENTAZIONE SCIENTIFICA

Remotely Operated Vehicle (ROV)		NAVE oceanografica "ASTREA"
L'utilizzo di un veicolo subacqueo filoguidato dalla superficie in grado di osservare e registrare le immagini (Remotely Operated Vehicle) si rivela utile per le esplorazioni di fondali marini in differenti tipologie di indagine: sorveglianza sottomarina controllo ecologico dell’ambiente prelievi di campioni osservazioni scientifiche nell’ambito di verifiche di risultati emersi da indagini sismiche (presenza di fondi duri quali banchi rocciosi, secche, ecc.) o controllo e mappatura delle praterie di fanerogame controllo scarichi fognari controllo dighe e bacini idroelettrici) marine attività subacquee: controllo e sicurezza degli operatori subacquei, controllo lavori subacquei, cantieristica navale
Si tratta di un veicolo subacqueo (Figura), filoguidato, che permette all’operatore del veicolo di rimanere all’esterno mentre il ROV funziona sotto la superficie del mare
	E’ costituito da un veicolo, in grado di sviluppare una velocità massima di 3-4 nodi, un’unità di superficie di controllo e un cavo ombelicale, che trasporta l’alimentazione, l’ordine ed i segnali di controllo al veicolo; collegato al veicolo possono essere previste attrezzature per il prelievo di campioni subacquei
	L’unità di superficie comprende una consolle con tutti i controlli remoti (luci, motori, manipolatore), un monitor con videoregistratore con le informazioni di profondità, rotta di navigazione e tempo di percorrenza in sovrimpressione.
	I dati vengono videoregistrati per essere successivamente elaborati e tradotti in archivi digitali.
	Applicato alle indagini biologiche, in particolare in merito alla mappatura delle fanerogame marine (Posidonia oceanica, Cymodocea nodosa, ecc.) permette di acquisire dati qualitativi come la presenza/assenza della specie in questione o dati semiquantitativi come per esempio la percentuale di ricoprimento della pianta.
Specifiche tecniche: profondità di lavoro standard: 300 metri sistema di regolazione automatica della profondità (auto depth) sistema di camera rotante e luci camera con obiettivo grandangolo illuminazione alogena con luce fredda o HLX bussola digitale in sovrimpressione video braccio manipolatore per campionamenti cavo conduttore coassiale in fibra Kevlar opzione: sonar di navigazione


Differential Global Positioning System (DGPS)

La scelta del Differential Global Positioning System (DGPS) è praticamente una necessità in quanto è l’unico strumento in grado di garantire il corretto posizionamento durante la fase di campionamento
Qualsiasi ricevitore GPS utilizzato in modalità "stand-alone" fornisce precisioni di più o meno 100 metri e quindi con un diametro di errore di 200 metri: I migliori ricevitori GPS in modalità differenziale, con una stazione base che invia le correzioni differenziali alle unità mobili, raggiungono precisioni di 1-2 metri anche in movimento.
La procedura è estremamente semplice, è infatti sufficiente disporre di un ricevitore GPS "base" posizionato su un punto noto ed il sistema telemetrico trasferirà le "correzioni differenziali" dal ricevitore base ai ricevitori mobili consentendo a questi ultimi precisioni dinamiche di 1-2 metri. In alternativa al sistema con stazione fissa si può utilizzare un sistema a correzione delle posizioni tramite informazioni provenienti da satellite Spot o Immersat; in ogni caso il sistema dovrà essere fornito di 12 canali con un’accuratezza inferiore al metro


Software di Navigazione (NAVPRO)
	Ci sono diversi software di navigazione che permettono un controllo completo di tutte le funzioni standard di navigazione. Il sistema tipo Navigator Professional (NAVPRO) può acquisire da due sistemi di navigazione GPS, ecoscandagli, girobussole, magnetometri, USBL, sensori meteo collegati attraverso le porte seriali del PC. Fornisce un completo controllo geodetico con conversioni in linea in Datum locali. Controlla fino a venti offset sulla barca e permette di navigare con un punto qualsiasi.
	Il simbolo della barca è rappresentato in scala e configurabile dall’utente; inoltre, il controllo delle porte seriali è accurato e permette di testare le informazioni avendo a disposizione un terminale bidirezionale. E’ in grado di gestire contemporaneamente fino a 999 waypoints e 50 gruppi di 999 linee ciascuno: i punti e le linee possono essere importati da files ASCII.
	Il programma crea automaticamente "waypoint" con angolo e distanza da un altro punto e crea linee parallele. Visualizza tutte le informazioni di navigazione su schermi grafici in pianta o con linea attiva verticale. Utilizzando la scheda multipla VGA consente di visualizzare fino a quattro schermate differenti su monitor indipendenti. Realizza in tempo reale grafici temporali di sensori esterni compresi gli ecoscandagli. I fixes possono essere eseguiti a tempo o distanza. E’ possibile, inoltre, visualizzare una cartografica di sfondo in formato DXF.
Particolarmente interessante è la gestione degli Output Seriali. Si possono inviare fino a 10 stringhe seriali su porte diverse in tempi diversi (ogni fix, ogni mark, ogni ciclo e ogni X secondi). Sono già preconfigurate tutte le stringhe d’uso più comune: le NMEA-0183, il formato standard Simrad per il posizionamento dinamico e tutti i formati utilizzati da prodotti Benthos per ricevere i dati di navigazione e gli eventi. I dati sono successivamente esportabili mediante files ASCII o DXF per successivi programmi di editing o cartografica


Sonda multiparametrica
Le indagini sulla colonna d’acqua prevedono analisi delle caratteristiche chimico-fisiche come salinità, temperatura, densità, pH, O₂ disciolto, clorofilla a, trasmittanza e potenziale redox che possono essere misurati con l’ausilio di una sonda multiparametrica; mentre per alcuni parametri, come azoto totale, fosforo totali e nutrienti, è necessario il prelievo di un campione d’acqua.
La sonda multiparametrica viene utilizzata al fine di studiare la distribuzione, ed eventuali anomalie, dei diversi parametri lungo la colonna d'acqua e per poter individuare differenti masse d'acqua con caratteristiche e origini differenti.
E’ anche opportuno effettuare analisi chimiche di laboratorio del valore dell’ossigeno e della salinità su campioni d’acqua prelevati durante la campagna al fine di poter verificare il buon funzionamento dei sensori dell’ossigeno e della conducibilità (da cui si ricava la salinità), che sono tra i sensori più sensibili e delicati.
Una raccomandazione molto importante nell’utilizzo della sonda è legata alla calibrazione dei sensori che va effettuata rigorosamente prima di ogni campagna di campionamento.
L’acquisizione dei dati dovrà essere effettuata in continuo; dovrà iniziare dalla superficie dell’acqua e terminare a circa 50 cm dal fondo.


Correntometro
	Il correntometro è uno strumento utile nello studio della velocità e dei fenomeni relativi alle correnti marine. Nel campo delle misure correntometriche, è andata affermandosi la nuova tecnologia di profilatura al posto delle singole misure puntuali.
	Esistono due tipologie differenti: una a misura correntometrica puntuale, cioè ad una determinata profondità, chiamata correntometro "single point"; l’altra ha una tecnologia acustica doppler (ADCP)
Sostanzialmente in questa tipologia viene emesso un impulso acustico a frequenza nota che viene riflesso dalle impurità presenti nell’acqua. Se le impurità sono stazionarie la frequenza del segnale riflesso è esattamente la stessa del segnale trasmesso; se invece le impurità sono in movimento, cioè sono trascinate dalla corrente, il segnale riflesso subisce una variazione in frequenza proporzionale alla (componente normale alla direzione di propagazione del segnale della) velocità delle particelle, e quindi in ultima analisi della corrente che le trascina.
Un correntometro "single point" misura direzione bidimensionale e velocità della corrente in un punto singolo della colonna d’acqua, mentre un profilatore doppler effettua misure tridimensionali a numerosi livelli (celle) nella colonna d’acqua. Utilizzando 4 trasduttori i correntometri doppler sono in grado di fornire anche una indicazione della qualità del dato.
I migliori profilatori doppler possono misurare direzione e velocità della corrente in un numero di celle selezionabile tra 1 e 128, e la distanza verticale che possono coprire (range) è funzione della frequenza emessa. Viaggiando in acqua, infatti, l’energia viene attenuata in acqua in modo inverso alla frequenza, cioè frequenze più basse sono udibili più lontano.
Una caratteristica molto interessante di un profilatore, poi, è che fornisce una serie di dati che potremmo definire accessori, ma che rivestono essi stessi un interesse estremo.
Ad esempio, l’intensità del segnale riflesso ha una stretta relazione con il contenuto di particelle dell’acqua in ognuna delle celle e quindi fornisce indicazioni ben precise sulla stratificazione delle acque, sul limite acqua dolce/salata e sulla quantità di sedimento trasportato.
Un’altra potenzialità interessante di un profilatore è che può venire utilizzato anche come mareografo ed ondametro, in quanto è in grado di rilevare l’interfaccia aria-acqua e di tracciarne le variazioni a breve termine. Conoscendo poi tutto lo spettro delle correnti orizzontali e verticali della colonna d’acqua è possibile utilizzare questi dati per restituire le velocità orbitali delle molecole d’acqua interessate dal moto ondoso, e per valutarne l’attenuazione con la profondità.


Bottiglia NISKIN
	Per raccogliere campioni d’acqua a profondità differenti è necessario che il campionatore sia dotato di un sistema di apertura e chiusura attivabile alla profondità richiesta.
	Un campionatore che soddisfa queste richieste è la bottiglia Niskin (Figura). Si tratta di uno strumento cilindrico non metallico; è dotato di aperture alle due estremità per il flusso dell’acqua e di un meccanismo che gli permette di rimanere aperto durante la calata in acqua; la chiusura della bottiglia può essere effettuata mediante un sistema manuale o automatico.
	Nel primo caso la bottiglia, legata ad un cavo variabile (5-8 mm) viene calata aperta; una volta raggiunta la profondità richiesta, la sua chiusura viene effettuata tramite l’invio lungo il cavo di un messaggero (cilindro metallico) che, urtando l’estremo superiore di un meccanismo, lo fa sganciare provocando la chiusura della bottiglia.



Nel secondo caso le bottiglie Niskin vengono allestite su una struttura, tipo CAROUSEL, la cui chiusura viene gestita da un operatore direttamente dalla nave attraverso la Deck Unit.
Questo sistema, conosciuto come campionatore Rosetta (Figura), consiste di un CTD attaccato al campionatore, di un cavo conduttore, di un set di bottiglie e di un computer.
Generalmente il CTD acquisisce i parametri chimico-fisici della colonna d’acqua durante la fase di discesa mentre il campionamento dell’acqua avviene con le bottiglie, che possono essere chiuse tramite un comando remoto, secondo un determinato ordine e a differenti profondità.

Strumentazione di Campionamento dei sedimenti

Sono diversi gli strumenti utilizzati per il campionamento dei sedimenti marini. Nei paragrafi seguenti si fornisce una panoramica della strumentazione, ad oggi, in grado di eseguire il campionamento di sedimenti marini e di spiaggia secondo le modalità previste dai piani di caratterizzazione per i siti di bonifica.

Tra gli strumenti di campionamento s’identificano due tipologie principali di campionatori: la benna e il carotiere; entrambi molto validi per il campionamento di sedimenti su cui effettuare analisi chimico-fisiche e tossicologiche. Entrambi possono variare molto in dimensioni e grado di difficoltà d’utilizzo.

La benna è raccomandata per indagini su sedimenti superficiali in cui non sia indispensabile un’accurata risoluzione dello spessore verticale del sedimento; mentre il carotiere è, generalmente, utilizzato quando necessiti un’accurata risoluzione, un’analisi storica del sedimento o una dettagliata valutazione della qualità del sedimento lungo lo spessore verticale. Il carotiere è, generalmente, utilizzato in caso di caratterizzazioni geologiche dei fondali, datazioni dei sedimenti, oppure per valutare su scala storica gli apporti di contaminanti in ambiente marino.

Benna

La benna è uno strumento di campionamento che raccoglie sedimento disturbato all’interfaccia acqua-sedimento. Un campione s’intende disturbato quando perde la sua integrità verticale ed orizzontale e non può essere suddiviso in strati significativi o livelli.

Generalmente viene utilizzata per il prelievo di campioni dello strato superficiale di sedimento per indagini in cui interessi soltanto la distribuzione orizzontale dei parametri chimico-fisici e biologici di sedimento di deposizione recente.

E’, generalmente, utilizzabile con tutti i tipi di sedimento incoerente (da sabbioso grossolano a molto fine) anche se nel caso di superfici abbastanza consolidate può limitare molto la quantità di recupero.

Consiste di uno o due "semicilindri" (secondo il modello utilizzato) che dopo esser penetrate nel sedimento si chiudono mediante rotazione, e lo restano fino al recupero in barca. La capacità di recupero della benna, cioè l’effettivo spessore di campionamento, dipende dalle dimensioni dello strumento, dal suo peso e dalla tipologia del fondale. Nel caso di benna di grosse dimensioni si rende necessario l’uso di un verricello per lo spostamento, la calata ed il recupero dello strumento. I due modelli più usati sono generalmente: la Van Veen che può essere dotata di sportellini superiori per il prelievo dei campioni e con volumi di capacità differenti a secondo delle finalità di campionamento; uno dei problemi frequenti in questo tipo di strumento è la predisposizione a dilavare il sedimento con perdita della frazione fine superficiale, spesso molto importante da un punto di vista ambientale.L’altro modello è, invece, la Shipek, che raccoglie in un unico contenitore semicilindrico tutto il sedimento campionato. Tutte le parti sono in acciaio inossidabile. E' stata progettata per campionare su fondali incoerenti e/o debolmente inclinati sabbiosi o argillosi consolidati, liberi da sassi o materiale grossolano. Avendo un unico contenitore che viene rilasciato automaticamente non appena tocca il fondo, ruotando di 180° il contenitore, minimizza molto la dispersione del campione. Trattandosi di strumentazione pesante si rende necessario l'uso di un verricello per lo spostamento, la calata e il recupero dello strumento. La benna Ekman – Birge è stata progettata principalmente per campionare su fondali a granulometria fine, liberi da vegetazione e orizzonti sabbiosi, rocciosi o grossolani, funziona molto bene su sedimenti fangosi, marnosi o torbosi. E’ indicata per la raccolta di campioni abbastanza indisturbati su sedimenti molli. Quando tocca il fondo lo strumento viene chiuso con l’invio, lungo il cavo, del peso messaggero. Le dimensioni standard sono di 15.5x15.5x21 cm in acciaio inox ma può avere dimensioni della scatola diversi a secondo delle necessità di prelievo. In tutti e tre i casi lo spessore del campione ottenuto con i diversi tipi di strumento dovrebbe essere paragonabile con quello dello strato più superficiale delle carote (indicativamente 10 cm).


Draga

Strumento generalmente utilizzato per il campionamento finalizzato allo studio delle associazioni bentoniche, fornisce una valutazione qualitativa delle associazioni faunistiche presenti ed, inoltre, può fornire uno stato complessivo dei fondali marini anche da un punto di vista chimico-fisico.

La draga, di tipo rettangolare con apertura di circa 60 centimetri (Picard, 1965), viene considerata "attrezzo standard" per lo studio del benthos marino dei fondi mobili in relazione alla sua praticità ed economia d'uso

Box Corer
	Il box-corer è uno strumento a gravità che consente il campionamento indisturbato di campioni di sedimento all’interfaccia acqua-sedimento, fino ad una profondità di circa 20-30 cm; permette l’osservazione di tutto lo spessore di sedimento campionato e il prelievo, oltre che degli strati più superficiali (0¸ 3 cm), anche di livelli subsuperficiali di sedimento. E’ utilizzato anche in caso di discreti volumi di sedimento da campionare o di numerose analisi da eseguire. E’ efficace in quasi tutti i tipi di sedimento ad eccezione del materiale sabbioso dove il prelievo diventa molto difficoltoso.
	Consiste in un carotiere a base quadrata o rettangolare con all’intorno una struttura metallica che ne aumenta la stabilità e la facilità di penetrazione su fondali leggermente inclinati
	La scatola deve essere calata generalmente ad una velocità costante. L’uso di quest’apparecchiatura dipende inoltre molto dalla tipologia di sedimento da campionare e dalla presenza di eventuali correnti marine che possono inclinare lo strumento non permettendogli l’inserimento nel fondale.
	Lo strumento è’ provvisto di uno sportello laterale, completamente rimovibile, che permette, una volta in superficie, un’ispezione visiva del campione lungo tutto lo spessore verticale di campionamento.

Carotiere a gravità
Il carotiere a gravità è un valido strumento per la campionatura in situ di fondali costituiti prevalentemente da sedimenti fini, in quanto garantisce la protezione dell’interfaccia sedimento-acqua.
Può essere utilizzato nei depositi sedimentari dei fondali marini, dalla fascia costiera al limite della piattaforma continentale, nelle zone di laguna, di prodelta e nei laghi. Efficace per il prelievo di campioni in sedimenti sciolti limosi e limo-argillosi; in presenza di sedimenti sabbiosi o limo-sabbiosi si ottengono basse penetrazioni.
Lo strumento preserva l’interfaccia acqua-sedimento dai disturbi di risospensione e di mescolamento; permette il mantenimento delle condizioni in situ del campione, garantite dall’assenza di infiltrazioni d’acqua dal top della carota lungo la parete interna del liner, che causerebbero dannosi mescolamenti con l’acqua interstiziale dei livelli inferiori; l’adozione di materiali inossidabili preservano il campione dalle possibili contaminazioni
Consiste di un peso con al di sotto un tubo in acciaio, di lunghezza idonea alla richiesta profondità di campionamento, che viene fatto cadere utilizzando la sola forza di gravità finché non raggiunge la profondità di penetrazione richiesta, in base al peso applicato, e s’incastra nel sedimento
All’interno della canna d’acciaio viene alloggiato un liner in polietilene (PLT) inerte oppure in policarbonato PLC (trasparente); quest’ultimo permette una descrizione stratigrafica immediata del sedimento prima dell’estrusione.








La testa del carotiere viene chiusa con un naso, termine con cui si intende il componente posto all’estremità inferiore del tubo carotiere che ha la funzione di agevolare l’ingresso del sedimento lungo il liner e trattenere il sedimento mediante lamelle convergenti verso l’interno del liner) (Figura).
il carotiere allora viene riportato in superficie, smantellato ed il rivestimento trasparente di policarbonato che incassa il campione rimosso. I liner possono variare in lunghezza tra 1 e 4 m; i pesi variano fra 100 e 1000 kg.

Referente e Responsabile Servizio Navale ICRAM

C.L.C. Luigi Manzueto
Tel. 06 61570466
e-mail: l .manzueto@icram.org, astrea@icram.org

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