L’osservatorio NEMO – OνDE

L’Osservatorio NEMO-OnDE deposto dal 2005 al 2006 nel Golfo di Catania

Dal gennaio 2005 al dicembre 2006, è stata connessa, nel sito sottomarino situato al largo del Porto di Catania, a 2100 m di profondità, una stazione di monitoraggio acustico denominata “NEMO – OvDE” (Neutrino Mediterranean Observatory - Ocean νoise Detection Experiment). La stazione OvDE è stata equipaggiata con 4 sensori acustici (idrofoni), al fine di monitorare il rumore di fondo sottomarino. L’interesse dell’INFN rispetto alla propagazione del suono in mare nasce dall’esigenza di sviluppare un sistema di posizionamento acustico delle strutture che compongono il telescopio KN3NeT e di studiare la possibile rilevazione acustica del neutrino. NEMO-OvDE ha fornito per la prima volta l’opportunità di monitorare le diverse sorgenti acustiche sottomarine, in un ampio intervallo di frequenze. Sono stati quindi effettuati i primi studi nell’area sul rumore sottomarino ambientale e antropico, e si è reso possibile il monitoraggio acustico passivo di diverse popolazioni di cetacei presenti nell’area. In particolare, è stato possibile realizzare i primi studi sulla presenza e delle dinamiche di popolazione del capodoglio (Physeter macrocephalus, un esempio di suono registrato) e sull’attività di eco-localizzazione dei delfini (Delphinidae), come descritto nei lavori pubblicati sulle riviste scientifiche internazionali PloS ONE e Scientific Reports.

La stazione multidisciplinare NEMO-SN1

L’osservatorio NEMO-SN1, nodo operativo cablato dell’Infrastruttura di Ricerca Europea EMSO ERIC è stato installato nel maggio 2012 nel sito sottomarino di Catania, a 2100 m di profondità (Favali et al., 2013). La campagna di misure condotta da giugno 2012 a maggio 2013 ha consentito, per la prima volta, di monitorare in continuo e a lungo termine il rumore acustico sottomarino generato dal traffico navale e di caratterizzare l’ambiente acustico tipico del Mar Ionio. Grazie alla presenza di idrofoni sensibili alle bassissime frequenze (50 mHz - 1 kHz) è stato quindi possibile studiare la presenza della balenottera comune (Balaenoptera physalus) nell’area (Sciacca et al., 2015), attraverso la rivelazione dei tipici segnali emessi intorno alla frequenza di 20 Hz, e rivelare acusticamente la presenza di suoni impulsivi generati da airgun (Sciacca et al., 2016). Inoltre, come descritto in uno studio recente pubblicato da Viola et al., (2017), i livelli di rumore acustico sono stati misurati e correlati con il traffico navale, grazie all’utilizzo di un'antenna AIS dedicata. L'area di studio è infatti caratterizzata dalla vicinanza di porti di medie dimensioni e NEMO-SN1 si trova in prossimità di numerose rotte di transito per grandi navi. I dati sperimentali sono stati confrontati con i risultati di un modello basato sui dati AIS per stimare il contributo delle navi al rumore di fondo, in sei bande di frequenza consecutive di 1/3 di ottava, incluse le bande di frequenza di 1/3 di ottava centrate a 63 Hz e 125 Hz, indicate dalla Direttiva Quadro sulla Strategia Marina (2008/56 /CE).

L’osservatorio SN1 in funzione dal 2012 al 2013, in fase di riassemblaggio presso il laboratorio LNS del porto di Catania	Una balenottera comune avvistata nel Golfo di Catania	Spettrogramma di una tipica sequenza di richiami a 20 Hz della balenottera comune

Le antenne acustiche SMO

Il progetto SMO – FIRB 2008 (Submarine Multidisciplinary Observatory) nasce nel 2009 grazie alla collaborazione tra l’INFN, l’INGV, l’Università “Sapienza” di Roma, l’Università di Roma 3 ed il CIBRA. Obiettivo del progetto è lo sviluppo di nuove tecnologie da integrare nel grande laboratorio sottomarino KM3NeT. Con SMO si sono potute testare nuove tecnologie per la rilevazione dei neutrini ad alta energia, per il posizionamento acustico delle torri KM3NeT, per lo studio degli eventi geofisici sottomarini e per proseguire le ricerche nell’ambito della bioacustica e del monitoraggio ambientale.

Grazie al progetto SMO, il sito sottomarino di Catania ospita da giugno 2012 la stazione SMO - OvDE, un’antenna acustica costituita da un telaio equipaggiato con 4 idrofoni sincronizzati disposti in configurazione tetraedrica.
Come gli altri osservatori sottomarini di Catania, a stazione SMO-OvDE è collegata al laboratorio di terra presente al porto di Catania, tramite un cavo elettro-ottico sottomarino, composto da 10 fibre ottiche e 6 conduttori elettrici.

Una ulteriore antenna acustica tridimensionale è stata installata a bordo del rivelatore NEMO Fase 2, prototipo di una unità di rivelazione per il telescopio per neutrini di alta energia KM3NeT. L’antenna è costituita da 10 idrofoni a banda larga con le stesse caratteristiche di quelli posizionati sulla stazione SMO-OvDE nel sito di Catania. I sensori sono stati installati in modo da comporre un array acustico tridimensionale di circa 500 m di altezza. Il sistema di acquisizione dati SMO è stato completamente integrato nell'elettronica del rilevatore. L'array SMO ha permesso di validare le tecnologie per il posizionamento del rivelatore KM3NeT (Viola et al., 2013; 2014). Per SMO è stata implementata e testata una nuova tecnologia per implementare il timbro temporale GPS ai dati acustici con precisione migliore del microsecondo. Tutti i dati acustici acquisiti in mare sono stati trasmessi verso i laboratori di terra in tempo reale.

La stazione SMO-OnDE poco prima dell'installazione nel sito sottomarino di Catania nel 2012

Esempio di spettrogrammi giornalieri elaborati dai dati del sistema SMO. In figura è mostrato il rumore medio registrato giorno 22-02-2017. Lo spettrogramma è stato elaborato affiancando il rumore medio misurato ogni secondo nell'arco delle 24 ore. In alto si può osservare il rumore registrato nell'intera banda di frequenze 1 Hz - 96 kHz disponibile. In basso, gli stessi dati sono mostrati nella banda 1 Hz - 1 kHz.

Il prototipo NEMO Phase 2

NEMO Phase 2, un dimostratore per il rivelatore di neutrini KM3NeT, è stato installato a 3500 m di profondità, nel sito sottomarino di Portopalo di Capo Passero, nell'ambito delle attività della collaborazione NEMO e del consorzio KM3NeT. NEMO Phase 2 è stato dispiegato nel marzo 2013 ed è stato operativo fino a giugno 2014.
Il dimostratore NEMO Phase 2 è formato da una serie di bracci lunghi ciascuno 10 metri, collegati fra loro a formare una struttura alta circa 500 m; i bracci sono equipaggiati con complessivamente 32 sensori ottici, necessari per captare la radiazione Cherenkov irradiata dalle particelle cariche prodotte dalla interazione tra i neutrini di alta energia e l’acqua. Oltre ai sensori ottici NEMO Phase 2 è stato equipaggiato con sensori per il monitoraggio ambientale (sonde CTD per analisi di pressione, conducibilità e temperatura, correntometri etc.…). I sensori dell’osservatorio hanno permesso di studiare il ritmo giornaliero della bioluminescenza e correlarlo alle correnti sottomarine.