Rapporto sulla Campagna Antartica

Estate Australe 2020-2021

Spedizione (PNRA XXXV)

Prog. 2009/B.09 (OSS-13)   Marine Observatory of the Ross Sea (MORSEa)
P.Falco, P.Castagno, Y. Cotroneo, G.Zambardino

L’osservatorio marino del mare di Ross nasce con lo scopo di costruire lunghe serie temporali dei principali parametri oceanografici. Le misure si ottengono mediante strumenti che acquisiscono nel tempo osservazioni a profondità prestabilite. Gli strumenti sono alloggiati lungo cavi che a loro volta sono ancorati al fondo tramite una zavorra e pertanto rimangono in posizione fino a quando non si procede al recupero.
Le serie temporali di dati acquisite permettono di descrivere come temperatura e salinità in primis varino nel tempo e come queste variazioni possano influenzare le masse d’acqua che si formano sulla piattaforma continentale del mare Ross. Queste masse d’acque sono molto importanti in quanto contribuiscono in modo significativo alla circolazione termoalina globale con effetti che hanno impatto sul clima del nostro pianeta.
La possibilità di ottenere misure su un periodo così lungo è garantita solo da una costante manutenzione che deve essere condotta al fine di avere la strumentazione nelle condizioni ottimali di funzionamento.
Durante la XXXVI spedizione, personale tecnico e scientifico è stato a bordo della Laura Bassi per compiere le manutenzioni dei componenti dell’osservatorio. La strumentazione recuperata è stata preparata per il nuovo ciclo di misure e quindi rilasciata nuovamente in mare

The Marine Observatory of the Ross Sea was created with the aim of constructing long time series of the main oceanographic parameters. Measurements are obtained by instruments that collect observations at determined depths over time. The instruments are housed along cables which are anchored to the sea bottom by a ballast and therefore remain in position until recovery is carried out.
Time series allow to describe how temperature and salinity mainly vary in times and how these variations can influence the water masses which form onto the Ross Sea continental shelf. These water masses are very important as they contribute significantly to the global thermohaline circulation with effects that eventually impact the climate of our planet.
The possibility of obtaining measures over such a long period is ensured only by constant maintenance which must be carried out in order to have the instrumentation in the optimum operating conditions.
During the 36th expedition, technical and scientific personnel was on board of the Laura Bassi to carry out the maintenance of the observatory's components. The equipment recovered was prepared for the new cycle of measures and then released again at sea.

Il progetto MORSea (http://morsea.uniparthenope.it) prevede la gestione e la manutenzione della rete di osservazioni marine attualmente esistente nel Mare di Ross. L’osservatorio è costituito da 4 catene correntometriche (mooring) contrassegnate dalle lettere “B”, “D”, “G” e “L”. Ogni punto di misura ha degli obiettivi specifici legati alla circolazione delle masse d’acqua che si generano sulla piattaforma ed a quelle entranti attraverso il limite della scarpata continentale. In generale però l’obiettivo primario dell’osservatorio è quello di studiare la variabilità interannuale delle caratteristiche fisiche e geochimiche delle acque di shelf nel settore occidentale del Mare di Ross.

A queste attività, negli ultimi anni, si sono aggiunte delle misure di “ship of opportunity” effettuate quindi non impiegando tempo di navigazione della nave. Anche quest’anno infatti sono state eseguite misure di temperatura e salinità superficiale del mare (SST e SSS rispettivamente), lanci di XBT per la misura della struttura subsuperficiale del campo di temperatura dell’Oceano Meridionale; lanci di drifter e float lungo le rotte tra Nuova Zelanda-Antartide e Sudafrica-Antartide (nell’ambito della collaborazione con il progetto ARGO-ITALY, il South African National Antarctic Programme e l’Università di Città del Capo). In particolare, le misure XBT hanno lo scopo essenziale di proseguire la serie storica di osservazioni, condotte durante la traversata dalla Nuova Zelanda fino al mare di Ross, realizzate al fine di caratterizzare la struttura della colonna d’acqua, fino alla profondità di 700, della Corrente Circumpolare Antartica (ACC), misure acquisite sin dal 1994.

Obiettivi del progetto da realizzarsi nel corso della Campagna       

L’organizzazione di questa campagna ha previsto attività specifiche volte al recupero ed alla manutenzione dei mooring B, D, G e L.
Inoltre, come nelle spedizioni precedenti, sono stati programmati lanci di XBT, float e drifter con l’obiettivo di proseguire il campionamento della Corrente Circumpolare Antartica lungo il transetto Nuova Zelanda /Mare di Ross. Tale attività è resa possibile grazie alla collaborazione con il programma ARGO-ITALY con il quale. In aggiunta è stato pianificato il rilascio di due float lungo il Ross Ice Shelf con l’obiettivo di monitorare l’area di polynya che si forma all’estremità dell’ice shelf. Inoltre, in caso di tempo nave a disposizione è stato previsto e preventivamente autorizzato dalla CSNA e CRP il recupero e la messa a mare dei due float rilasciati in prossimità del Ross Ice Shelf durante la campagna XXXV.
Inoltre, come approvato dalla CSNA e dal CRP durante questa campagna, sono state programmate stazioni CTD con campionamento d’acqua nell’ambito di un progetto di collaborazione tra l’Istituto di Scienze Polari del CNR e l’Alfred Wagner Institute tedesco.

Attività svolte in campo  

Le attività di MORSea sono cominciate il giorno 25/12/2020 con il primo lancio di XBT nell’Oceano Meridionale. Tale attività è proseguita fino al giorno 29/12/2020, quando le condizioni di copertura del ghiaccio marino hanno imposto la fine dei lanci. Lungo il transetto Nuova Zelanda-Antartide sono stati lanciati 124 XBT. Durante questa spedizione, è stata adottata una più intensa risoluzione spaziale delle misure, portandola dalle 15 nm tradizionalmente adottata alle 10 nm, al fine di osservare in maggior dettaglio la variabilità dei fronti della corrente circumpolare e per meglio descrivere la presenza di strutture di mesoscala (e.g.: eddies, filamenti) eventualmente presenti lungo la rotta durante il periodo di indagine. La sezione verticale del campo di temperatura è riportata in figura 1.
Durante la campagna sono stati realizzati due ulteriori transetti XBT all’interno del mare di Ross, il primo tra 173.5°E e 176°E e tra 72.4°S e 73°S, in corrispondenza della scarpata continentale nei giorni del 1 e 2 gennaio 2021 e il secondo lungo i 76°S tra 160.7°W e 176.7°W in data 26 gennaio 2021.
Lungo la rotta dalla Nuova Zelanda al Mare di Ross, alle latitudini di 57°S°, 61° S e 63°S, sono stati messi a mare 3 argo float. Inoltre, a 56°S, 57°S, 59°S, 61° S e 63°S sono stati rilasciati i 5 drifter. Le coordinate esatte di rilascio dei float e dei drifter sono riportate rispettivamente nelle Tabelle in allegato 1 e in allegato 2.
Terminate le operazioni di rilascio degli strumenti previsti con nave in movimento il giorno 30/12/2020 hanno avuto inizio le attività di recupero del mooring B. Una volta recuperato B, la nave si è diretta verso la posizione del mooring G per effettuarne il recupero. Arrivati nella posizione di G è stato impossibile il recupero vista la presenza consistente di ghiaccio nell’area ed è stato deciso di ritornare al mooring B. Nella rotta da B a G e ritorno è stata effettuata la manutenzione di tutti gli strumenti e della trappola presenti sul mooring B. I dati rilevati dalle sonde oceanografiche e dai correntometri sono stati scaricati dagli strumenti e salvati. Una volta finita la manutenzione, il mooring B è stato riposizionato il giorno 02/01/2021.
Finite le operazioni di riposizionamento, si è deciso inizialmente di muoversi verso Baia Terra Nova, però viste le condizioni meteorologiche e di ghiaccio favorevoli è stato deciso di portarsi sul mooring G. Arrivati in posizione era ancora presente del ghiaccio e si è atteso il suo spostamento per la marea giornaliera. A questo punto sono iniziate le operazioni di recupero. Gli sganciatori di G hanno risposto immediatamente all’interrogazione ed è stato dato il comando di sgancio. Tuttavia, il mooring non è riemerso in superficie. Dando il comando “range”, si è stimata la distanza di G dalla Nave. Dopo diverse ripetizioni del comando “range” è stato osservato che la distanza del mooring dalla nave rimaneva fissa e quindi si è constatato che la catena correntometrica rimaneva ancorata al fondo. Quindi, sono state compiute triangolazioni per individuare con precisione l’area in cui il mooring era posizionato e, al termine di varie ricerche con l’ecoscandaglio nella zona individuata con la triangolazione, si è finalmente rilevata la presenza di G. Al fine di recuperare il mooring, nell’arco di 4 giorni dal 3 al 6 gennaio 2021 sono stati effettuati vari tentativi mediante 2 diversi approcci: nel primo caso sono stati predisposti dal bordo un ancora e un cilindro con una serie di ganci per poter intercettare il mooring e poterlo recuperare; nel secondo approccio è stata effettuata una manovra di accerchiamento del mooring utilizzando un cavo con diversi pesi posizionati su di esso. Purtroppo tutti i tentativi sono falliti. Si è quindi deciso di partire in direzione del mooring D che è stato recuperato il 07/01/2021. Una volta finite le operazioni di recupero ci si è diretti verso il mooring L che è stato recuperato il giorno 08/01/2021. Recuparato anche il mooring L, la nave si è diretta verso la base Mario Zucchelli. Nel periodo in cui la nave era posizionata davanti alla base per le operazioni logistiche sono state effettuate le manutenzioni della strumentazione di D e L. Finite le operazioni logistiche, i mooring L e D sono stati riposizionati rispettivamente nei giorni 14/01/2021 e 15/01/2021. In seguito, durante la campagna è stato tentato nuovamente il recupero del mooring G il giorno 27/01/2021. Dopo ripetuti tentativi falliti di interrogare gli sganciatori e diverse ricerche effettuate con l’ecoscandaglio, non avendo avuto esito positivo si è arrivati alla conclusione che il mooring G non fosse più presente in situ. In questa fase non è stato possibile posizionare un nuovo G in quanto a bordo non era disponibile la strumentazione per sostituire gli strumenti presenti sul mooring non recuperato. Tutti gli schemi dei mooring riposizionati sono allegati a questo documento (allegato 3).

Durante la campagna, visto il prolungarsi del periodo di attività e di disponibilità della nave per sopravvenute emergenze logistiche, sono state programmate e realizzate delle attività di ricerca aggiuntive, In particolare, anche considerando la strumentazione disponibile è stato designato un piano di monitoraggio tramite stazioni CTD. Le stazioni aggiuntive sono state organizzate in 2 transetti: il primo lungo il Ross Ice shelf e il secondo parallelamente alla costa orientale del mare di Ross. Infine dopo 13 anni è stata ripetuta la stazione di misura localizzata in corrispondenza del mooring H1 realizzata nella zona dal 1995 al 2008.
In totale, sono state realizzate 56 stazioni CTD. Le posizioni delle stazioni sono riportate nella Tabella dell’allegato 4. Tra queste, nell’ambito della collaborazione tra l’Instituo polare del CNR e Alfred Wagner Institute, sono state effettuate 9 stazioni con campionamento d’acqua (STZ: #002, #004, #005, #006, #011, #014, #016, #022, #056).
Nell’ambito della collaborazione tra il progetto MORSea e ARGO-ITALY, sono stati posizionati 4 argo float in modalità “stay-on-the-ground”, programmati per affiorare in superficie ogni 5 giorni, al fine di monitorare l’attività di produzione della HSSW nelle due aree di polynya. 2 Argo float sono stati posizionati nell’area di polynya del Ross Ice Shelf (RIS), 1 nella polynya di Baia Terra Nova e 1 nella zona centrale del RIS in prossimità della zona di fuoriuscita delle Ice Shelf Water. Questi ultimi 2 sono stati recuperati in durante questa campagna dopo essere stati posizionati nella polynya del RIS durante la campagna scorsa (XXXV) sempre dal progetto MORSea. I dati di tutti gli argo float e drifter posizionati sono disponibili sul sito: http://maos.inogs.it/#/data. L’elenco delle posizioni di rilascio è riportato nelle tabelle degli allegati 1 e 2.

Conseguimento degli obiettivi prefissati
Gli obiettivi previsti dal progetto MORSEa per questa XXXVIesima missione sono stati raggiunti quasi completamente. Il mancato recupero del mooring G è l’unico obiettivo mancato rispetto alla programmazione originale. L’allungamento dei tempi di campagna ha tuttavia permesso di incrementare le attività con ulteriori stazioni CTD, 2 transetti XBT aggiuntivi e l’arricchimento delle attività relative agli argo float

Risultati principali      

-Mooring: A causa del limitato numero del personale a bordo, delle numerose attività svolte in campo e del tempo limitato tra le varie operazioni quest’anno non è stato possibile condurre una prima analisi dei dati misurati dai mooring. Questa attività sarà effettuata una volta arrivati in Italia.
-Misure XBT: di seguito si riporta la sezione verticale ed i profili ottenuti dalle misure XBT lungo la rotta della nave:

Figura 1 - Sezione di temperatura lungo il transetto Nuova Zelanda – Antartide, realizzata tra il 25 ed il 29 dicembre 2020. La temperatura è indicata in colore. Le linee verticali grigie indicano la posizione dei lanci XBT. Le linee vericali blu e rosse indicano rispettivamente la presenza di anomalie fredde e calde nella distribuzione della temperatura. Le linee nere verticali indicano, da nord verso sud la posizione del SSAF, PF e sACCf rilevate durante questa campagna. I riquadri sottostanti riportano la posizione dei lanci XBT e le posizioni rilevate e medie dei principali fronti della ACC.

L’analisi della sezione di temperatura ottenuta lungo il transetto Nuova Zelanda – Antartide (Figura 1) ha permesso di localizzare i principali fronti della ACC, ed in particolare il Northern SubAntarctic Front (NSAF), il Southern SubAntarctic Front (SSAF), il Polar Front (PF) ed il southern ACC front (sACCf). Sono inoltre state identificate due anomalie nella distribuzione latitudinale di temperatura.
Una prima anomalia di carattere freddo è stata identificata in corrispondenze dei 54.8°S (linea blu in figura 1), ed una successiva anomalia calda è risultata compresa tra 55.1°S e 57.6°S (linee rosse verticali tratteggiate in figura 1). Entrambe le anomalie risultano caratterizzate dalla presenza di movimenti verticali delle masse d’acqua lungo la colonna d’acqua. L’anomalia fredda presenta infatti una evidente risalita della isoterma 3°C dagli 800 metri di profondità fino ai 320 m dalla superficie. La successiva anomalia calda presenta un affondamento della isoterma 5°C oltre i 700 metri di profondità. La natura di queste due anomalie è stata successivamente verificata attraverso l’analisi dei dati altimetrici di anomalia del livello del mare (Sea Level Anomaly - SLA) in near real time forniti dalla piattaforma COPERNICUS. I dati altimetrici giornalieri grigliati su una griglia regolare di 0.25° di risoluzione relativi ai giorni dal 24 al 28 dicembre 2020 sono stati scaricati, mediati ed analizzati, per fornire una descrizione della circolazione a grande scala nella zona di indagine e contribuire così alla descrizione delle anomalie riscontrate nella distribuzione latitudinale della temperatura (Figura 2). I dati satellitari indicano la presenza di un eddy a cuore freddo, identificato come una depressione della superficie marina, in corrispondenza della anomalia fredda identificata nella sezione XBT. Parimenti, muovendosi verso Sud, è evidente la presenza di un eddy a cuore caldo in corrispondenza della anomalia calda riscontrata nella sezione di temperatura (Figura 2).

Figura 2 - mappa media di sea level anomaly da dati satellitari nella zona di indagine tra il  25 ed il 28 dicembre 2020. La scala di colori indica l’anomalia del livello del mare. I punti grigi indicano la posizione dei lanci XBT. I punti colorati indicano la posizione dell’anomalia fredda (blu), calda (rosso) e dei principali fronti della ACC (nero) lungo il transetto (da Nord a Sud, SSAF, PF e sACCf rispettivamente).

La presenza di questi due eddy consecutivi lungo il transetto XBT realizzato ha reso difficile la localizzazione del NSAF, fronte più settentrionale della ACC, mentre non ha avuto effetti sulla identificazione della posizione degli altri fronti. Il SSAF è stato identificato a 59°S, il PF a 62.7°s ed il sACCf a 63°S, posizioni in accordo con le posizioni medie riportate in letteratura per i suddetti fronti.

Impatto ambientale                

Conclusioni                 

Durante la XXXVI spedizione il progetto MORSea ha conseguito tutti gli obbiettivi previsti a meno del recupero del mooring G. Questa eventualità si era già verificata durante le campagne XXXIV e XXXV, anche nel caso el mooring B.
 Visto il ripetersi di questi eventi e le possibili ulteriori difficoltà nel recupero dei mooring anche a causa delle condizioni meteo-marine sarebbe necessario attrezzare i mooring con sistemi di segnalazione della posizione: GPS (Argos trackers) e radio-beacons. Un ulteriore ausilio alle operazioni di recupero può essere fornito attraverso sistemi di boe galleggianti che possano raggiungere la superficie nel caso che il mooring non riemerga e quindi fungere da collegamento con il mooring stesso, in modo da poter favorire lo sgancio degli sganciatori sul fondo.
Un investimento di questo tipo, potrebbe aumentare notevolmente la possibilità di recuperare i mooring, quindi gli strumenti installati ed i dati raccolti consentendo anche una riduzione dei relativi costi e del tempo nave utilizzato in caso di mancato sgancio.

Collaborazioni previste e sinergie con altri progetti          

Per il progetto in collaborazione tra l’Istituto Polare del CNR e l’Alfred Wagner Institute, sono state condotte misure CTD e campionamenti di acqua in 9 stazioni tra cui 4 nei punti dei mooring.
La messa a mare di sonde lagrangiane drifter e float sono stati effettuati in collaborazione con i progetti Global Drifter Program e ARGO ITALY rispettivamente. I lanci di 3 drifter e 3 float lungo la rotta tra Sudafrica e Antartide previsti nel mese di Febbraio 2021 sono svolti il supporto del South African National Antarctic Programme e dell’Università di Città del Capo.

Supporto logistico ricevuto

Tutto il materiale utilizzato per la manutenzione, ripescaggio e posizionamento dei mooring è stato trasportato in Nuova Zelanda o tramite il container in dotazione al gruppo di oceanografia dell’Università Parthenope o tramite container dedicati dal PNRA. A bordo si è ricevuto il consueto supporto logistico per le operazioni e sono stati forniti dispositivi di protezione individuale.

Problemi incontrati e suggerimenti per le prossime campagne

Ringraziamenti 

SI ringrazia per le ottime capacità organizzative e per i preziosi consigli e suggerimenti forniti in alcune circostanze, il capo missione Ing. Riccardo Scipinotti. Si ringrazia il comandante della nave Laura Bassi, Franco Sedmark per aver cercato sempre di venire incontro alle esigenze del progetto. SI ringrazia il laboratorio di Navigazione per il prezioso supporto durante le operazioni. Si ringrazia il personale di bordo, per la continua assistenza sia durante la fase di campionamento che nella vita di tutti i giorni in nave. Si ringraziano infine gli assistenti alla scienza che con il loro prezioso aiuto e supporto hanno reso il lavoro di tutti noi più semplice.