Le onde acustiche: il mezzo più efficace per l'esplorazione dell'oceano e del fondo marino

Gli oceani coprono circa il 70% della superficie della Terra, influenzando in maniera determinante l'ambiente in cui vive l'uomo. Basti pensare alla circolazione dell'acqua tra i diversi oceani che condiziona il clima di molte regioni del globo. Ad esempio, il clima dell'Europa Settentrionale, relativamente mite in confronto a quello dell'Alaska che si trova alla stessa latitudine, è dovuto al fatto che la Corrente del Golfo che porta acqua calda tropicale dal Golfo del Messico arriva a lambire le coste del Nord Europa. L'ecosistema Terra si rivela sempre più dipendente dal mare. Il clima e l'ecologia terrestre appaiono sensibili al più piccolo cambiamento che si verifichi nelle condizioni degli oceani. Inoltre, l'importanza del mare come sorgente di materie prime e di vitali fonti di alimentazione non può che aumentare con l'incessante incremento della popolazione mondiale. Già solo queste poche considerazioni sono sufficienti per far capire che una politica di salvaguardia dell'ambiente marino dovrà prevederne un continuo monitoraggio, che misuri opportunamente alcuni parametri chiave dello stato dell'oceano. Da questo punto di vista le onde acustiche costituiscono il più efficace mezzo per fornire una vasta gamma di informazioni sulle caratteristiche dell'oceano e del fondo marino. Infatti, mentre nell'aria e nello spazio libero le onde elettromagnetiche rappresentano il principio fisico incontrastato per ogni tipo di trasmissione, telemisura o comunicazione in generale, nel mezzo marino, che possiede una conducibilità elettrica molto elevata, esse subiscono una drastica attenuazione. Non altrettanto avviene per le onde sonore, come è stato chiaramente messo in evidenza in un esperimento marino effettuato anni fa dal "Lamont-Doherty Geological Observatory" (USA), nel quale, grazie ad un particolare effetto di canalizzazione del suono, che si verifica ad una certa profondità nel mare, un segnale acustico è stato ricevuto, dopo un percorso di circa 20.000 km, dalle Isole Bermuda all'Oceano Indiano.

Locandina del Progetto "Euromar-Echosea" promosso e coordinato dall'Istituto di Acustica "O.M. Corbino"

Tali sono alcuni dei motivi ispiratori della quarta Conferenza Europea di Acustica Subacquea organizzata dall'Istituto di Acustica "Orso Mario Corbino" del Consiglio Nazionale delle Ricerche in collaborazione con l'Università di Roma "La Sapienza". E' di buon auspicio che tale conferenza si sia tenuta a Roma, centro del Mediterraneo e antica "Caput Mundi", proprio in coincidenza con il presente "Anno Internazionale dell'Oceano". La Conferenza Europea di Acustica Subacquea è ormai una ben consolidata tradizione avente come sponsor la Commissione Europea nell'ambito del Programma di Ricerca MAST (MArine Science and Technology) che include l'acustica marina come una delle discipline fondamentali. Il campo dell'acustica marina è assai vasto ed interdisciplinare, infatti esso coinvolge un gran numero di discipline come la fisica, la biologia, la geologia, l'archeologia, per citare le più importanti. Esso interessa sempre più la partecipazione internazionale di un gran numero di scienziati di ogni parte del mondo, come è stato dimostrato nella suddetta Conferenza dalla presenza di specialisti di 23 Paesi.

Sebbene l'acustica marina tragga le sue origini da applicazioni belliche messe in pratica fin dalla prima guerra mondiale, lo studio delle onde acustiche nel mare ha avuto, presso tutte le nazioni progredite, uno sviluppo sorprendente soltanto dopo la seconda guerra mondiale.

Soprattutto le applicazioni militari hanno stimolato l'interesse delle indagini ed è principalmente per questo motivo che nelle maggiori potenze mondiali le ricerche di acustica marina hanno beneficiato, negli ultimi anni, di ingenti mezzi messi a disposizione degli Istituti e dei programmi di ricerca. Come spesso avviene, lo studio di un particolare argomento in vista delle sue pressanti applicazioni militari dà anche uno sviluppo imprevedibile a tutt'altro tipo di applicazioni. Così è avvenuto per il SONAR (SOund Navigation And Ranging), progettato inizialmente per la scoperta dei mezzi di guerra sottomarini ed il cui principio è oggi largamente sfruttato nello scandaglio e nell'esplorazione del fondo marino, nella localizzazione dei banchi di pesce, nella oceanografia, nelle comunicazioni subacquee.

In Italia non esistono, al contrario di altri Paesi europei, istituti nazionali di ricerca per l'acustica marina, o indagini coordinate sull'argomento, se si fa eccezione per gli studi condotti dalla Marina Militare e dal Centro di Ricerca NATO SACLANT. Al contrario, Paesi come gli Stati Uniti, l'Unione Sovietica, il Giappone, la Germania, la Francia e l'Inghilterra, per citare solo i più importanti, destinano ingenti strutture e mezzi alle ricerche di acustica marina.

A questo proposito occorre aggiungere che recentemente c'è stato un certo sforzo da parte del CNR nel favorire lo sviluppo di questa importante tematica, realizzando il moderno Laboratorio di Acustica Subacquea dell'Istituto di Acustica "O.M.Corbino" presso la nuova Area della Ricerca di Roma-Tor Vergata.

Le tecniche più usate per l'esplorazione del fondo marino e per le indagini sulle strutture geologiche sotto il fondo del mare sono quelle basate sull'uso di onde acustiche, le quali vengono fatte propagare attraverso le strutture di interesse e quindi rivelate in riflessione o rifrazione mediante opportuni sensori. Sono anche usati i metodi gravitazionali e magnetici per lo studio della geologia su larga scala e le tecniche di carotaggio per le informazioni su piccola scala. Tuttavia, tra questi due casi estremi, rimane un larghissimo margine di ricerca che è di esclusiva pertinenza dei metodi acustici. Questi ultimi utilizzano dispositivi che vanno dai tradizionali sonar ad alta risoluzione, che lavorano a qualche centinaio di kHz, ai cosiddetti trasduttori sismici, la cui banda di frequenza è limitata a pochi Hz. A seconda che si voglia esplorare il fondo marino in superficie o le strutture più profonde sotto di esso, vengono usati i dispositivi ad alta frequenza o quelli a bassa frequenza sopra menzionati. Le indagini sul fondo del mare e sullo strato sedimentario superficiale di esso sono di notevolissimo interesse non solo nel campo dell'ingegneria civile e della geotecnica, ma anche negli studi sull'ambiente marino in generale. Due terzi della superficie del nostro pianeta, cioè quella corrispondente al fondo degli oceani, potrebbe considerarsi come un continente perduto per l'uomo senza un efficace mezzo che ne permettesse una maggiore conoscenza mediante un monitoraggio e una mappatura continui. In questa direzione si stanno orientando gran parte dei progetti di ricerca europei sulle tecnologie marine, i quali mirano ad un miglioramento delle tecniche per la realizzazione di immagini del fondo del mare e per lo studio delle strutture sedimentarie.

Il Tursiops Truncatus, il classico delfino con il "naso a bottiglia", è dotato di un sofisticatissimo "sonar naturale". Nella parte frontale della testa una consistente massa di tessuto oleoso, il Melone, sembra fungere da lente acustica per la focalizzazione del fascio acustico, nonché da adattatore d'impedenza acustica.

Naturalmente, solo tecniche acustiche innovative, ad alta risoluzione, saranno in grado di offrire un mezzo efficace per distinguere piccole anomalie nei sedimenti, i quali sembrano avere un ruolo sempre più importante nei processi di eutrofizzazione e di inquinamento dell'ambiente marino. Nelle ricerche finalizzate allo studio delle strutture geologiche profonde, particolare attenzione è oggi rivolta verso le sorgenti acustiche ad alta potenza, dopo che l'uso degli esplosivi è stato quasi del tutto bandito dall'ambiente marino. Contestualmente alle ricerche di tipo tecnologico sulle sorgenti marine, sono proposte nuove tecniche digitali di elaborazione del segnale acustico riflesso da strutture inomogenee profonde. In particolare, gli studi sul tema della deconvoluzione del segnale hanno portato ad affrontare il concetto di "superrisoluzione", che offre ampi spazi di ricerca originale. Quest'ultimo è essenzialmente connesso al recupero di quelle bande di frequenza, nella serie dei segnali acustici riflessi, non osservate in ricezione per effetto del filtraggio dovuto alle caratteristiche congiunte della sorgente e del mezzo di propagazione. Sebbene la ricerca di geoacustica svolga gran parte della sperimentazione direttamente in mare, essa si basa spesso anche su test di laboratorio svolti in vasche opportunamente attrezzate per lo studio delle caratteristiche di propagazione di onde acustiche attraverso materiali aventi caratteristiche diverse. In particolare, si possono mettere a punto metodi per visualizzare la formazione e l'evoluzione di onde in mezzi stratificati che simulino particolari condizioni degli strati sedimentari del fondo marino.

Strettamente connesse con gli studi di geoacustica marina sono le ricerche di archeologia subacquea. La particolare posizione dell'Italia nel centro del Mare Mediterraneo, da sempre culla di grandi civiltà, pone il nostro Paese in una condizione di grande privilegio per le ricerche di archeologia subacquea. Il fondo del Mare Mediterraneo può considerarsi, infatti, uno scrigno ancora in gran parte inviolato e ricchissimo di reperti e relitti di immenso valore archeologico, rappresentativi di tutte le età dell'uomo, da quella paleolitica a quella attuale. Basti pensare che, limitatamente alle sole zone costiere, una carta dei relitti ancora esistenti e riconoscibili comprenderebbe decine di migliaia di segnalazioni.

Altro campo d'indagine assai promettente è costituito dalla bioacustica marina. Gli stimoli acustici costituiscono, per un grande numero di organismi viventi negli oceani, fonte di una notevole quantità di informazioni sull'ambiente che li circonda. Infatti, il mondo subacqueo è tutt'altro che silenzioso, data la grande varietà di organismi in grado di emettere suoni.

L'individuazione di specie subacquee acusticamente attive, lo studio delle caratteristiche dei suoni prodotti, delle relazioni tra segnali acustici e comportamento, costituisce uno degli argomenti della bioacustica marina, che si è andata sviluppando come campo di ricerca interdisciplinare di notevole attualità, interessando i biologi, i fisici, gli oceanografi e gli ingegneri. Per esempio, è stato osservato che i delfini possono emettere due tipi di segnali acustici: un segnale impulsivo nella gamma di frequenza degli ultrasuoni al di sopra di 100 kHz (analogo a quello generato dai dispositivi sonar costruiti dall'uomo) e un suono nella banda udibile (tra 1 e 10 kHz) simile ad un grido o lamento. Sembra che questi animali si avvalgano dell'uno o dell'altro tipo di segnale, a seconda che debba servire per individuare ostacoli e bersagli, oppure per le comunicazioni di relazione. Le ricerche condotte sul Tursiops truncatus, che è il classico delfino con il "naso a bottiglia", hanno rivelato l'esistenza nella testa di questo animale marino di un "sonar naturale" dove viene generato il segnale ultrasonoro che, dopo un'opportuna elaborazione, viene inviato verso la parte frontale della testa. Qui è collocata una consistente massa di tessuto ricco di sostanze oleose, il melone, che sembra fungere da lente acustica per la focalizzazione del fascio acustico, nonché da adattatore d'impedenza acustica. Altro esempio ci è offerto dalle balene, le quali vivono spesso in branco, ma anche quando viaggiano sole possono mantenere i contatti con i loro simili emettendo suoni a bassa frequenza che si trasmettono attraverso l'acqua anche a distanze superiori a 150 km. L'individuazione di specie acusticamente attive può costituire un indice della qualità dell'ambiente, integrando i metodi tradizionali di controllo dell'ambiente stesso. Questi studi, oltre che d'importanza per la ricerca fondamentale nel campo della biologia marina, possono portare valide idee nel settore della tecnologia dei trasduttori marini, permettendo di sviluppare nuovi dispositivi marini sulla base di modelli bionici, suggeriti dall'osservazione dei meccanismi di generazione e rivelazione delle onde acustiche da parte degli animali marini.

Le ricerche nel campo delle comunicazioni subacquee si sono sviluppate enormemente dopo la seconda guerra mondiale a seguito degli sforzi scientifici e tecnologici stimolati dalle necessità militari del momento. Oggi la necessità di esplorare il mare per usi civili, ma soprattutto l'orientamento degli scienziati, rivolto sempre più verso studi di carattere ambientale e minerario, ha portato ad un affinamento assai avanzato delle tecniche relative a tale campo d'indagine. Sebbene le onde acustiche costituiscano il vettore di informazione insostituibile per le comunicazioni subacquee, il mare, inteso come mezzo di trasmissione, è assai lungi dall'essere il mezzo ideale per la propagazione di esse. Il mare, infatti, non è un mezzo uniforme a causa della presenza di zone di varia densità. I suoi parametri fisici principali come temperatura, salinità, pressione, variano nel tempo in maniera assai complessa in relazione ad una quantità di fattori, tra i quali anche quelli atmosferici. Tutti questi fattori limitano, inevitabilmente, l'efficacia di una comunicazione acustica subacquea; pertanto, lo sforzo maggiore della ricerca in tale campo è devoluto allo studio del mezzo marino in tutti i suoi aspetti. Contestualmente all'approccio analitico di questa ricerca ed in parallelo ad essa, si sviluppano ricerche a carattere applicativo direttamente connesse con le tecnologie relative ai sistemi di trasmissione e ricezione di onde acustiche e ai dispositivi per lo studio del mezzo marino nei suoi aspetti principali. L'attuale tendenza in questo campo è quella di studiare una nuova generazione di trasduttori marini in grado di trasmettere onde acustiche il più lontano possibile. Poichè nell'acqua marina l'attenuazione del suono è direttamente proporzionale al quadrato della frequenza, una soluzione potrebbe essere quella di progettare idonei dispositivi a bassa frequenza e contestualmente cercare di elevare la potenza delle onde acustiche generate. Per quanto concerne il primo aspetto del problema, questo comporterebbe, nella maggior parte delle tecnologie tradizionali, la necessità di progettare sistemi di dimensioni così grandi da renderli in pratica inutilizzabili; inoltre, un segnale privo di alte frequenze diminuirebbe il suo potere risolutivo e quindi il suo contenuto d'informazione. Ciò è chiaramente dimostrato dalle ricerche sul sistema di ecolocalizzazione del delfino che sfrutta componenti acustiche ad alta frequenza e, quindi, di breve lunghezza d'onda, per creare "immagini acustiche" ad elevato potere risolutivo, consentendo all'animale di individuare anche bersagli di piccole dimensioni. Nel campo delle alte potenze si sta attualmente lavorando ad un progetto europeo promosso dall'Istituto di Acustica "O.M.Corbino" del CNR che mira alla realizzazione di un ecografo marino ad alta risoluzione impiegante trasduttori sparker paraboloidali. Esso è basato sull'implosione di "bolle" di vapore generate mediante sparker nel fuoco di paraboloidi metallici. Il segnale acustico così generato ha uno spettro assai ampio e, soprattutto, ricco di componenti ad alta frequenza ed allo stesso tempo ad alta potenza. Tale tipo di trasduttore, che usa una tecnica completamente diversa da quella impiegata nei tradizionali dispositivi sonar, sembra essere promettente proprio per il fatto di poter generare un segnale con un meccanismo simile a quello naturale impiegato dal delfino. Infatti, recenti ricerche sembrano dimostrare che il segnale di ecolocalizzazione del Tursiops truncatus sia generato dall'implosione di bolle all'interno dell'organo posto nel lato anteriore della testa dell'animale e, successivamente, elaborato nel melone. Tra tutti gli strumenti finora costruiti dall'uomo per gli studi del mare, i sistemi sonar sono tipici esempi di dispositivi il cui ulteriore avanzamento potrebbe avere una decisiva svolta solo quando gli scienziati svelassero perfettamente i segreti del biosonar del delfino.