Liceo Scientifico Galilei

La Terra, un pianeta in evoluzione

Le trasformazioni del nostro pianeta sono ormai un fatto accertato, con effetti sempre più intensi e complessi. Oltre ai fenomeni naturali ciclici come eruzioni, terremoti e maremoti, assistiamo a perturbazioni causate dall'uomo che stanno modificando l'ambiente a una velocità preoccupante. In particolare, i rapidi cambiamenti climatici sono una delle sfide più urgenti. L'aumento delle temperature medie globali, ampiamente dimostrato dalla scienza, sta innescando una serie di conseguenze a catena significative. Tra queste, spicca la forte riduzione di calotte polari e ghiacciai, che porta all'innalzamento del livello del mare, minacciando le coste e alterando ecosistemi delicati. Allo stesso tempo, l'aumento delle temperature e la maggiore frequenza di siccità prolungate creano condizioni ideali per la diffusione di grandi incendi. Questi eventi distruggono vaste aree boschive, causando perdita di biodiversità e rilascio di gas serra, e modificano il suolo, riducendone la capacità di assorbire anidride carbonica, il che aggrava ulteriormente il cambiamento climatico. È fondamentale capire che queste trasformazioni non sono isolate, ma connesse e interagiscono, amplificando i loro impatti sull'ambiente e sulla vita umana. Comprendere appieno la loro portata e complessità è il primo passo cruciale per adottare strategie efficaci e azioni concrete per mitigarne gli effetti e costruire un futuro più sostenibile. Il nostro progetto ha l'obiettivo di rendere tangibili e comprensibili alcune delle profonde trasformazioni ambientali che stanno plasmando il pianeta. Per fare ciò, useremo la potenza analitica e la prospettiva unica delle immagini satellitari, esaminando l'evoluzione del territorio in circa un decennio.

Se prima solo esperti potevano accedere e interpretare i dati satellitari, oggi chiunque può farlo, aprendo nuove possibilità per capire il nostro ambiente.

Un esempio di questa apertura è il Copernicus Data Space Ecosystem Browser. Questa piattaforma, parte del programma europeo Copernicus, è uno strumento chiave per monitorare costantemente il pianeta e i suoi delicati equilibri. Permette di visualizzare, scaricare e analizzare molti dati satellitari, dalle variazioni delle foreste allo scioglimento dei ghiacciai, dall'espansione urbana ai cambiamenti costieri. Analizzando immagini satellitari di periodi diversi, il nostro progetto mostrerà in modo visivamente efficace i cambiamenti in corso, quantificandone l'entità e fornendo una base solida per capire cause e potenziali conseguenze. Diffondendo i nostri risultati, speriamo di sensibilizzare un pubblico più ampio sull'urgenza delle sfide ambientali e sull'importanza del monitoraggio satellitare per proteggere il pianeta.

Crediamo fermamente che coinvolgere attivamente le giovani generazioni, a partire dalla scuola, sia cruciale per una sensibilizzazione efficace e duratura. Vogliamo creare un vero percorso formativo che coinvolga altri studenti. Desideriamo trasformare la nostra esperienza e conoscenza in uno strumento di apprendimento dinamico e partecipativo per i nostri coetanei. L'obiettivo finale è diventare noi stessi formatori, capaci di trasmettere alle nuove generazioni la consapevolezza delle sfide ambientali e di fornire loro gli strumenti per comprenderle a fondo.

• Raccogliere e analizzare dati digitali aperti, incluse immagini satellitari, relativi ai cambiamenti ambientali nelle aree di interesse
• Sviluppare competenze nell'utilizzo del linguaggio HTML per la creazione di un sito web dinamico
• Condividere il nostro percorso, i dati raccolti, le nostre analisi e considerazioni in modo chiaro e accessibile a tutti
• Sensibilizzare la comunità sull'importanza del monitoraggio ambientale e sull'impatto del cambiamento climatico
• Formare per formare acquisire le competenze necessarie per coinvolgere altri studenti in un percorso innovativo e dinamico

Abbiamo affrontato questo progetto come una vera startup! Questo significa:

• Divisione dei compiti ognuno di noi ha un ruolo specifico, mettendo a frutto le proprie capacità e imparando nuove competenze
• Collaborazione continua ci confrontiamo regolarmente, condividiamo idee e risolviamo insieme le sfide
• Mentalità "learning by doing" impariamo facendo, sperimentando e non avendo paura di commettere errori
• Progettazione iterativa il nostro sito web è in continua evoluzione, migliorando passo dopo passo grazie ai nostri progressi e feedback

• Computer con connessione a Internet
• Fotocamera digitale sensibile all'infrarosso

Abbiamo scelto di concentrarci su alcune aree chiave per osservare i cambiamenti in atto

• Ghiacciai monitoraggio della riduzione della massa glaciale attraverso immagini satellitari storiche
• Fiumi analisi delle variazioni del corso d'acqua e della qualità delle acque
• Foglie (Fenologia) studio dei cambiamenti nei cicli stagionali della vegetazione, come il germogliamento e l'ingiallimento delle foglie
• Incendi mappatura delle aree colpite e analisi degli impatti sull'ecosistema
• Eruzioni Vulcaniche osservazione degli effetti pre e post-eruzione, come la colata lavica e le emissioni di gas

Grazie al supporto della squadra di Visual Tech, stiamo imparando le basi del linguaggio HTML per costruire il nostro sito web. Questo sarà il cuore del nostro progetto, dove condivideremo

• La presentazione del progetto
• I dati grezzi e processari che abbiamo raccolto
• Le nostre analisi attraverso grafici,mappe interattive e visualizzazioni chiare
• Le nostre considerazioni e interpretazioni dei dati
• Un diario di bordo del nostro lavoro

Questo è solo l'inizio! Il prossimo anno saremo entusiasti di "assumere" nuovi compagni di classe per ampliare il nostro team e le nostre ricerche, portando il nostro percorso ad altri studenti anche di altre scuole. Inoltre, non vediamo l'ora di condividere i nostri risultati con la comunità durante un workshop presso una struttura come l’associazione Cultura e Sviluppo di Alessandria, creando un momento di apprendimento e confronto aperto a tutti.

Giovani, in gamba, determinati!

Noi siamo gli "Open Data Explorer", il team che ha deciso di prendere il pianeta ... sul serio! Siamo un gruppo di studenti con la testa tra le nuvole (quelle dei satelliti, ovviamente!) e i piedi ben piantati nella realtà dei dati digitali. Ecco una breve presentazione con le motivazioni che ci hanno spinto a intraprendere questo percorso e quello che in futuro ci piacerebbe fare

Giorgio, 3°B	Motivazione oltre che un generale interesse per le materie scientifiche in particolare fisica, la possibilità di prendere dimestichezza con alcuni server o software informatici ancora non noti. In futuro mi piacerebbe studiare fisica e lavorare nello stesso ambito, magari arrivando anche a prendere parte alla ricerca
Francesca, 4°C	Motivazione approfondire attraverso nuovi strumenti le conseguenze dei cambiamenti climatici e imparare nuovi metodi di analisi con l'aiuto dell'informatica
Rossella, 3°E	Motivazione capire come raccogliere dati, nel nostro caso immagini satellitari, studiarle ed elaborarle con programmi informatici e analizzarle dal punto di vista climatico. Cosa vorrei fare in futuro lavorare nell'ambito scientifico dove ci sia magari una parte in laboratorio ed una di raccolta di dati sperimentali sul campo
Salwa, 4°C	Motivazione conoscere nuovi strumenti di analisi dell'ambiente, come le immagini satellitari, e il loro uso abbinato alla programmazione
Paolo, 3°C	Motivazione ho scelto il corso per ottenere ore di PCTO e anche perchè mi interessavano sia l'informatica sia analizzare gli avvenimenti in diversi ambienti e in diversi periodi. Obiettivo per il futuro diventare un ingegnere
Sara, 4°C	Motivazione imparare ad analizzare dati con strumenti informatici con un'applicazione in un contesto concreto
Amedeo, 4°C	Motivazione comprendere l'evoluzione del nostro pianeta attraverso nuovi strumenti come le immagini satellitari
Ettore, 3°C	Motivazione per i crediti, PCTO e per le analisi dell'ambiente. Obiettivo per il futuro diventare un medico
Diego, 1°B	Motivazione capire come raccogliere dati tramite foto satellitari o altro, imparare a capirle e analizzarle ed elaborarle con programmi informatici e analizzarle dal punto di vista climatico.
Elia, 4°B	Motivazione imparare a raccogliere dati e immagini satellitari, elaborarle con programmi informatici per essere in grado di analizzare i risultati dal punto di vista ambientale. Cosa vorrei fare in futuro ingegnere elettronico e informatico/poliziotto
Brian, 1°E	Motivazione imparare nuove esperienze, crescita e aggiornamento continuo e per leggera passione. Per il futuro diventare ingegnere, elettricista, medico o programmatore
Pietro, 3°E	Motivazione perchè mi interessa l'argomento. Per il futuro diventare una guardia forestale o in generale un lavoro a contatto con la natura

I Nostri Prof!

• Gabriella, docente di fisica e matematica, appassionata del mondo digitale che esploro con entusiasmo dalla programmazione alle startup innovative; pertanto, ho accolto con interesse la proposta degli alunni nell'esplorare gli open data
• Luca, docente di matematica con una forte passione per l'informatica e le sue applicazioni, ho intrapreso l'entusiasmante compito di illustrare a un gruppo di studenti motivati le notevoli informazioni che le immagini satellitari possono offrire per la comprensione del nostro pianeta
• Andrea, imprenditore, Presidente di Visual Tech s.r.l., società di sviluppo software e consulenza informatica con sede in Tortona, sostenitore del ruolo centrale della formazione come motore di crescita per le persone e quindi della società

I Partner

• Visual Tech s.r.l. ci ha fornito le competenze e gli spazi per la realizzazione del sito web che descrive il progetto, presenta i suoi percorsi, raccoglie e presenta gli open data analizzati
• Cultura e Sviluppo ci ha offerto gli spazi per la presentazione del progetto e dei percorsi alla comunità

Un percorso di apprendimento

Al termine del progetto, ci aspettiamo di aver raggiunto i seguenti risultati concreti

• Competenze tecniche
  • Linguaggio HTML acquisire una solida base nella creazione e gestione di pagine web
  • Ricerca e gestione di dati aperti imparare a identificare fonti di dati affidabili, scaricarli, organizzarli e gestirli in modo efficace
  • Analisi di dati di base introdurre concetti fondamentali di analisi quantitativa e qualitativa per estrarre informazioni significative dai dati
  • Analisi di dati di base introdurre concetti fondamentali di analisi quantitativa e qualitativa per estrarre informazioni significative dai dati
  • Utilizzo di strumenti di visualizzazione dati apprendere come creare grafici, mappe e altre rappresentazioni visive per comunicare i risultati in modo chiaro
  • Nozioni di base sull'utilizzo di immagini satellitari comprendere come vengono acquisite le immagini satellitari e come possono essere utilizzate per monitorare i cambiamenti del territorio
• Competenze trasversali
  • Lavoro di squadra e collaborazione imparare a lavorare efficacemente in gruppo, a comunicare in modo chiaro, a condividere idee e a risolvere problemi insieme
  • Problem solving sviluppare la capacità di affrontare sfide tecniche e concettuali in modo creativo e metodologico
  • Pensiero critico imparare a interpretare i dati in modo oggettivo, a distinguere tra fatti e opinioni e a trarre conclusioni basate sull'evidenza
  • Comunicazione efficace migliorare la capacità di presentare idee e risultati in modo chiaro, conciso e coinvolgente, sia attraverso il sito web che durante il workshop
  • Gestione del tempo e organizzazione imparare a pianificare il lavoro, a rispettare le scadenze e a gestire le diverse fasi del progetto
  • Mentalità da "startup" sviluppare un approccio proattivo, flessibile e orientato alla soluzione dei problemi, tipico del mondo delle startup
• Conoscenze tematiche
  • Comprensione dei fenomeni del cambiamento ambientale approfondire la conoscenza delle cause e delle conseguenze dei cambiamenti che interessano ghiacciai, fiumi, foreste e l'attività vulcanica
  • Importanza dei dati digitali aperti per il monitoraggio ambientale comprendere il ruolo cruciale delle informazioni liberamente accessibili per la ricerca e la sensibilizzazione sulle tematiche ambientali
  • Connessioni tra fenomeni ambientali a diverse scale iniziare a comprendere come i diversi elementi del sistema Terra sono interconnessi e come i cambiamenti in una parte possono influenzare le altre

Un viaggio nella Scienza, tra il visibile e l'invisibile

L'energia elettromagnetica viaggia nella forma di onde con frequenze diverse. La frequenza di un'onda è correlata alla sua lunghezza d'onda: più breve è la lunghezza d'onda, maggiore è la frequenza e anche l'energia di un'onda. La frequenza è la caratteristica principale delle onde e quindi determina come l'onda interagirà con la materia. Gli oggetti assorbono specifiche lunghezze d'onda della luce e ne riflettono altre a seconda del materiale; per esempio, le piante assorbono la luce blu e rossa mentre riflettono la luce verde e questo è il motivo per cui esse appaiono verde all'occhio nudo. Le piante riflettono inoltre fortemente anche alcune parti della radiazione dell’infrarosso

Ogni oggetto ha la sua propria firma spettrale. Nell'immagine seguente si vede come ad una lunghezza d'onda di 2.1nm, sia il suolo sia la vegetazione riflettono la radiazione mentre l'acqua no. Guardando una banda capace di catturare la lunghezza d'onda di 2.1nm, si vedrà: il suolo brillante (la sua riflettanza è circa 50%), la vegetazione grigio-scura (riflettanza 20%), l'acqua nera (riflettanza 0%)

I satelliti che orbitano intorno alla terra montano dei sensori per specifiche lunghezze d’onda. Possiamo distinguere due tipi di satelliti: di tipo ottico e quelli radar. I satelliti ottici hanno sensori nello spettro del visibile, dell’infrarosso e alcune volte alla luce ultravioletta; i satelliti radar lavorano nello spettro delle microonde. Le immagini catturate dai sensori dei satelliti sono chiamate bande

La tavola seguente indica le bande con le corrispondenti lunghezze d'onda del satellite Sentinel-2

Gli occhi umani hanno tre tipi di recettori per colori in grado di rilevare le frequenze del rosso, del verde e del blu. I computer usano un modello di colori RGB con valori che vanno da 0 a 255 per ciascun colore.

Le bande Sentinel-2 sono denominate con B e un numero, ad es. B01, B08 o B12. Se guardiamo una singola banda satellitare, apparirà nella gamma di colori bianco e nero, chiamata scala di grigi. I valori più chiari rappresentano valori di riflettanza più elevati degli oggetti a terra, mentre valori più scuri rappresentano una radianza inferiore (la luce rilevata dal sensore). Per ottenere un'immagine a colori, dobbiamo crearla combinando tre bande inserendole nei canali rosso (R), verde (G) e blu (B). Ciò significa che la banda che scegliamo da inserire nel canale rosso apparirà rossa, quello nel canale verde apparirà verde e quello nel canale blu apparirà blu. L'immagine risultante è chiamata composita. Se inseriamo la banda B04 nel canale R, la banda B03 nel canale G e la banda B02 nel canale B, si ottiene un’immagine in true color. Se combiniamo diversamente queste bande oppure utilizziamo altre bande da inserire nei canali R, G e B, si otterrà un’immagine in false color. Riepilogando:

• ogni banda raccoglie una particolare informazione sulla riflettanza di una specifica lunghezza d’onda di luce
• le bande raccolte dal satellite sono in bianco e nero: valori chiari rappresentano valori di riflettanza maggiori mentre valori scuri rappresentano una riflessione minore (quindi maggiore assorbimento)
• le bande inserite nei canali R, G e B rendono colorata l’immagine composta per una migliore interpretazione
• utilizzando bande particolari e colorando la composizione in falso colore, si possono mettere in evidenza elementi altrimenti non visibili o meno evidenti

Nello studio delle immagini satellitari, un indice è una combinazione matematica di diverse bande spettrali acquisite dal sensore del satellite. Questa combinazione è progettata per evidenziare specifiche caratteristiche o proprietà della superficie terrestre, rendendo più facile l'analisi e l'interpretazione delle immagini satellitari. Di particolare interesse, è l’indice NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) utilizzato per stimare la quantità e la "salute" della vegetazione presente in una determinata area. Si basa sul principio che la vegetazione sana riflette molta energia nella banda del vicino infrarosso (NIR) e assorbe molta energia nella banda del rosso (RED) dello spettro elettromagnetico a causa della presenza di clorofilla. La formula matematica per calcolare l'NDVI è

dove

• NIR è il valore di riflettanza nella banda del vicino infrarosso
• RED è il valore di riflettanza nella banda del rosso

In termini di bande del satellite Sentinel-2

Dalla Teoria alla Pratica

L'efficace analisi di immagini satellitari basata sulla combinazione di diverse bande spettrali presuppone una solida comprensione delle caratteristiche uniche di ciascuna banda. In questo contesto, per investigare lo stato di salute della vegetazione attraverso l'Indice di Vegetazione Normalizzato Differenziato (NDVI), abbiamo impiegato una fotocamera appositamente modificata per la sensibilità alle frequenze del vicino infrarosso. Grazie all'utilizzo di un filtro ottico selettivo, siamo stati in grado di isolare specificamente le bande del rosso e del vicino infrarosso, le quali sono fondamentali per il calcolo dell'NDVI e, di conseguenza, per l'evidenziazione della vegetazione foto-sinteticamente attiva. Questa precisa selezione spettrale ci ha permesso di focalizzare l'analisi esclusivamente sulle foglie delle piante in esame. È importante sottolineare che, in virtù della sensibilità spettrale delle bande selezionate e della metodologia applicata, il supporto di colore verde su cui le foglie erano adagiate (un banco) non è stato rilevato nè evidenziato dall'analisi spettrale. Questo dimostra la capacità della tecnica di discriminare tra la vegetazione viva (le foglie, ricche di clorofilla e quindi con un'elevata riflettanza nel vicino infrarosso) e altri elementi presenti nella scena, che presentano risposte spettrali differenti. L'approccio adottato garantisce quindi una valutazione mirata e precisa dello stato vegetativo

L'analisi di una specifica area geografica di interesse scientifico, ambientale o applicativo, esige un sistema di riferimento spaziale inequivocabile che ne consenta l'identificazione precisa e ripetibile nel tempo. A tal fine, diviene importante la definizione e la comunicazione della geometria dell'area di interesse attraverso l'impiego di coordinate geografiche standardizzate e di un linguaggio tecnico appropriato. L'adozione di tali convenzioni e strumenti garantisce la riproducibilità delle analisi, facilita la collaborazione e lo scambio di dati geografici, e contribuisce alla robustezza e alla trasparenza del processo analitico

Avvalendoci delle funzionalità avanzate di questa piattaforma di analisi geospaziale, abbiamo focalizzato la nostra attenzione su dinamiche ambientali che riteniamo di particolare rilevanza. Inizialmente abbiamo delimitato una precisa area geografica di interesse (AOI) e successivamente, sfruttando la capacità della piattaforma di elaborare dati multispettrali, abbiamo implementato una serie di script personalizzati. L'obiettivo di queste manipolazioni spettrali è duplice: da un lato, evidenziare eventuali variazioni ambientali significative intercorse nel corso degli anni; dall'altro, porre in risalto specifici fenomeni in atto, consentendo una loro più chiara identificazione e caratterizzazione. Seguono alcuni nostri studi

AOI: regione del Brasile {"type":"Polygon","coordinates":[[[-53.602295,-20.860095],[-54.143372,-20.860095],[-54.143372,-20.426369],[-53.602295,-20.426369],[-53.602295,-20.860095]]]}

AOI: regione della Croazia {"type":"Polygon","coordinates":[[[16.660767,43.466251],[16.559143,43.466251],[16.559143,43.535109],[16.660767,43.535109],[16.660767,43.466251]]]}

AOI: gruppo montuoso della Marmolada {"type":"Polygon","coordinates":[[[11.780777,46.414074],[11.780777,46.470971],[11.941109,46.470971],[11.941109,46.414074],[11.780777,46.414074]]]}

AOI: lago Tai-Hu, Cina Orientale {"type":"Polygon","coordinates":[[[119.788055,30.891619],[119.788055,31.564495],[120.673828,31.564495],[120.673828,30.891619],[119.788055,30.891619]]]}

AOI: Delta del Fiume delle Perle, Cina {"type":"Polygon","coordinates":[[[113.830032,22.533488],[113.547134,22.533488],[113.547134,22.776815],[113.830032,22.776815],[113.830032,22.533488]]]}

AOI: Stromboli {"type":"Polygon","coordinates":[[[15.183277,38.767201],[15.183277,38.814834],[15.247993,38.814834],[15.247993,38.767201],[15.183277,38.767201]]]}

AOI: ghiacciaio del Careser {"type":"Polygon","coordinates":[[[10.702701,46.445161],[10.702701,46.459294],[10.727291,46.459294],[10.727291,46.445161],[10.702701,46.445161]]]}