TROPOMAG

TROPOMAG - Influence of geomagnetic storms on the TROPOsphere dynamics: Can the Earth's MAGnetic field be considered a proxy of climate changes?

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Paolo Madonia

Obiettivi delle attività

Il Progetto studierà gli effetti delle variazioni del campo magnetico terrestre sull’atmosfera e le condizioni meteorologiche.

L’idea è quella di verificare se, come indicato da alcuni studi preliminari, si possano verificare incrementi di piovosità ed anomalie del campo barico vicino al suolo in concomitanza con tempeste geomagnetiche. Queste sono disturbi del campo magnetico terrestre, di durata compresa tra alcune ore e diversi giorni, prodotti da un incremento dell’accoppiamento tra il vento solare, la magnetosfera e la ionosfera.

Considerando che le tempeste sono frequenti ed intense in condizioni di elevata attività solare, a causa del frequente verificarsi di Eiezioni di Massa Coronale (CME) e CME interplanetarie, e che queste sono soggette a variazioni semi-annuali, con massimi equinoziali e minimi ai solstizi, la conferma di una possibile relazione tra i disturbi troposferici e cambiamenti nel campo magnetico terrestre potrebbe contribuire ad una migliore quantificazione delle sorgenti naturali di variabilità dell’atmosfera.

La quantificazione di questa variabilità è fondamentale nello studio delle tendenza climatiche e del ruolo che le sorgenti antropogeniche hanno su di esse, essenziale per elaborare strategie di mitigazione e previsioni più accurate sul clima futuro.

La variabilità meteorologica indotta da quella geomagnetica, con particolare riferimento alle tempeste geomagnetiche, può essere considerata come un modello in scala temporale accelerata di quelle che potrebbero essere le mutue interazioni tra il clima ed il campo magnetico terrestre su scale temporali più lunghe.

Abbiamo scelto di svolgere il progetto in aree vulcaniche attive, ed in particolare Etna, Stromboli, Vulcano e Vesuvio, estendendo il concetto di “attivo” ai sistemi vulcanici caratterizzati dalla sola attività idrotermale, comunque in grado di generare flussi significativi di materia ed energia dalla litosfera all’atmosfera. Questa scelta scaturisce dal fatto che i sistemi vulcanici attivi generano anomalie termiche ed emettono in atmosfera particelle solide e gassose, creando corridoi verticali che ne mettono in connessione i diversi strati.

La dinamica di questi flussi e quella del campo elettromagnetico terrestre possono influenzare il contenuto di vapore d’acqua della colonna atmosferica, a causa della natura elettricamente carica delle particelle emesse (molecole polari o ioni) e del campo elettrostatico generato dal particolato vulcanico. Questo processo crea un ponte elettromagnetico tra la bassa troposfera, elettricamente neutra, e l’alta ionosfera, che è invece elettricamente carica. È importante notare che vulcani come Etna e Vesuvio sono inseriti in vaste conurbazioni, permettendo così di valutare anche il possibile controllo antropico sui processi sopra descritti, come le correnti ascensionali generate dalle cosiddette “isole termiche urbane”, che sostengono il flusso verticale del particolato generato dall’uso dei combustibili fossili.

La variabilità del vapore d’acqua atmosferico sarà analizzata utilizzando fitte reti di rilevamento GNSS su periodi di osservazione pluriennali, mettendola in relazione con la variabilità del campo geomagnetico e l’attività solare. Sarà inoltre affrontato il tema dei cosiddetti disturbi ionosferici co-vulcanici (CVID), grazie alla fitta rete GNSS gestita dall’Osservatorio Etneo dell’INGV.

Nel raggiungimento di questi obiettivi applicheremo un approccio fortemente multidisciplinare, basato su metodologie applicate di tipo geofisico e geochimico, come l’analisi delle componenti troposferiche e ionosferiche del segnale GNSS influenzate dall’attività geomagnetica, e delle anomalie dei segnali meteorologici e geochimici acquisiti dalle reti di rilevamento operanti nelle aree vulcaniche di interesse.

Gli obiettivi del progetto includono attività di divulgazione scientifica, focalizzate sul bisogno, per la società in generale e per la scuola moderna in particolare, di affrontare con un approccio olistico il tema delle scienze della terra, focalizzando con efficacia le problematiche relative al cambiamento del clima ed alle sue conseguenze.

Unità di ricerca

Il Progetto sarà svolto da una singola unità di ricerca, allocata presso la Sezione di Roma 2 dell’INGV, composta dai seguenti 16 partecipanti:

Working Packages

Le attività previste saranno strutturate secondo 4 differenti Work Packages (WPs), suddivisi in task (T), articolati come segue.

TROPOMAG - Influence of geomagnetic storms on the TROPOsphere dynamics: Can the Earth's MAGnetic field be considered a proxy of climate changes?

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Paolo Madonia

Activity Objectives

This project will investigate the effects of changes of the Earth's magnetic field on the atmosphere and weather conditions. The idea is to verify preliminary studies according to which there could be increases in rainfall and atmospheric pressure anomalies, during the occurrence of geomagnetic storms, that are disturbances in Earth’s magnetic field, lasting from several hours to several days, and are produced by enhanced solar wind-magnetosphere-ionosphere coupling. Considering that the storms are frequent and intense at high levels of solar activity due to the frequent occurrence of Coronal Mass Ejections (CMEs) and Interplanetary CMEs and that they undergo a semi-annual variation, with equinoctial maxima and solstice minima, the confirmation of a possible relationship between tropospheric disturbances and changes in the Earth's magnetic field could contribute to a better quantification of natural sources of atmospheric variability. This is needed to attribute observed climate trends correctly and assess man-made effects on climate more precisely. Both are essential for developing mitigation strategies and for making accurate predictions of future climate. The meteorological variability induced by the geomagnetic field variability, with particular reference to geomagnetic storms, can be thought of as an accelerated time scale model of what could be the mutual interactions between the time-varying climate and geomagnetic field on longer time scales.

We decided to investigate active volcanic areas, and in particular Etna, Stromboli, Vulcano and Vesuvio;  included in the concept of “active”. Also, those volcanic systems are able to sustain a significant flux of energy/matter, from the lithosphere to the atmosphere, simply with hydrothermal activity. This choice is based on the consideration that volcanoes generate thermal anomalies and input in the atmosphere solid and gaseous particles, which create a vertical corridor connecting different atmospheric levels.

The dynamics of these fluxes and of the Earth’s electromagnetic field can influence the water vapour content of the atmospheric column, due to the electrically-charged nature of many of these particles (polar molecules or ions) and to the electrostatic field generated by the volcanic particulates. This process creates an electromagnetic bridge between the low, neutral troposphere and the high, electrically-charged ionosphere. It is worth noting that some of these volcanoes, as Etna and Vesuvio, are located inside wide conurbations, allowing us to evaluate the possible role of anthropisation in driving the studied processes, e.g the ascensional atmospheric currents linked to the “urban island” effect, sustaining the vertical flux of particulate, produced by fossil fuel combustion.

The water vapour variability will be analysed by using a dense permanent GNSS network over a long time period, so that possible relations with the variability of geomagnetic field and solar activity can be investigated.

Finally, a preliminary study to investigate the so-called co-volcanic ionospheric disturbances (CVID) will be performed, thanks to the dense GPS receiver network managed by INGV-OE.

For accomplishing these goals, we will use a strong multidisciplinary approach, based on applied geophysical and geochemical methodologies, as the analysis of the geomagnetically driven ionospheric and tropospheric components of the GNSS signal, geomagnetic field data and anomalies of geochemical parameters, are acquired in the ground-based monitoring networks of the studied volcanoes.

Objectives of this project include scientific outreach activity, which focuses on the need for the Society in general, and for modern School in particular, to embrace a holistic Earth system Science approach, in order to provide an effective tool to focus on climate change and its consequences.

Working Packages

Research Units

Unique research unit, seated at INGV – Sezione di Roma 2, composed of the following 16 participants:

Working Packages

Planned activities will be structured in 4 different Work Packages (WPs), subdivided in tasks (Ts). The general structure of the project will be articulated as follows.