Materiali e metodi
Tartarughe studiate
In questo studio sono state analizzate le rotte di due femmine di tartaruga liuto equipaggiate con delle trasmittenti (PTT) collegate al sistema satellitare Argos (vedi dopo) durante la nidificazione nella “Maputaland Marine Reserve” (KwaZulu-Natal, Sud Africa). La tartaruga chiamata Imola (29359) è stata seguita nel 2002, mentre la tartaruga chiamata Sara (18262) è stata seguita nel 2003 (tab. 2).
Sono state prese in considerazione anche le rotte delle tartarughe liuto nidificanti nella stessa riserva marina seguite da un gruppo di ricerca del Dipartimento di Biologia dell’Università di Pisa negli anni dal 1996 al 2001 (fig. 6). Per dettagli su questi animali e una descrizione dettagliata delle rotte vedere Hughes et al. 1998, Luschi et al. 2003a, b, Luschi et al. 2006a, b.
Tabella 2. Caratteristiche delle due rotte di Dermochelys coriacea seguite tramite Tartaruga Sito e data di
rilascio
Primo Fix Durata
Tracking Ultimo Fix
Km Percorsi
(in giorni)
29359 Sud Africa, 15 gennaio 2002, 59 15 marzo 2002, 4708
13 gennaio 2002 ore 00:46 ore 4:00
18262 Sud Africa, 29 gennaio 2003, 168 16 luglio 2003, 8643
Telemetria satellitare
La telemetria satellitare è un ottimo strumento per lo studio degli animali che si muovono su lunghe distanze ed è applicabile a quegli animali marini, come le tartarughe, che emergono in superficie per respirare. L’unico sistema attualmente utilizzabile per la telemetria via satellite è quello gestito dalla compagnia franco-americana Argos (French 1994) le cui tecniche sono state messe a punto alla fine degli anni ‘70 e sono state utilizzate per la prima volta in campo zoologico negli anni ’90 (vedi ad esempio Jouventin & Weimerskirch 1990).
Argos è un sistema di sette satelliti in grado di localizzare qualsiasi animale o oggetto inanimato, dotato di un trasmettitore satellitare (denominato PTT, Platfrom Trasmitter Terminal), durante i suoi spostamenti sulla Terra. Esso può inoltre raccogliere dati ambientali grazie a sensori annessi ai trasmettitori stessi (Taillade 1992, 1998; French 1994; Priede 1992). Il sistema è nato alla fine degli anni ‘70 mediante un accordo tra il CNES (Centre National d’Etudes Spatiales, agenzia spaziale francese) , la NASA (National Aeronautics and Space Administration) e la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration, USA).
Attualmente, circa 6000 trasmettitori operano per una grande varietà di applicazioni. I 7 satelliti TIROS, posti in orbita polare (POES - Polar Orbiting Environmental Satellites), forniscono una copertura globale ruotando attorno alla Terra dal polo nord al polo sud a circa 850 Km di altezza (ARGOS 1992) (fig. 7).
Figura 7. Schema del funzionamento del sistema di telemetria satellitare Argos. Le emissioni a 401.650 MHz di ciascun PTT (freccia tratteggiata) sono ricevute da uno dei satelliti TIROS in orbita terrestre che scaricano i dati ricevuti alle stazioni di ricezione a terra tramite emissioni con frequenza di 136.770 MHz (frecce rosse). I due centri di elaborazione calcolano la posizione del PTT e inviano i dati ottenuti agli utenti (frecce blu).
Ogni satellite completa una rivoluzione attorno alla Terra in circa 101 minuti coprendo una fascia larga circa 5000 Km a terra (fig. 8).
Figura 8. Visibilità del satellite
A causa della natura polare delle orbite seguite, il numero di passaggi giornalieri che ciascun satellite effettua sopra uno stesso luogo sulla Terra aumenta con la latitudine: si passa dai 6-7 passaggi al giorno all’equatore ai 14 sui poli. La durata della visibilità del trasmettitore da parte del satellite è la “finestra” durante la quale il satellite può ricevere messaggi dalla trasmittente. Tale finestra dura circa 10 minuti. I satelliti ricevono segnali di frequenza stabile intorno ai 401.65 MHz, provenienti dai trasmettitori radio, applicati all’animale da seguire. Sono disponibili differenti modelli di PTT, che possono essere equipaggiati con sensori in grado di registrare vari tipi di dati ambientali e biologici, e che sono configurati in dimensioni, peso e potenza in accordo con il loro scopo di applicazione.
Le basse altitudini di orbita dei satelliti permettono la ricezione di segnali piuttosto deboli (< 1W) e quindi permettono l’uso di PTT piccoli con piccole batterie e una durata prolungata. Il trasmettitore emette un
segnale radio ad intervalli di tempo precisi che vanno da 45 a 200 secondi.
Numerose stazioni a terra ricevono i segnali registrati dai satelliti e spediscono i dati ad una delle due stazioni di terra situate negli Stati Uniti e in Francia. Queste stazioni elaborano in tempo reale i dati trasmessi dai satelliti, ordinando i dati cronologicamente, identificando il numero del trasmettitore e determinandone la posizione.
I dati codificati estratti dal dataset dei satelliti sono poi riferiti ai Global Processing Centers (GPCs) a Landover (USA) e a Tolosa (Francia) che li archiviano. Infine i risultati sono resi disponibili ai vari utenti online (ARGOS 1992).
Per localizzare un PTT ovunque sulla Terra, Argos misura l’effetto Doppler derivante dal movimento relativo del satellite e del trasmettitore. Comparando la frequenza del segnale ricevuto con la frequenza nominale di 401.65 MHz, il sistema è in grado di calcolare lo shift nella frequenza di trasmissione. Rispetto alla frequenza nominale, la frequenza misurata dal satellite è maggiore quando il satellite si avvicina al PTT, mentre è minore quando il satellite si allontana (ARGOS 1992). Dopo aver ricevuto almeno due segnali durante un singolo passaggio del satellite sopra il PTT, viene misurato l’ammontare dello shift e stabilita la posizione del trasmettitore. Ogni localizzazione (fix) così ottenuta ha una differente accuratezza che dipende da alcuni parametri tra cui il più importante è il numero di contatti registrati durante un singolo passaggio del satellite. In accordo con questo, ad ogni fix è assegnato un livello di accuratezza classificato in sei “Location Classes” (L.C.) (tab. 3).
CLASSE DI ACCURATEZZA
Classe (L.C.)
Accuratezza stimata in latitudine e longitudine
3 ≤150 metri
2 150 metri < accuratezza < 350 metri 1 350 metri < accuratezza < 1000 metri
0 > 1000 metri
A nessuna stima
B nessuna stima
Z localizzazione invalida
Tabella 3. Argos assegna una classe di accuratezza (LC) ai vari fixes ottenuti: le LC da 0 a 3 sono quelle più accurate. Per le classi A e B l’accuratezza non può essere stimata e l’attendibilità del fix è lasciata agli utenti. Con Z sono indicate le localizzazioni non valide.
La qualità del tracking varia in relazione a dove si trova il soggetto da seguire e alla durata di emersione dell’animale. Infatti è importante considerare che i fix non possono essere ottenuti quando il PTT si trova sotto alla superficie del mare. Questo significa che animali che vivono costantemente sott’acqua non possono essere studiati mentre animali marini che sono soliti venire in superficie per respirare (es. pinnipedi, cetacei e tartarughe marine) possono essere seguiti sincronizzando le emissioni del PTT con le emersioni dell’animale. Per lo studio di questi animali marini (tra cui le tartarughe marine) sono stati sviluppati PTT adatti a resistere ad alte pressioni idrostatiche e dotati di interruttori (salt-water switch) che interrompono la trasmissione quando la tartaruga è in
immersione e limitano le emissioni ai periodi in cui gli animali emergono (che solitamente costituiscono meno del 10% del totale del tempo). Per lo studio delle tartarughe, durante il corso degli anni sono stati sviluppati modelli di PTT sempre più adatti ad essere attaccati al carapace, sicuri per la salute degli animali e fatti in modo da esercitate una minima resistenza idrodinamica (Watson & Granger 1998). Comunemente i PTT sono attaccati al carapace per mezzo di speciali colle, resine e strati di fibra di vetro (Liew et al 1995, Balazs et al. 1996, Papi et al. 1997, Godley et al. 2002). Visto che la tartaruga liuto è sprovvista di un vero e proprio carapace osseo, alle tartarughe oggetto del presente studio sono state invece applicate apposite imbracature costituite da 4 corde elastiche unite tramite delle fibbie a delle fasce di tela plastificata che si congiungono su di una base piatta (Eckert & Eckert 1986). Su tale base viene fissato il PTT tramite dei collanti a presa rapida e delle fascette di plastica fatte passare attraverso fori praticati sulla base stessa. L’imbracatura viene poi posizionata sull’animale in modo da fissare il trasmettitore sulla parte superiore del carapace (fig. 9).
Figura 9. Esemplare di tartaruga liuto sudafricana con imbracatura e PTT
Tutto questo permette di raggiungere una buona estensione della durata del tracking, nei casi migliori fino all’esaurimento delle batterie.
Anche se spesso le localizzazioni di L.C. A e B dominano nei dati ricevuti, le informazioni che si ottengono sono comunque sufficienti per ricostruire i movimenti su lunga distanza eseguiti dalle tartarughe durante le loro migrazioni in mare aperto.
Le due tartarughe liuto seguite nel 2002 e nel 2003 sono state equipaggiate con degli speciali PTT detti SRDL (Satellite Relay Data Loggers), costruiti dal Sea Mammal Research Unit, dell’università di St. Andrews, UK (fig. 10).
Figura 10. PTT SRDL utilizzati per l’esperimento
Questi trasmettitori emettono un segnale ogni 50 secondi durante i periodi di emersione dell’animale, mentre quando la tartaruga si trova sott’acqua il salt-water switch chiude il circuito impedendo la trasmissione che sarebbe comunque inutilizzabile dal sistema satellitare per la localizzazione. Essi inoltre sono dotati di un sensore di pressione che permette di registrare la profondità di nuoto dell’animale e di un software di bordo in grado di calcolare il numero e la durata delle immersioni.
Filtraggio dei dati di localizzazione
Le localizzazioni ottenute dal sistema Argos (tecnicamente chiamate fix) sono state utilizzate per definire la rotta che le tartarughe hanno seguito
durante i loro spostamenti post-riproduttivi. Come prima cosa sono state eliminate quelle localizzazioni chiaramente erronee che risultavano sulla terraferma. E’ stata quindi stimata la velocità di spostamento rispetto al terreno tenuta dalle tartarughe, calcolando il rapporto tra la distanza in linea retta fra localizzazioni successive e il tempo impiegato dalle tartarughe per coprirla. Successivamente è stata stimata la velocità delle tartarughe considerando solo i fix di buona qualità (classi 1-3) in modo da avere un valore soglia da utilizzare nel successivo processo di filtraggio dei dati. In base a questi dati e a quelli trovati in letteratura (Hughes et al. 1998, Keinath & Musick 1993) tutte le localizzazioni che implicavano che le tartarughe si fossero spostate con velocità maggiori di 10 km/h sono state scartate. Con le localizzazioni selezionate sono state ricostruite le rotte, utilizzando come percorso seguito dalle tartarughe l’insieme dei segmenti rettilinei che uniscono i fix tra loro a due a due in ordine temporale.
Per le analisi delle velocità notturne e diurne delle tartarughe sono stati usati solamente dati relativi a periodi che fossero completamente contenuti all’interno del dì o della notte. Il dì è stato considerato iniziare alla fine del crepuscolo nautico e finire all’inizio del tramonto nautico e viceversa per la notte. Il tutto è stato valutato sulla base delle effemeridi nautiche.
Analisi dei parametri oceanografici
Nel corso di questo studio sono stati esaminati dati oceanografici di tipo fisico dal momento che la loro integrazione con i dati di tracking fornisce informazioni essenziali sul corso generale e sulle variazioni della circolazione oceanica nelle aree attraversate dalle tartarughe liuto. Le
tartarughe marine, incluse le tartarughe liuto, spendono gran parte della loro vita nella zona epipelagica (Sale et al. 2006). Questo studio ha quindi focalizzato l’attenzione su caratteristiche oceanografiche caratterizzanti i movimenti acquatici che avvengono nello strato più superficiale (100-150 m) della colonna d’acqua, che sono chiamate correnti superficiali.
Le moderne tecniche di remote sensing sono state essenziali per studiare i parametri oceanografici presi in considerazione. Esse hanno permesso di ottenere informazioni sull’andamento delle correnti principali e sulla presenza di eddies e di valutare il ruolo giocato da questi elementi nel condizionare il comportamento dell’animale (Le Traon & Hernandez 1992).
Correnti oceaniche e caratteristiche correlate:
L’acqua oceanica si muove incessantemente sia nel piano verticale che in quello orizzontale. Alcune correnti sono transienti e riguardano solo una piccola area, altre invece sono permanenti e coinvolgono una maggiore parte di oceano. Gli oceanografi definiscono le correnti come masse d’acqua in movimento caratterizzate da differenti proprietà chimiche e fisiche, e capaci di coprire lunghe distanze (Kump 2004). Le forze dominanti che agiscono in verticale sono la forza di gravità e il gradiente di pressione verticale. In orizzontale, escluse le forze di marea che hanno un piccolo effetto sulle proprietà a lungo termine dell’oceano, la circolazione oceanica è guidata da due fattori principali: il gradiente termoalino e la forza del vento (Gross & Gross 1996). Anche i continenti esercitano la loro influenza, deviando i movimenti dell’acqua con la loro presenza passiva.
Le molecole d’acqua del mare, e qualunque altro oggetto in movimento dalla forza del vento, subiscono una deviazione rispetto alla direzione del
loro moto: verso destra nell’emisfero boreale e verso sinistra nell’emisfero australe. Questo fenomeno è noto come “effetto di Coriolis” ed è causato dalla rotazione della terra verso E. Esso è estremamente importante dal momento che costituisce uno dei fattori principali nella definizione della circolazione oceanica. L’effetto di Coriolis dipende dalla velocità della particella in movimento e dalla latitudine: è nullo all’equatore e massimo ai poli.
Le correnti di gradiente sono generate dalle variazioni di densità esistenti in ampi tratti di mare. Le acque meno dense occupano più spazio, per unità di massa, di quelle più dense: a causa di questo, la superficie marina sopra l’acqua meno densa starà più in alto rispetto a quella sopra l’acqua più densa. Questo fenomeno, insieme alla differenza del livello del mare derivante dall’effetto dei venti e dalla presenza dei continenti, fa sì che la topografia della superficie marina sia caratterizzata da anomalie altimetriche (Gross & Gross 1996; Stewart 2003) e da flussi di acqua dalle zone di livello marino maggiore a quelle di livello minore. Su questi moti oceanici agisce anche la sopracitata forza di Coriolis e il flusso risultante dall’equilibrio tra questa forza e quella di gradiente orizzontale viene definito corrente geostrofica (Gross & Gross 1996, Tomczak & Godfrey 2001, Stewart 2003). È definita velocità geostrofica la velocità del flusso geostrofico. Più è intenso il gradiente orizzontale e più alta sarà la velocità geostrofica. I valori di velocità geostrofica forniscono informazioni sull’intensità e la direzione di flusso delle correnti, consentendo una ricostruzione affidabile della circolazione oceanica superficiale.
Un altro importante aspetto delle correnti geostrofiche riguarda la circolazione intorno ai vortici (eddies), instabilità idrodinamiche che si formano in scia alle correnti o sono generate dai venti (Kump et al. 2004). Sono molto comuni in tutto l’oceano, specialmente in associazione con le correnti (es. corrente di Agulhas). Gli eddies possono persistere per mesi
o settimane e possono essere larghi da decine a centinaia di km (Stewart 2003). Essi penetrano in profondità e trasportano calore, sali e nutrienti tra gli strati della colonna d’acqua (Falkowski et al. 1998, Miller 2003). La circolazione attorno ai centri di bassa pressione (zone di convergenza) è detta ciclonica, quella attorno ai centri di alta pressione (zone di divergenza) è detta anticiclonica, indipendentemente dall’emisfero considerato. Il movimento ciclonico è antiorario nell’emisfero boreale e orario in quello australe. Il movimento anticiclonico è orario nell’emisfero boreale e antiorario in quello australe (fig. 11).
Figura 11. Diagramma schematico rappresentante la circolazione geostrofica attorno a centri di alta pressione (HP) e bassa pressione (LP) nell’emisfero nord e sud rispettivamente. Nell’emisfero nord le aree cicloniche (in blu) hanno una circolazione anti-oraria, mentre le aree anticicloniche (in rosso) hanno una circolazione oraria. Sotto l’equatore le direzioni di rotazione si invertono.
Remote sensing
Con remote sensing si intende l’insieme delle tecniche che consentono di ottenere informazioni riguardanti i parametri fisici, chimici e biologici che caratterizzano la superficie terrestre e l’atmosfera, senza entrare in contatto fisico diretto con esse (Avery & Berlin 1992, Sabins 1997). Il comportamento delle tartarughe liuto studiate è stato valutato in relazione ad alcuni parametri oceanografici dell’area attraversata, investigati tramite dati di remote sensing, ottenuti da vari satelliti in orbita terrestre in grado di rilevare e misurare alcuni fenomeni della superficie terrestre e dell’atmosfera tramite appositi sensori. Questi sensori sono apparecchiature sensibili alle varie forme di energia elettromagnetica, quali la luce (macchine fotografiche e scanner), il calore (scanner termici) e le onde radio (radar), e possono anche misurare l’energia radiante di lunghezze d’onda al di fuori del range della visione umana (ultravioletto, infrarosso, microonde). Il prodotto finale di un sistema di remote sensing è spesso un’immagine digitale o una fotografia, che deve essere sottoposta a tecniche di elaborazione che la rendono fruibile ad una lettura visiva immediata, in genere sottoforma di mappe tematiche a falsi colori (fig. 12).
I dati di remote sensing utilizzati nel presente lavoro sono quelli relativi alla variazioni dell’altimetria oceanica (indice della formazione di vortici di corrente) e alle variazioni della velocità geostrofica delle correnti, utilizzati anche per evidenziare il flusso delle correnti principali e l’influenza di queste sulle rotte degli animali.
Figura 12. Esempio di mappa tematica a falsi colori che illustra le anomalie altimetriche dell’oceano nell’emisfero boreale , registrate tramite i satelliti altimetrici. In rosso sono rappresentate anomalie positive che indicano vortici di corrente anticiclonici di verso orario. In blu sono indicate anomalie negative, che rappresentano vortici di corrente ciclonici di verso antiorario.
(http://argo.colorado.edu/~realtime/welcome/)
Anomalie altimetriche di superficie (SSHA)
Nel 1992 un accordo tra la NASA e la CNES francese ha permesso la messa in orbita del satellite TOPEX/Poseidon per studiare le correnti oceaniche. Da allora il satellite provvede ad una continua mappatura della topografia globale della superficie marina, tramite la quale si possono ottenere utili informazioni sulle variazioni nel decorso generale delle correnti più importanti. Queste informazioni possono essere ottenute sempre, anche in presenza di nuvole. L’altimetro associato al satellite invia impulsi di radio-microonde alla superficie terrestre, calcolandone l’altezza in base al tempo impiegato dal segnale per ritornare allo strumento. Applicato agli oceani questo sistema permette di rilevare le differenze di altezza della superficie del mare, dovute principalmente alle variazioni della forza di gravità terrestre e all’attrazione gravitazionale del
Sole e della Luna. L’altezza dell’oceano varia continuamente al variare del profilo delle correnti e i satelliti registrano tali cambiamenti come differenze tra misurazioni svolte ad ogni passaggio (Le Traon & Dibarboure 2004). Le anomalie dell’altimetria oceanica forniscono quindi un’indicazione sulle variazioni temporali del corso principale delle correnti, come la formazione di vortici o di meandri di corrente (Chelton et al. 2001). I dati a cui è stato fatto riferimento sono stati rilevati dal satellite Topex/Poseidon e resi disponibili in rete dal sistema IGOSS (Integrated
Global Ocean Services System) al sito
http://argo.colorado.edu/~realtime/welcome/. Si tratta di valori medi di dati registrati in periodi di dieci giorni (il satellite passa sopra lo stesso punto a terra ogni 10 giorni circa), con una risoluzione spaziale di 0.5° di latitudine e longitudine.
Ad ottobre 2005 la missione di TOPEX/Poseidon è terminata e il veicolo spaziale è stato rimpiazzato dal satellite Jason-1, il quale provvede a fornire i dati altimetrici tramite strumenti più aggiornati.
Figura 13. Immagine di anomalie altimetriche nell’emisfero sud.
Le anomalie positive (di colore rosso nelle immagini) rappresentano un aumento del livello della superficie marina rispetto ad un livello di riferimento e sono spesso associate a vortici anticiclonici. Le anomalie negative (di colore blu nelle immagini) rappresentano invece una diminuzione dell’altezza della superficie del mare e sono in relazione con vortici ciclonici di senso orario (fig. 13).
AVISO significa Archiviazione, Validazione e Interpretazione dei dati oceanografici forniti dai satelliti (AVISO – Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic data). E’ un progetto messo a punto nel 1992 per processare, archiviare e distribuire i dati forniti dai
radar altimetrici a bordo dei satelliti della missione della NASA/CNES. Ad oggi il sistema fornisce varie informazioni quali:
- distribuzione dei dati registrati dai satelliti Topex/Poseidon, Jason-1, ENVISAT;
- distribuzione di informazioni in tempo reale mediante un sistema di supporto a terra (Ssalt/Duacs)
- previsioni della circolazione oceanica
- Informazioni altimetriche di oceani, mari e laghi - studio delle maree
- studi metereologici e atmosferici - previsioni climatiche
- studi geofisici
Tutte le informazioni sono ottenibili dal sito http://www.aviso.oceanobs.com.
Il Live Access Server (LAS) di AVISO è un’interfaccia grafica online creata per garantire libero accesso a dati scientifici georeferenziati. Questo server distribuisce molte informazioni riguardanti anomalie altimetriche, topografia dinamica assoluta e velocità geostrofica assoluta. Esso fornisce sia valori numerici di intensità e direzione delle velocità geostrofica sia immagini in cui sono rappresentati i vettori di velocità geostrofica (fig. 14).. I dati sono disponibili con risoluzione settimanale, per gran parte degli oceani e a partire dal 2001, presso il sito http://las.aviso.oceanobs.com/las/servlets/ (AVISO 2004; Rosmorduc et al. 2006). In questo studio le immagini di velocità geostrofica sono state utilizzate per rappresentare il flusso principale delle correnti (in particolare della corrente di Agulhas) e la loro velocità, permettendo così di
sovrapporre successivamente le rotte delle tartarughe alle regioni oceaniche di particolare interesse.
Figura 14. Immagine di vettori di velocità geostrofica (http://las.aviso.oceanobs.com/las/servlets/).
Elaborazione dei dati
I sistemi di informazione geografica (GIS - Geographic Information System) sono un insieme di hardware, software e dati geografici per catturare, analizzare e mostrare informazioni geograficamente interessanti (Delaney 1999). Questi software hanno permesso di integrare le informazioni oceanografiche con le traiettorie delle tartarughe.
Tutti i dati di localizzazione delle tartarughe sono stati elaborati con il software di analisi geografica Arc-View GIS 3.2. Anche le immagini di
remote sensing delle anomalie altimetriche dell’oceano e delle velocità geostrofiche utilizzate nell’analisi oceanografica delle rotte sono state georeferenziate con questo programma.
Per effettuare le analisi statistiche sui dati di tracking è stata fatta un’interpolazione dei fix delle tartarughe e della corrente, in modo da ottenere un fix ogni 24 ore, per entrambe le tartarughe seguite. Ciascun fix può essere considerato indipendente dai precedenti, dal momento che la corrente e la velocità di spostamento delle tartarughe dipendono di volta in volta dal luogo in cui si trovano in un dato momento.
Per confrontare il valore medio delle velocità delle correnti e di velocità di spostamento delle tartarughe è stata utilizzata la distribuzione T di Student. Questo test viene preferibilmente utilizzato quando i valori da analizzare risultano essere distribuiti come una variabile causale normale. Nel caso in cui invece i valori sono risultati distribuiti come una variabile causale non normale è stato preferenzialmente utilizzato il test U di Mann-Whitney. Questo test è una tecnica non parametrica utilizzata per confrontare le mediane di due campioni indipendenti tra loro in modo da verificare la significatività di una loro eventuale interdipendenza.
