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Lab_Clima (27)

Carotaggi Ambientali

Carotaggi ambientali per ricostruire il passato

Le ricerche condotte dalle ricercatrici e dai ricercatori afferenti al Laboratorio Ambiente e Clima si concentrano sull’analisi di carote di sedimento prelevate da laghi, torbiere, pianure costiere e ambienti marini e continentali, con l’obiettivo di ricostruire i cambiamenti ambientali e climatici del passato. Queste indagini rappresentano uno strumento fondamentale per comprendere la storia naturale e l’impatto delle attività umane nel tempo.

Ogni carota è una sorta di archivio naturale, capace di custodire informazioni stratificate su eventi climatici, modificazioni del paesaggio, evoluzione della vegetazione, dinamiche fluviali e marine, oltre a tracce delle attività antropiche. Analizzando in dettaglio la composizione litologica, la presenza di microfossili, i contenuti geochimici e i dati cronologici, è possibile ricostruire scenari paleoclimatici anche su scale millenarie.

Un laboratorio interdisciplinare tra geologia, archeologia e clima

Il lavoro di carotaggio si sviluppa attraverso diverse fasi:

  • Campionamento sul campo con attrezzature per carotaggi a gravità, a battuta o vibrocarotaggi in ambienti lacustri, deltizi o costieri.

  • Descrizione litostratigrafica e classificazione dei sedimenti secondo caratteristiche macroscopiche (colore, granulometria, strutture sedimentarie).

  • Analisi di laboratorio, tra cui:

    • Datazioni (radiocarbonio, OSL)

    • Analisi geochimiche e mineralogiche (XRF, spettrometria)

    • Studio del contenuto organico e fossile (pollini, foraminiferi, diatomee)

    • Analisi granulometriche e petrografiche

Queste attività sono svolte in collaborazione con diversi laboratori specialistici e con approccio interdisciplinare, integrando geologia, paleoclimatologia, ecologia storica e archeologia ambientale.

CORES – Una piattaforma digitale per gestire la complessità

Un aspetto centrale dell’attività di ricerca è la gestione strutturata dei dati derivanti dai carotaggi. Per affrontare le sfide legate all’archiviazione e alla condivisione di dati eterogenei, è stata sviluppata CORES (https://lca.dst.unipi.it/Cores/), una piattaforma open-source per la digitalizzazione e l’archiviazione collaborativa dei dati da carote sedimentarie.

CORES consente:

  • la rappresentazione digitale della stratigrafia,

  • l’associazione tra campioni e analisi (datazioni, geochimica, paleontologia, ecc.),

  • l’inserimento di immagini, schede descrittive e modelli 3D delle carote tramite fotogrammetria Structure from Motion,

  • la gestione collaborativa e la condivisione in formato aperto (CSV, JSON),

  • l’organizzazione dei dati per progetti, siti o aree geografiche.

Grazie a questa infrastruttura, la documentazione delle carote non è più un processo frammentato ma diventa un archivio dinamico, standardizzato e condivisibile, in linea con i principi FAIR (Findable, Accessible, Interoperable, Reusable).

Perché studiare le carote sedimentarie oggi

Capire come l’ambiente è cambiato in risposta a eventi naturali e pressioni antropiche è fondamentale per affrontare le sfide del futuro, dalla crisi climatica alla gestione sostenibile del territorio. I carotaggi forniscono dati unici per:

  • ricostruire la storia delle alluvioni e delle siccità,

  • comprendere le dinamiche costiere e la risalita del mare,

  • datare insediamenti umani e attività agricole,

  • interpretare l’impatto degli eventi estremi.

Il gruppo di ricerca della Prof.ssa Monica Bini contribuisce attivamente a progetti nazionali e internazionali su questi temi, partecipando a campagne sul campo in Italia, Africa e bacino del Mediterraneo.

Obiettivi e prospettive

Lo studio dei sedimenti non solo ricostruisce il passato, ma offre strumenti per affrontare sfide attuali: gestione delle risorse idriche, rischio idrogeologico, cambiamenti climatici.
Il Laboratorio Ambiente e Clima si impegna a produrre dati solidi, interoperabili e riutilizzabili, partecipando a progetti di ricerca nazionali e internazionali in contesti ad alta rilevanza geoambientale

 

Per approfondire

  • Piattaforma CORES: https://lca.dst.unipi.it/Cores/

  • Articoli recenti:

    • "The Paleo‐Serchio River: history of floods between Lucca and Pisa during the Roman period", Journal of Quaternary Science (2025)

    • "The human-driven ecological success of olive trees over the last 3700 years in the Central Mediterranean", Quaternary Science Reviews (2025)

Lago di Porta

I ricercatori del Laboratorio Ambiente e Clima hanno recentemente presentato i risultati preliminari di uno studio multidisciplinare sul Lago di Porta, un’area umida costiera di notevole valore ambientale, inserita nella rete Natura 2000 come Zona di Protezione Speciale (ZPS).

La ricerca si inserisce nell’ambito di un accordo biennale di collaborazione scientifica tra il Dipartimento e i Comuni di Montignoso e Pietrasanta, firmato nel gennaio 2024, con l’obiettivo di approfondire la conoscenza del lago e della sua evoluzione climatico-ambientale, e fornire strumenti operativi per supportare la tutela e una gestione sostenibile dell’area umida.

Le attività hanno riguardato lo studio di alcuni elementi geomorfologici e idrologici che possono influenzare lo stato di salute della vegetazione palustre. In particolare, lo studio ha esaminato la relazione tra la profondità e lo spessore della lettiera organica, la morfologia del substrato clastico e i livelli idrici, con l’intento di comprendere come tali fattori incidano sulla permanenza e distribuzione del canneto.

L’analisi delle condizioni idrometriche attuali, comprese quelle che si presentano nelle diverse stagioni, è stata integrata con la simulazione di scenari ipotetici ricostruiti al variare del livello idrico, utili a prevedere possibili evoluzioni del sistema lacustre. È stato inoltre installato un sensore per il monitoraggio in continuo del livello dell’acqua che sarà utile ad interpretare le variazioni idrometriche a diversa scala temporale e ad indagare i processi idrologici in atto.

Parallelamente, è stato eseguito un carotaggio ad alta risoluzione per lo studio della successione sedimentaria, che copre un arco temporale di quasi 5.000 anni. Le analisi chimiche, stratigrafiche e polliniche dei sedimenti consentiranno di ricostruire l’evoluzione climatico-ambientale dell’area e gli effetti degli impatti antropici nel tempo.

Lo studio, condotto da Dott. Marco Lazzarotti e Dott. Jordan Palli e coordinato dalla Prof.ssa Monica Bini, si propone di fornire indicazioni per la tutela e valorizzazione di ecosistema tanto fragile quanto prezioso. 

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FENICE

Il progetto FENICE (Mitigare gli effetti dei cambiamenti climatici sulle pianure alluvionali con l’utilizzo di data science) nasce da un finanziamento della Regione Toscana, del Consorzio di Bonifica 4 Basso Valdarno e dell'azienda TerreLogiche (CUP I53C23000710009). 

Il progetto si concentra sull'ottimizzazione della gestione delle risorse idriche nella Bassa Valdarno, utilizzando tecniche di machine learning e big data per creare modelli climatici a lungo e medio termine. L'obiettivo è migliorare l'efficienza degli impianti idrovori, ridurre il dispendio di risorse e energia, e prevenire rischi idraulici in un contesto di cambiamenti climatici e crisi idrica. Prevede anche la formazione di personale e la creazione di una rete di monitoraggio low-cost per raccogliere dati ambientali e supportare la pianificazione territoriale, con applicabilità futura a altri consorzi di bonifica.

I territori controllati dai consorzi di bonifica affrontano sfide legate alla gestione delle idrovore, che abbassano il livello della falda per prevenire allagamenti, ma che possono anche causare siccità e danneggiare gli ecosistemi delle zone umide. I cambiamenti climatici aggravano questi problemi, con periodi di siccità e eventi alluvionali intensi. Le decisioni su quando e quanto attivare le idrovore sono spesso basate su protocolli obsoleti, causando spreco di risorse idriche ed energetiche, subsidenza e intrusione salina. Manca una gestione dinamica e basata su dati climatici aggiornati, il che rende difficile una corretta pianificazione territoriale.
Il progetto mira a analizzare variabili climatiche (precipitazione, temperatura, idrometria) nella pianura costiera del Consorzio di Bonifica 4, integrando dati forniti da enti locali e storici. Utilizzando tecniche di machine learning, il progetto svilupperà previsioni climatiche a breve e lungo termine. Verrà creata una rete di sensori low-cost per monitorare variabili ambientali (idrometria, temperatura, umidità del suolo, livello freatico) e per analizzare gli effetti degli emungimenti, supportando la gestione ottimizzata degli impianti idrovori.

Il progetto integra conoscenze geologiche con un approccio informatico-statistico avanzato, utilizzando machine learning e big data analysis. A differenza degli approcci tradizionali, che trattano separatamente i cambiamenti climatici e idrologici, questo progetto considera anche l’impatto degli emungimenti, proponendo un approccio multidisciplinare per identificare criticità ambientali e suggerire soluzioni.

Il progetto introduce soluzioni innovative per la gestione dei consorzi di bonifica, utilizzando tecnologie avanzate di monitoraggio e modellizzazione per ottimizzare l'uso delle risorse idriche ed energetiche, ridurre i rischi ambientali e migliorare la resilienza territoriale. La metodologia sviluppata potrà essere estesa ad altri consorzi di bonifica in Toscana, rispondendo alle esigenze legate ai cambiamenti climatici.

 

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Impianti di bonifica e indagini nell'area del Consorzio 4 Basso Valdarno focus Pianura Pisana

 

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Esempio di sensori installati per il monitoraggio della falda

 

 

Consulta i Dati

 

 

 

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La Toscana nella morsa del Caldo. Intervista a Monica Bini (Scienze dell'Ambiente e del Clima Unipi) 26/06/2025 RAI 3 TGR TOSCANA

 

Erosione costiera in Italia: sino a 10 metri in meno l’anno, a rischio il 66% dei delta fluviali

Uno studio dei ricercatori afferenti a questo Laboratorio ha rivelato che il 66% dei principali fiumi italiani contribuisce all’erosione costiera, con arretramenti fino a 10 metri l’anno, soprattutto nei delta fluviali. Analizzando immagini satellitari dal 1984 al 2024, i ricercatori hanno evidenziato l’impatto del cambiamento climatico e delle attività antropiche sulla riduzione del trasporto di sedimenti. Le aree più vulnerabili includono i delta del Po, dell’Ombrone, dell’Arno, del Serchio e del Sinni. Lo studio sottolinea l’urgenza di strategie sostenibili per proteggere le coste italiane.

Articolo Unipi News

 

Fiumi e torrenti: grazie all’intelligenza artificiale ora è possibile prevedere le alluvioni fino a sei ore di anticipo

Uno studio dell’Università di Pisa e del Consorzio di Bonifica Toscana Nord, pubblicato su Scientific Reports, ha sviluppato modelli previsionali basati sull’intelligenza artificiale capaci di prevedere fino a sei ore prima le alluvioni causate da fiumi minori e torrenti. I modelli, addestrati con dati pluviometrici e idrometrici regionali, rappresentano un supporto innovativo per anticipare le criticità in piccoli bacini idrografici. Lo studio sottolinea l’importanza della supervisione esperta e dell’integrazione tra ricerca, enti locali e strumenti tecnologici per affrontare efficacemente i rischi legati agli eventi meteorologici estremi.

Articolo Unipi News

Evento di downburst a Torre del Lago Puccini (30 Ottobre 2023)

Evento di downburst a Torre del Lago Puccini  del 30 Ottobre 2023


Attorno alle ore 20 del 30 ottobre 2023 il territorio di Viareggio è stato colpito da un violento downburst che ha provocato ingenti danni soprattutto nella frazione di Torre del Lago. Ricostruiamolo assieme grazie ai dati registrati dalla stazione meteorologica del Laboratorio per il Monitoraggio dell’Ambiente e del Clima che ha registrato nel dettaglio l’evento. La stazione registra attorno alle 20 un repentino abbassamento di temperatura e di pressione ma anche un incremento dell'umidità relativa e aumento di intensità e cambio di direzione del vento. In sostanza, una massa d'aria fredda ed umida (abbassamento delle temperature ed incremento dell'umidità relativa) si è riversata sul suolo ad alta velocità con un movimento verticale, giunta al suolo l’aria si è espansa orizzontalmente provocando forti raffiche di vento (oltre 70 km /h) in tutte le direzioni. Fenomeni come questo sono tipicamente subtropicali ma causa dei cambiamenti climatici sono sempre più diffusi anche in Italia. La collaborazione tra Comune di Viareggio, Fondazione festival Pucciniano e Dipartimento di Scienze della Terra dell’università di Pisa, consente di ottenere dati per una migliore conoscenza del territorio. I dati meteo sempre accessibili e scaricabili da parte di enti e liberi cittadini.

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Cambiamenti globali e impatti locali

Il progetto CAPANNORI (Cambiamenti climAtici, PrecipitAzioNi e sorgeNti nel Comune di CapannORI) nasce da una convenzione tra il Dipartimento di Scienze della Terra ed il Comune di Capannori (Lucca), che ha partecipato con un finanziamento come supporto alle attività.

Il progetto si configura come una ricerca pilota sull’area del Comune di Capannori, volta ad esplorare i possibili impatti dei cambiamenti climatici sui sistemi di ricarica delle varie componenti idrologiche che sono attualmente sfruttate, per usi diversi, nel territorio comunale.

È ampiamente noto che l’acquifero alluvionale della pianura di Lucca e Capannori ospita una risorsa idrica di estremo valore, sia dal punto di vista quantitativo che qualitativo, come dimostra l’elevata concentrazione di aziende del settore cartario e di campi pozzi ad uso idropotabile. D’altra parte, nonostante gran parte del territorio sia servito dalla rete acquedottistica locale, e in molte zone di pianura sia particolarmente diffuso l’utilizzo di pozzi privati per l’approvvigionamento idrico domestico e per scopi agricoli, vi è, da parte della popolazione locale, il ricorso diffuso a sorgenti idriche presenti sul territorio per la cosiddetta acqua “da bere”. Da diversi anni queste sorgenti sono oggetto di particolare attenzione e di importanti progetti di valorizzazione da parte degli enti territoriali preposti, in particolare da parte dello stesso Comune di Capannori. In questo contesto, risulta essenziale effettuare una prima valutazione dei possibili impatti dei cambiamenti climatici in atto su queste risorse, in termini di possibili variazioni della ricarica locale.

Attività previste e in corso di realizzazione:

  • Analisi di “output” di modelli climatici previsionali a diversi intervalli temporali per valutare l’impatto locale dei possibili scenari futuri di cambiamento climatico (ad esempio variazione delle precipitazioni e della ricarica delle sorgenti idriche comunali utilizzate a scopo idropotabile)
  • Caratterizzazione chimica e isotopica delle sorgenti del Comune di Capannori finalizzata all’individuazione dei sistemi di alimentazione

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Tariffario

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Modelli di deflussi superficiali

Le attività svolte sono mirate all'esplorazione dell'uso di modelli di deep learning, per prevedere eventi di inondazione in bacini idrografici a risposta rapido. L'obiettivo è quello di creare un sistema di allerta in grado di identificare gli eventi di piena con un preavviso di alcune ore, utilizzando dati ad alta frequenza provenienti da stazioni di controllo idrometriche e pluviometriche. I modelli di deep learning risultano efficaci anche in assenza di dati completi o precisi e possono essere applicati in contesti ambientali dove le informazioni geologiche sono scarse, offrendo un'alternativa ai modelli fisici tradizionali. Gli studi dimostrano che i modelli di deep learning sono stabili e possono essere utilizzati per migliorare la gestione del territorio, specialmente in situazioni di cambiamenti climatici significativi.

Gli studi si sono concentrati sul Fiume Arno, in Toscana per poi proseguire, grazie a una convenzione con il Consorzio di Bonifica Toscana Nord, a fiumi di carattere maggiormente torrentizio dell'area Apuo-Versiliese. Attualmente è stato rilasciato un software all'ente che permetta la messa in pratica dei modelli nella mitigazione del rischio idraulico.

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Schema logico di funzionamento dei sistemi di allerta basati su deep learning

 

Grazie ad un finanziamento della Regione Toscana, progetto FENICE - "Mitigazione degli effetti degli emungimenti e dei cambiamenti climatici nelle pianure costiere con l'utilizzo di data science", è iniziata la sperimentazione di prodotti di artificial intelligence per la mitigazione del rischio idraulico nel Consorzio di Bonifica BassoValdarno e l'ottimizzazione degli emungimenti in termini di risorsa idrica ed energetica.

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Un esempio di applicazione per la predizione del deflusso in canali di bonifica e l'ottimizzazione delle pompe idrovore

Prodotti scientifici

  • Luppichini, M., Vailati, G., Fontana, L., & Bini, M. (2024). Machine learning models for river flow forecasting in small catchments. Scientific Reports, 14(1), 26740. DOI
  • Luppichini, M., Barsanti, M., Giannecchini, R., & Bini, M. (2022). Deep learning models to predict flood events in fast-flowing watersheds. Science of The Total Environment, 813, 151885. DOI

Tesi e Tirocini

Tesi disponibili:

  • Studio della relazione tra erosione costiera e carico solido dei corsi d’acqua: casi di studio del fiume Magra; Serchio e Arno 
  • Studio delle evoluzioni idrogeologiche a breve e a medio periodo di stistemi fluviali e acque sotterranee (progetto FENICE).
  • Analisi dei trend climatici e valutazione degli scenari idrologici futuri nel bacino di Capannori (Lucca, Italia): implicazioni per la ricarica degli acquiferi
  • Applicazione di tecniche di geostatistica ambientale per l'idrologia isotopica: realizzazione di "paesaggi isotopici" delle precipitazioni in Toscana (o a scala locale, Alpi Apuane)

Tirocini disponibili:

  • Apprendimento di tecniche di IA per lo studio di scenari futuri di deflusso.
  • Analisi sedimentologiche di carotaggi marini e continentali.

 

Per maggiori informazioni contattare: Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. E' necessario abilitare JavaScript per vederlo.

Terza missione

Il laboratorio è coinvolto in progetti e attività finalizzati alla divulgazione scientifiche e delle geoscienze in collaborazione con le scuole primarie e secondarie presenti sul territorio e con le associazioni di promozione sociale.

 

Tramite una collaborazione tra Istituto d'istruzione Superiore "Galileo Artiglio" di Viareggio e il corso di laurea magistrale in Scienze Ambientali nasce il progetto "LAGOrà". Il progetto LAGOrà ha lo scopo di monitorare la salute del lago di Massaciuccoli coinvolgendo nel monitoraggio del suo stato di salute gli studenti. Per maggiori informazioni click qui.

Con l'Istituto d'istruzione Superiore "Galileo Artiglio" di Viareggio è stato anche progettato e organizzato un corso di IoT (Intenet of Things) assiema anche alla Assocazione Uovo di Colombo indirizzato ad un pubblico generico. Per maggiori informazioni click qui.

 

Il laboratorio è stato partecipe al progetto finanziato "Adotta una duna" dell'Istituto Superiore Cappellini di La Spezia partecipante alla Rete Europea delle European Blue Schools: durante questo progetto gli studenti hanno seguito lezioni frontali e pratiche sulla gestione e monitoraggio delle dune costiere. Per maggiori informazioni click qui.

 

 

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