I primi 10 anni del servizio europeo GMES

Storie di successo
I primi dieci anni di costruzione della
componente del Servizio Marino di
GMES per il Mediterraneo
di Nadia Pinardi
LE ESISTENZE DI MILIONI DI PERSONE CHE VIVONO LUNGO LE COSTE DIPENDONO DAL
MONITORAGGIO DEL MARE AL FINE DI PREVENIRE POSSIBILI DANNI PROVOCATI DALL’INQUINAMENTO,
DALLO SFRUTTAMENTO DELLE RISORSE ITTICHE, DALL’EUTROFIZZAZIONE1 COSTIERA E DALLA PERDITA
DI HABITAT NATURALI. NEL MARE MEDITERRANEO E’ OPERATIVO UN SISTEMA DI MONITORAGGIO E
PREVISIONI OCEANOGRAFICHE, DENOMINATO MFS, I CUI PRODOTTI SONO A DISPOSIZIONE DI UNA
VARIETA’ DI UTENTI FINALI ED INTERMEDI. MFS E’ LA COMPONENTE DEL SERVIZIO MARINO DI GMES
PER IL MEDITERRANEO. IL SISTEMA E’ CONTINUAMENTE SOTTOPOSTO A CONTROLLI DI QUALITA’
E HA DIMOSTRATO DI ESSERE UN AUSILIO IMPORTANTE ALLO SVILUPPO SOSTENIBILE DI TUTTE LE
ATTIVITA’ ECONOMICHE CONNESSE AL MARE, ALLA SICUREZZA MARITTIMA E ALLA PROTEZIONE
DELL’AMBIENTE.
Perché le previsioni oceaniche?
Gli oceani, come l’atmosfera, sono un fluido
turbolento che si evolve su scale veloci, dai
giorni alle ore. A scopi pratici, la stima dello
stato dell’oceano tramite osservazioni del
passato non assicura una buona pianificazione delle attività a mare, sia che si tratti
di attività di salvataggio e recupero a mare
sia che si debba accertare lo stato di salute dell’ecosistema. Come la meteorologia,
le previsioni oceaniche si concentrano sul
“tempo del mare”, cioè sulla variabilità a
breve termine delle correnti e della temperatura che incidono sulla nostra capacità di
gestire il mare e le attività che vi si dispiegano. L’oceanografia operativa ha sviluppato
un sofisticato sistema integrato di osservazioni e modelli in grado di ridurre l’errore
nella stima dello stato del mare fino al punto
di essere in grado di fornire una condizione
attendibile per le previsioni, riducendo in tal
modo l’incertezza per le applicazioni.
Osservazioni e modelli sono combinati tramite tecniche statistiche di assimilazione
delle osservazioni che producono serie
temporali di dati chiamati ‘analisi’: l’oceanografia operativa ha sviluppato il sistema
capace di produrre queste analisi in modo
standardizzato secondo regole scientifiche
comuni e internazionali. Queste lunghe
serie di analisi forniscono le informazioni
più attendibili sul cambiamento climatico e
rappresentano la valutazione ottimale dello
stato passato degli oceani, un dato utilizzato da molte comunità di utenti.
Nel Mare Mediterraneo, la comunità di
ricerca nel campo dell’oceanografia operativa è nata negli anni Novanta al fine di
sviluppare un sistema integrato di monitoraggio e previsione delle condizioni marine,
dal mare aperto alle zone costiere. Lo scopo
è ancora una volta quello di produrre un
monitoraggio continuo e le previsioni del
mare, dall’idrodinamica alle componenti biochimiche per ridurre l’inquinamento
e salvaguardare la salute dell’ecosistema
marino. Prima e dopo l’avvio dell’iniziativa
1 L’eccessivo
accrescimento degli organismi vegetali marini che si ha per effetto della presenza nelle acque costiere di
quantita’ troppo elevate di nutrienti derivanti da sorgenti terrestri.
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Storie di successo
La bellissima spiaggia di Nizza, situata nel sud della Francia, dove i 6 Km di lungomare sono un’attrazione turistica da
diversi secoli (immagine: tutti i diritti riservati)
GMES (1998), specifici progetti di ricerca
hanno sviluppato i prodotti e il servizio nel
Mediterraneo, assieme a diverse applicazioni che si discuteranno in seguito.
Dieci anni di storia
Nel 1998, la comunità di ricerca oceanografica del Mediterraneo iniziò a sviluppare
le componenti principali del Mediterranean
ocean Forecasting System (MFS) “Sistema
di previsione oceanica del Mediterraneo”
e da allora non ha mai interrotto le sue
attività.
Il Mare Mediterraneo fu immediatamente
scelto come una delle aree di maggiore sviluppo del servizio oceanografico da
EuroGOOS (http://www.eurogoos.org/) e
nel 1998 fu sviluppato un Piano Strategico
e Scientifico per la realizzazione del sistema
di osservazione e modellistica di MFS.
Fin dal 1998 più di 30 Istituzioni di ricerca e monitoraggio, residenti nei 13 paesi
bagnati dal Mare Mediterraneo, lavorano
all’attuazione del Piano e mantengono il
sistema operativo. Nel corso degli ultimi
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dieci anni, tre progetti della Commissione
Europea (IV, V e VI Programma Quadro)
hanno contribuito ad elaborare una base
scientifica internazionale per lo sviluppo
del sistema di previsione a scala di bacino
efficiente e accurato, usato oggigiorno da
31 Istituti/Agenzie operative e di ricerca del
Mediterraneo. E’ stato istituito un nuovo
consorzio - il Mediterranean Operational
Oceanography Network (MOON: Sistema
Operativo Oceanografico del Mediterraneo,
http://www.moon-oceanforecasting.eu/) per coordinare l’MFS e le sue applicazioni.
Parte del consorzio MOON è ora impegnato nella preparazione del Marine Core
Service (Servizio Marino) del GMES, che
sarà sviluppato dal progetto MyOcean dal
2009 al 2011.
Il Sistema di Previsione del Mare
Mediterraneo (MFS)
MFS è un sistema integrato di osservazioni
e modelli che calcola lo stato dell’oceano e
la sua possibile evoluzione a breve termine.
Esso include tre componenti principali:
Temperatura della superficie del mare dal satellite [°C] per il 30 Giugno 2008. L’immagine è stata prodotta dal Gruppo di
Oceanografia da Satellite dell’ISAC-CNR di Roma che è responsabile per la produzione in tempo reale dei dati da satellite
per i modelli oceanografici (immagine: http://gos.ifa.rm.cnr.it/)
a) il sistema di osservazione in tempo
reale;
b) i modelli idrodinamici e di ecosistema
per la previsione;
c) il servizio per utenti intermedi e finali.
Il sistema di collezione dei dati osservativi
è una componente essenziale dell’MFS, in
quanto fornisce i dati necessari per la correzione delle condizioni iniziali dei modelli
di previsione. Il modello a scala di bacino,
può descrivere e prevedere il “tempo”
dell’oceano con una risoluzione di circa 6
km e giornalmente sono prodotti 10 giorni di previsioni oceaniche attraverso l’uso
delle previsioni atmosferiche dell’ECMWF
(European Centre for Medium-Range
Weather Forecasts, Reading, UK).
Recentemente l’MFS ha anche sviluppato l’accoppiamento con un modello di
previsione dell’ecosistema marino che al
momento fornisce settimanalmente 10 giorni di previsioni dello stato dell’ecosistema
pelagico.
Il servizio rivolto agli utenti intermedi è sviluppato attraverso i membri di MOON che
ricevono ogni giorno gli output di MFS per
fare la previsione nelle aree costiere di loro
interesse. Sono stati sviluppati altri servizi
applicativi che considerano il supporto per
gli incidenti a mare con versamenti di petrolio, il supporto al Search and Rescue per
le guardie costiere e la gestione integrata
delle aree costiere.
Le osservazioni
Le componenti del sistema osservativo di
MFS sono:
1) i dati da satellite;
2) i dati in situ da navi di opportunità (Ship
Of Opportunity Programme, SOOP);
3) i dati in situ dalle boe derivanti e profilanti ARGO;
4) i dati in situ delle piattaforme fisse
di osservazione del Mediterranean
Moored Multidisciplinary Array (M3A).
La raccolta dei dati da satellite in tempo
reale e la loro analisi è alla base del sistema
di previsione. I più importanti tipi di dati
usati sono:
1) l’Anomalia del livello del mare (Sea
Level Anomaly, SLA) restituita dagli
altimetri satellitari;
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Storie di successo
2) la temperatura della superficie del Mare
(Sea Surface Temperature, SST) rilevata
da radiometri nell’intervallo spettrale
dell’infrarosso e delle microonde;
3) il colore del mare (Ocean Color, OC)
rilevato da radiometri nell’intervallo
spettrale del visibile;
4) I venti alla superficie del mare rilevati
da scatterometri montati su satelliti.
Tutti questi dati, ad eccezione dei venti,
sono attualmente analizzati e messi a disposizione in tempo reale per MFS, seguendo
un protocollo di controllo di qualità ben
consolidato.
Il sistema di dati da SOOP (si avvale di navi
mercantili e da crociera in varie parti del
bacino) e ARGO (le boe derivanti che nel
Mediterraneo si muovono alla deriva delle
correnti alla profondità di 350 metri e misurano un profilo di temperatura e salinità
da 700 metri e 2000 metri di profondità
ogni 5 giorni o 50 giorni) è stato organizzato negli scorsi dieci anni. Molte delle boe
ARGO vengono messe a mare dalle navi di
opportunità. Ci sono due tipologie di dati
che vengono scambiati, uno in tempo reale
e l’altro in tempo differito.
Le boe fisse del Mediterranean Moored
Multisensor Array (M3A) rispondono alla
necessità di avere osservazioni multidisciplinari in situ. Il sistema è usato per osservare
l’alta variabilità temporale del termoclino
e le variabili biochimiche nella zona eufotica e le interazioni aria-mare. Le variabili
misurate sono: la temperatura dell’aria e la
temperatura del punto di rugiada, la pressione atmosferica, i venti, le precipitazioni,
la radiazione solare incidente, la temperatura e conducibilità, ossigeno, fluorescenza,
torbidità e nitrati a profondità selezionate.
Su queste boe è stato sperimentato un sistema acustico di telecomunicazione tra le
catene strumentate che le compongono,
uno dei primi sistemi al mondo ad usare
tale tecnologia con successo.
MOON ha costruito anche un sistema
regionale di gestione dei dati, sia per la
disseminazione in tempo reale che per la
disseminazione in tempo differito. Questo
si è reso necessario in quanto i dati regionali hanno una risoluzione più alta rispetto
a quelli equivalenti per l’oceano globale
e richiedono procedure dedicate di controllo di qualità. La struttura regionale di
gestione dei dati si basa su Centri Tematici
Posizioni campionate dalle boe ARGO e lungo le rotte SOOP dal 30/04/2007 al 17/06/2008 (immagine: INGV, Bologne,
Italia)
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(Thematic Expert Data Centres, TEDC) che
si occupano ciascuno delle tre componenti del sistema in situ (vedere ad esempio,
http://moon.santateresa.enea.it/ http://
poseidon.ogs.trieste.it/sire/medargo/
active/index.html). I dati collezionati in
tempo reale sono anche trasmessi alla comunità meteorologica attraverso il Global
Teleconnection System – GTS (Sistema di
Teleconnessione Globale).
I modelli di previsione del tempo del mare
Le previsioni marine delle correnti sono
possibili solamente se le condizioni iniziali
e al contorno del modello sono conosciute con sufficiente accuratezza. A tal fine il
sistema MFS a scala di bacino ha implementato uno schema raffinato di assimilazione
delle osservazioni che produce condizioni
iniziali accurate tutti i giorni dalle quali parte una previsione di dieci giorni. MFS sarà
la componente di base del futuro Servizio
Marino del GMES (htttp://www.myocean.
org.eu/). Altri modelli a scala di bacino,
PAM di Mercator Océan (Francia) e POM
dell’Hellenic Centre for Marine Research
(Grecia) producono anch’essi previsioni a
scala di bacino ma a più bassa risoluzione.
Nel futuro, essi saranno usati per stimare
Modelli di previsione MOON
Nome modello
MFS
(scala di bacino)
OGS-OPATM
(scala di bacino)
PAM
(scala di bacino)
POSEIDON
(scala di bacino)
Bacino Occidentale
Istituto
INGV
Paese
Italia
Risoluzione Portale
5-6 km
http://gnoo.bo.ingv.it/mfs
OGS
Italia
10-12 km
Mercator
Francia
6-7 km
http://poseidon.ogs.trieste.it/cgi-bin/
opaopech/mersea
http://www.mercator-ocean.fr/
HCMR
Grecia
8-10 km
http://www.poseidon.ncmr.gr/
Modelli del bacino
Nord-occidentale
Stretto di Sicilia
Ifremer
Francia
3 km
CNR-IAMC
Italia
3 km
ADRICOSM
(Mare Adriatico)
POSEIDON
(Mar Egeo)
ALERMO
(Mar Egeo e
Levantino)
ROSARIO
(Modello della piattaforma di Malta)
CYCOFOS
(Modello dell’area
costiera di Cipro)
Modelli del Nordest Levantino
INGV
Italia
2 km
http://www.eseoo.org/servicios/oceano/
eng/ESEOMED.html
http://www.previmer.org/en/previsions/
courants
http://www.imc-it.org/progetti/mfstep/
mfs_SCRMresults.htm
http://gnoo.bo.ingv.it/afs
HCMR
Grecia
2 km
http://www.poseidon.ncmr.gr/
UAT
Grecia
3 km
http://pelagos.oc.phys.uoa.gr/mfstep/
bulletin/
IOI-MOC
Malta
1.5 km
http://www.capemalta.net/MFSTEP/
results.html
Oceanogr.
Cipro
Centre Cyprus
1.5 km
http://www.oceanography.ucy.ac.cy/
cycofos/forecast.html
IMS
Turchia
1.5 km
SELIPS
(Modello del Sudest Levantino)
IOLR
Israele
1.5 km
http://linux-server.ims.metu.edu.tr/kilikya/
http://linux-server.ims.metu.edu.tr/
klevant/
http://isramar.ocean.org.il/ShelfModel/
default.asp
IMEDEA-CSIC Spagna 5 km
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Storie di successo
l’incertezza delle previsioni attraverso tecniche multi - modello.
Il Mare Mediterraneo è l’unica area dell’oceano mondiale dove non solo le attività di
previsione sono iniziate prima che nelle
altre aree oceaniche, ma ove anche l’annidamento di modelli di piattaforma o
costieri ad alta risoluzione orizzontale è già
stato sperimentato e implementato a livello
operativo. Diverse Istituzioni partecipanti a
MOON ricevono ogni giorno gli output a
scala di bacino di MFS, per dare le condizioni iniziali e al contorno ai modelli ad alta
risoluzione, che risolvono meglio le dinamiche costiere. Così modelli di piattaforma
e costieri sono annidati dinamicamente
nei prodotti di MFS, fornendo loro stessi
previsioni ad una risoluzione che in alcuni
casi arriva ad 1 km di risoluzione. I sistemi a
scala di bacino e di sottobacino operativi in
MOON sono elencati nella Tabella riportata
qui a lato.
Gli utenti di MFS
I problemi ambientali che potrebbero essere affrontati tramite l’uso dei dati di MFS e
del modelli di MOON sono:
- Il cambiamento climatico ed in particolare il cambiamento del ciclo idrologico;
- La dispersione e trasformazione di idrocarburi e contaminanti in mare aperto;
- La dispersione di contaminanti e altri
materiali disciolti provenienti da sorgenti di terra;
- La sicurezza della navigazione e il soccorso a mare;
- Le attività di pesca e maricoltura/
acquacoltura;
- Le variazioni delle condizioni biotiche
e idrodinamiche nelle aree costiere
(anossia, eutrofizzazione, alghe tossiche,
torbidità, ecc.);
- L’erosione costiera;
- I cambiamenti dell’ecosistema a scala di
bacino e le specie invasive.
Tutte queste problematiche necessitano di
una comprensione dei processi sulla base
di dati scientifici continui e di qualità, dalle
scale del bacino a quelle delle coste. L’MFS
è la risposta moderna alle necessità di monitoraggio del mare poiché produce una
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parte consistente dei dati che sono alla base
della conoscenza scientifica dell’ambiente
marino. Nei prossimi anni tali dati potranno
espandersi anche alle variabili di stato biotiche e alla zona costiera in generale.
Le previsioni e le analisi sono disponibili in
tempo reale sia per la comunità di utenti
interni a MOON che per quella esterna.
La comunità interna è composta dai centri
di previsione dei diversi paesi che si affacciano sul Mare Mediterraneo. La comunità
esterna è composta dalla EEA (European
Environment Agency), REMPEC (Regional
Marine Pollution and Emergency response Center for the Mediterranean Sea),
UNEP/MAP (United Nations Environment
Programme/Mediterranean Action Plan),
Ministeri, agenzie di protezione ambientale,
Istituti di ricerca e compagnie private.
Nel seguito si parlerà di alcune applicazioni per gli utenti finali che comprendono la
previsione dello spostamento delle macchie
di petrolio versate a mare, l’assistenza alla
Ricerca e Salvataggio a mare (Search And
Rescue) e i modelli di Rapid Environmental
Assessment.
P re v i s i o n i d e l l o s p o s t a m e n t o e
trasformazione delle macchie di petrolio
L’IMO (International Maritime Organisation)
e UNEP/MAP hanno formato il REMPEC
che è ora assistito dai centri di previsione
MOON e dal GMES Marine Core Service.
Il supporto consiste nel rendere disponibili i dati meteo-oceanografici al REMPEC
in caso di incidenti o rilasci operativi dalle
navi, seguendo protocolli stabiliti e consolidati da un accordo da poco firmato tra
MOON e REMPEC.
I membri MOON, hanno sviluppato fino
a cinque modelli di fuoriuscita di petrolio
accoppiati alle previsioni di corrente che
forniscono entro alcune ore informazioni al
REMPEC riguardo alla direzione possibile
dell’olio alla deriva o spiaggiamento.
L’incidente di fuoriuscita di petrolio accaduto in Libano nel Luglio 2006, ha dimostrato
la capacità del sistema nell’essere un supporto effettivo nelle operazioni di riduzione
(a) 18 Luglio 2006 (8:20): immagine MODIS. La terra e le nuvole
sono nere. E’ evidente il fumo
(marrone) e il petrolio (verde) che
emanano dalla costa libanese.
(b) 19 Luglio 2006 (10:35): immagine
MODIS. Il fumo (blu) emana ancora
dalla centrale elettrica e il petrolio
(giallo) ha raggiunto il Golfo di Beirut
e la città di Byblos.
(c) La simulazione della fuoriuscita di petrolio per il 18-19 Luglio 2006. Le macchie verdi di petrolio nel mare sono sovrapposte
alle correnti locali. La simulazione è iniziata
il 13 Luglio 2006.
L’incidente del Libano, avvenuto al seguito di un bombardamento della centrale di Yehaa nel luglio 2006, è stata seguita
dal satellite con a bordo il MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) e dai radar satellitari chiamati SAR.
L’MFS e il sistema di previsione CYCOFOS, erano funzionanti in tempo reale con un modello di previsione per la fuoriuscita di petrolio (MEDSLIK) e la dispersione di tale liquido venne catturato correttamente, come mostrato nella figura (c).
(Immagine: ISAC-CNR, Roma, Centro Oceanografico Italiano, Uni. di Cipro, Cipro e INGV, Bologna, Italia)
del danno. Previsioni in tempo reale delle
fuoriuscite di petrolio lungo le coste del
Libano e della Siria vennero rilasciate nel
giro di poche ore da quando le informazioni
raggiunsero i centri di previsione di Cipro
e dell’Italia e le previsioni del movimento
del petrolio furono spedite al REMPEC e
ad altre agenzie governative. La previsione
dello spostamento del petrolio si dimostrò
corretta e la dispersione venne monitorata
per un mese intero dopo l’accaduto.
dell’imprevedibilità delle singole traiettorie in un fluido turbolento come quello
marino e alla difficoltà di ottenere precise
informazioni sulla dimensione dell’oggetto,
le caratteristiche del suo galleggiamento,
ecc. Ancora una volta, i modelli di previsione MOON si sono dimostrati di aiuto
nel suggerire possibili direzioni di ricerca a
mare sulle rotte più probabili conoscendo
le correnti con un grado di precisione mai
disponibile prima.
Accertamento Marino Ambientale Rapido
Ricerca e soccorso a mare
Le Guardie Costiere italiane sono responsabili per le operazioni di Ricerca e Soccorso
a mare. La previsione del movimento di
un oggetto a mare, in modo tale che le
ricerche siano effettive e arrivino in tempo, è un problema difficile da confinare
alla previsione deterministica in ragione
Il sistema si riferisce a metodiche che si
basano sul raffinamento dei modelli e delle osservazioni solo in certe zone. A tale
proposito è stato sviluppato un modello rilocabile che è in grado di fornire previsioni
ad alta risoluzione (risoluzione orizzontale
da 1 km a scendere) entro alcune ore in arbitrarie regioni del Mediterraneo coperte
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Storie di successo
dal modello a scala di bacino MFS e/o altri
modelli ad alta risoluzione operativi.
I primi risultati mostrano che rilevanti miglioramenti nella previsione possono essere
ottenuti grazie ai suddetti sistemi rilocabili.
Questo può essere utile in caso di emergenze come fuoriuscite di inquinanti a mare e
per operazioni navali di varia natura.
Conclusioni
Le previsioni a breve termine MFS e le
analisi associate hanno dimostrato di essere strumenti utili per un nuovo approccio
scientifico alla protezione e gestione del
mare e delle sue risorse. Il GMES integrerà l’MFS in un sistema pan-europeo con
analoghe capacità per l’oceano globale e
gli altri mari europei. Il sistema GMES per
il Mediterraneo permetterà di sviluppare
nuove applicazioni per utenti finali, costruite sulle informazioni di base del sistema
MFS che produrrà in maniera operativa le
informazioni di base sullo stato passato,
presente e futuro dell’ambiente marino.
Tale serie continua di dati di qualità standard, verrà resa accessibile a livello europeo
ed internazionale attraverso il GMES Marine
Core service (Servizio marino).
Nadia PINARDI possiede un PhD in Fisica oceanografica conseguito presso
L’Università di Harvard, MA, US, ed è professore associato di Oceanografia
all’Università di Bologna, sede di Ravenna. I suoi interessi spaziano dai
modelli numerici, ai sistemi di assimilazione dei dati, alla modellistica di
ecosistema e delle interazioni fisico-biologiche. Ha inoltre pubblicato più
di ottanta articoli su riviste di carattere specialistico. L’ultimo argomento
della sua ricerca è la comprensione dell’incertezza nella previsione oceanica sviluppando
tecniche di insieme, anche attraverso una rete di calcolo distribuita.
Sin dalla metà degli anni Novanta, ha coordinato lo sviluppo e l’implementazione del
Mediterranean Operational Oceanography Network la cui componente MFS fa parte del
servizio europeo marino. Pinardi è membro dell’European Environment Agency Scientific
Steering Committee e dell’European Research Council for Earth Sciences. Nadia Pinardi
è stata insignita nel 2007 dall’European Geosciences Union della medaglia Nansen per
l’Oceanografia.
Questo articolo è stato scritto in collaborazione con: G. Coppini, S. Dobricic, C. Fratianni, S. Lyubartsev, P. Oddo, M. Tonani
(INGV, Italia), M. Capaldo e S. Pasquini (USAM, Italia), A. Crise, P. Lazzari e P. Poulain (OGS, Italia), M. De Marte (Istituto
Idrografico della Marina) G. Manzella e F. Reseghetti (ENEA, Italia), M. Ravaioli, R. Sorgente, R. Bozzano, A. Griffa, F. Raicich
e R. Santoleri (CNR, Italia), G. Larnicol, (CLS, Francia), K. Nittis, G. Triantafyllou e G. Korres (HCMR, Grecia), P. Bahurel, D.
Obaton (Mercator, Francia), E. Alvarez-Fanjul (Puertos del Estado, Spagna), J. Tintore e A. Cruzado (CSIC, Spagna), G.
Zodiatis (OCUCY, Cipro), A. Drago (IOI, Malta), S. Sofianos e G. Kallos (Univ. di Atene, Grecia), P.Y. Le Traon, L. Petit-dela-Villon, J. Legrand e J.F. Cadiou (Ifremer, Francia), I. Gertman (IOLR, Israele), S. Brenner (Bar-Ilan Univ., Israele), E. Oszoy
(IMS-METU, Turchia), V. Malacic (NIB-MBS, Slovenia), F. Lalli e S. Corsini (ISPRA, Italia)
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