Trasmissione dall’orbita Understand article

Aeolus – un nuovo satellite equipaggiato con un laser – è stato progettato per fornire ai meteorologi un quadro completo dei dati sui venti per ottenere migliori previsioni atmosferiche.

Consultare le previsioni del tempo sul cellulare, sul computer, alla radio o alla televisione, fa parte ormai delle nostre azioni quotidiane. Le previsioni meteorologiche sono importanti nella pianificazione delle nostre giornate – e sono diventate così vitali soprattutto per taluni settori come i trasporti, l’agricoltura, il commercio e l’industria. Sono molto grandi i benefici sociali ed economici che si ottengono potendo contare su previsioni meteorologiche attendibili: forniscono informazioni e i tempi necessari a pianificare a restringere le decisioni da prendere sulle strade e le rotte per il traffico aereo e marittimo, per decidere se irrigare i campi o pianificare i tempi per i lavori di costruzione. Al limite, conoscere in anticipo condizioni meteorologiche severe può salvare vite e proprietà. Ma quale ruolo deve avere la conoscenza scientifica del nostro pianeta su queste previsioni.

Inserimento dei dati

Ricreare previsioni atmosferiche è un processo complesso che coinvolge la raccolta una grande quantità di dati osservati sullo stato dell’atmosfera – soprattutto della temperatura, pressione, umidità e del vento. Queste osservazioni si possono ottenere attraverso una rete globale di stazioni meteorologiche ed altre fonti di sorveglianza, dai palloni meteorologici dalle navi e dalle compagnie aeree – anche dai satelliti.

Il tentativo di prevedere il tempo meteorologico affonda le sue radici molto addietro nel tempo, sin dagli antichi Greci, ma la raccolta sistematica delle informazioni da utilizzare nella previsione meteorologica inizia solamente nel 19mo secolo. L’avvento dell’era dei satelliti che risale a 50 anni fa, ha notevolmente migliorato la precisione nella predizione meteorologica e la comprensione dei fenomeni climatici. Oggi, il 90% dei dati utilizzati per le previsioni meteorologiche provengono dai satelliti. Questi dati riguardano osservazioni globali sulla neve e sul ghiaccio, radiazioni di microonde e infrarosse, venti causati dal moto ondoso dei mari e degli oceani, le nuvole. I dati memorizzati in remoto dai satelliti, assieme ad altre misurazioni, sono utilizzati in modelli predittivi numerici, che sono eseguiti su super-computer collocati nei centri meteorologici di tutto il mondo per prevedere il tempo meteorologico. Ad esempio, il sistema di previsione meteorologico al Centro Europeo per le Previsioni Meteorologiche a Medio Raggio (ECMRWF – European Centre for Medium-Range Weather Forecast) situato nel Regno Unito, UK riesce ad elaborare quotidianamente 40 milioni di osservazioni individuali e li integra nel loro modello previsionale.

Alti e bassi

Le previsioni si riferiscono ai dati dei satelliti posti in due tipi di orbiti, che offrono una prospettiva complementare della Terra e dei sistemi meteorologici in evoluzione. I satelliti geostazionari orbitano ad una quota di 36 000 km al di sopra dell’equatore, mentre I satelliti che percorrono un’orbita polare si trovano ad una quota molto più bassa, circa un paio di centinaio di chilometri dalla superficie terrestre.

Dall’orbita geostazionaria a più alta quota permette di osservare una porzione costante e più vasta della superficie terrestre. Per esempio, i satelliti meteorologici Europei geostazionari Meteosat osservano costantemente Europa e Africa, mentre i satelliti Americani della NOAA GOES osservano le Americhe. Questa alta quota permette di osservare i rapidi eventi e controllarli in tempo reale, riuscendo così a effettuare previsioni su scala continentale di eventuali fronti temporaleschi, uragani ed altri fenomeni meteorologici distruttivi.

Tuttavia, vi sono alcune parti del pianeta che i satelliti geostazionari non osservano mai, e queste grandi distanze dalla superficie Terrestre limitano la risoluzione dei dati. D’altra parte, i satelliti che navigano su orbite polari registrano i dati dell’intero pianeta in un periodo di pochi giorni, e le loro orbite più basse producono osservazioni con una risoluzione migliore dei satelliti geostazionari che orbitano ad orbite molto più elevate. Vi è una flotta di satelliti che orbitano su orbite polari, incluso il satellite Europeo MetOp e i satelliti Americani JPSS.

C’è spazio per miglioramenti

Sebbene le nostre previsioni meteorologiche siano le migliori che siano state ricavate nel corso degli anni, vi è ancora il desiderio di migliorare, soprattutto nelle previsioni a lungo termine. La natura caotica dell’atmosfera, e la necessità di una comprensione più dettagliata dei processi che sovraintendono le condizioni atmosferiche, significa che vi è un costante sforzo per ulteriori informazioni. Questo non solo potrà aiutare nelle previsioni, ma anche un ausilio alla comprensione scientifica di come si comporta l’atmosfera e le variazioni climatiche a lungo termine.

Nelle passate decadi, i meteorologi hanno capito che, in particolare, vi era una mancanza di precisione sui dati globali dei venti, necessari affinché si possano trarre previsioni più accurate. A questa esigenza ha risposto l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) mettendo in orbita un nuovo satellite che è stato lanciato nel 2018 espressamente dedicato a fornire informazioni migliori sui venti. Il satellite ha preso il nome di Aeolus, dalla mitologia Greca, detto il “dio dei venti”. Come potrà aiutare questo satellite a migliorare le previsioni meteorologiche?

L’andamento dei venti è essenziale per una accurata previsione a lungo termine, e allo stesso tempo un elemento chiave per creare modelli previsionali dei cambiamenti climatici. Il vento è un componente importante nel bilancio energetico della Terra. In breve, alcune zone della Terra ricevono più calore dal Sole rispetto ad altre, e ciò determina una differenza una differenza di temperatura dell’aria, densità e pressione atmosferica. Queste differenze generano i movimenti delle masse d’aria, dando origine ai venti. Il vento trasporta calore dalle zone Equatoriali verso i poli e torna più fresca verso i tropici. La rotazione terrestre influenza anch’essa la circolazione dell’atmosfera su grande scala, un esempio ne è il jet stream. Questi effetti costituiscono le basi della circolazione atmosferica, che governa il tempo atmosferico e il clima.

Vi sono un certo numero di fonti che forniscono informazioni sui venti: le stazioni meteorologiche, i palloni aerostatici atmosferici o anche gli aerei adibiti alla rilevazione di questo parametro e le osservazioni satellitari del movimento delle nuvole e delle condizioni del mare e degli oceani. Sino a pochi anni fa, grandi porzioni dell’atmosfera non potevano essere osservate – in particolare, i tropici, gli oceani, nell’emisfero meridionale, e al di sopra delle regioni polari (dove non vi erano stazioni meteorologiche o palloni aerostatici per le misure atmosferiche) e nella alta atmosfera. L’osservazione diretta dei venti che copra tutta l’atmosfera sia verticalmente che orizzontalmente, è necessaria per una migliore previsione del tempo atmosferico.

Il satellite Aeolus è dotato di una attrezzatura laser di tecnologia modernissima (vedi il riquadro). Questo equipaggiamento permette di mappare, per la prima volta, globalmente il campo dei venti sino ad una altezza di 30 chilometri anche per aeree che non sono coperte sufficientemente dagli attuali sistemi di rilevazione. Con questa altezza è compresa anche la troposfera, dove si originano le condizioni meteorologiche che influenzano le nostre vite. Sebbene che la missione sia stata programmata per durare inizialmente solo tre anni,  Aeolus rappresenta una nuova generazione di strumentazione per la previsione meteorologica di routine.

Al di là della previsione meteorologica

I dati satellitari stanno diventando sempre più importanti in molte applicazioni quotidiane diverse dalle previsioni del tempo. Con l’inquinamento dell’aria si ha il problema della salute ambientale, le previsioni meteorologiche quotidiane spesso includono avvisi sulla qualità dell’aria, e i dati satellitari assicurano che le previsioni siano i più attuali possibili. Per esempio, il satellite della UE Copernicus Sentinel-5 Precursor mappa una certa quantità di gas inquinanti, come il biossido di azoto, metano, anidride carbonica, ozono e biossido di zolfo. Questo satellite fornisce a chi deve prendere decisioni le informazioni necessarie per combattere l’inquinamento atmosferico e fornisce anche agli studiosi i dati per comprendere i processi legati alle variazioni meteorologiche – come ad esempio il buco nello strato di ozono stratosferico.

Per sorvegliare i cambiamenti del nostro mondo in funzione dei cambiamenti climatici, i satelliti mostrano le variazioni dei molti fattori coinvolti: la dinamica e la costituzione dell’atmosfera, la copertura dei ghiacciai e il loro volume, la profondità e la temperatura della superficie dei mari, il modo in cui le risorse territoriali sono utilizzate e l’urbanizzazione, ed altre. Questo è l’unico modo più realistico di osservare la Terra nel suo insieme e sviluppare un insieme di informazioni che sono necessarie ad una comprensione di come i processi si evolvono sulla Terra come un sistema fisico – e, naturalmente, l’impatto antropico sui processi naturali.

Aeolus: i laser nello spazio

Messo in orbita il 22 Agosto del 2018, Aeolus è il satellite dotato dei più sofisticati strumenti mai portati in orbita. Il cuore di Aeolus è costituito da un laser a effetto Doppler detto ‘lidar’ altamente sofisticato, che può essere considerato come un radar a laser (cioè, a luce invece che a microonde). Uno degli scopi della missione Aeolus è questa di provare l’affidabilità di questa nuova tecnologia – che comprende un laser di potenza, un grande telescopio e un ricevitore molto sensibile – il tutto in orbita nello spazio.  

Dall’alto dei suoi 320 km dell’orbita, il laser emette impulsi molto corti ma potenti di luce ultravioletta (di lunghezza d’onda di 355 nm) 50 volte al secondo. La luce attraversa l’atmosfera, e piccola frazione di esso viene riflessa dalle particelle che si muovono con il vento – molecole d’aria, polveri, particelle di ghiaccio e goccioline d’acqua. La luce riflessa è ricevuta dal telescopio e rilevata dal ricevitore, che è incredibilmente sensibile: sino a quattro fotoni per metro, sulla linea del raggio laser.

Proprio come nel radar utilizzato dalla polizia per verificare la velocità degli autoveicoli, la riflessione dovuta alle particelle genera un piccolo ‘effetto Doppler’ tra la luce emessa da Aeolus e quella ricevuta. Da questo effetto Doppler, si possono ricavare la velocità del vento la cui componente si trova lungo la direzione di visione del satellite, con una precisione di circa 2 m s^-1.

Resources

• Per approfondire la conoscenza della missione del satellite Aeolus nel sito web dell’ESA.
• Per approfondire il ruolo dei satelliti nella predizione numerica del tempo atmosferico si può utilizzare un modulo interattivo presente al Centro Europeo per le Previsioni Meteorologiche a Medio Raggio, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF).
• Organizzazione Europea per lo Sfruttamento dei Satelliti Meteorologici, European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT) gestisce un complesso di satelliti meteorologici per monitorare il clima e lo sviluppo di situazioni meteorologiche. Per approfondire la missione e le attività del Centro si può visitare il sito web EUMETSAT.
• Si può osservare un breve video del Servizio Meteorologico Nazionale dell’UK, che spiega come si formano le previsioni atmosferiche.
• Alcune risorse per illustrare agli studenti il monitoraggio della Terra e del suo clima sono disponibili sul sito web dell’ESA Education.
• Nel EO Browser and Sentinel hub si trovano degli ausili on line che permettono a tutti gli utenti di aver accesso alle immagini aggiornate provenienti dai satelliti. Qui si può imparare come utilizzare l’EO Browser attraverso questa guida per l’utente.

Institutions

Author(s)

Honora Rider lavora all’ESA sin dal 2002. È la consulente editoriale del Direttorato del Programma dell’ESA Osservatorio Terrestre (ESA’s Earth Observation Programmes Directorate). È in possesso del diploma di laurea in scienze ambientale dalla Open University, UK

Anna Grete Straume lavora all’ESA dal 2004 e ricopre il ruolo come scienziato della missione Aeolus. Possiede il PhD in meteorologia dall’Università di Bergen, Norvegia, ha lavorato come ricercatrice  nei settori del trasporto dell’inquinamento atmosferico, della circolazione atmosferica e del telerilevamento atmosferico di tracce di gas, prima di entrare nell’ESA

Review

Le previsioni metereologiche sono diventate sempre più importanti per le nostre attività sulla Terra – e anche per le variazioni climatiche gli aumenti delle temperature, sia localmente che globalmente. Per ottenere delle previsioni più precise si sono sviluppati satelliti come Aeolus che sono stati mandati in orbita.

Questo articolo dovrebbe essere utilizzato per illustrare le diverse aree specifiche, dall’ambiente all’ottica e all’ingegneria. Le seguenti domande possono inserirsi in un esercizio globale:

• Perché le previsioni atmosferiche sono così importanti nella vita quotidiana? Darne qualche esempio.
• Come si ricavano oggi le previsioni atmosferiche?
• Perché molte delle previsioni atmosferiche derivano dai dati satellitari?
• Elencare i nomi di alcuni satelliti meteorologici che sono in orbita.
• Perché le informazioni derivanti dallo studio dei sistemi dei venti sono così importanti per il nostro tempo meteorologico?
• Che cosa e’ il lidar, e come funziona questo sistema laser?

Gerd Vogt, fisico e insegnante di tecnologia, presso la Scuola Secondaria Superiore di Ambiente ed Economia, Yspertal, Austria

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