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Il superpotere del radar a onde millimetriche: come riesce a catturare i segreti delle piccole gocce d'acqua e della pioggia battente?
Il radar a onde millimetriche, noto anche come radar delle nuvole, è progettato specificamente per monitorare le nuvole e opera nella gamma di frequenza da 24 a 110 GHz. Questa frequenza speciale fa sì che la lunghezza d'onda del radar a onde millimetriche sia compresa tra 1 mm e 1,11 cm, ovvero circa dieci volte più corta rispetto ai tradizionali radar a banda S come il NEXRAD. Lo scopo principale di questa tecnologia è studiare la natura delle nuvole e la loro evoluzione.
Questi sistemi radar operano solitamente nella banda Ka a 35 GHz e nella banda W a 94 GHz, che presentano la massima efficienza nella trasmissione atmosferica.
Il radar a onde millimetriche ha una risoluzione temporale e di distanza molto elevata. La risoluzione temporale è solitamente regolabile e varia da 1 a 10 secondi, mentre la risoluzione della portata dipende dalla progettazione e dallo scopo del radar. In generale, il raggio di rilevamento massimo del radar per nubi può raggiungere i 14-20 chilometri e la sua risoluzione della velocità Doppler è di pochi centimetri al secondo.
I radar delle nubi sono per lo più sistemi polarimetrici, che consentono loro di misurare le irregolarità delle particelle tramite il rapporto di depolarizzazione lineare (LDR). Di solito i radar sono puntati direttamente verso lo zenit, ma con il miglioramento della tecnologia molti radar hanno aggiunto unità di scansione che consentono loro di effettuare scansioni a diverse angolazioni e a velocità più elevate, ottenendo così informazioni aggiuntive come profili verticali del vento e informazioni sul volume d'aria.
I radar a lunghezza d'onda lunga hanno una minore attenuazione per le piccole gocce di pioggia e le precipitazioni, mentre i radar a lunghezza d'onda corta sono più sensibili alle particelle più piccole, il che significa che la scelta del radar giusto è particolarmente importante in diverse condizioni meteorologiche.
Attualmente, il radar a onde millimetriche è ampiamente utilizzato in molti campi, tra cui il rilevamento dei confini delle nuvole (come la base e la sommità delle nuvole) e la stima delle caratteristiche microfisiche delle nuvole (come la dimensione delle particelle e il contenuto di massa). Questi dati aiutano a comprendere come le nuvole riflettono, assorbono e trasformano l'energia radiante che attraversa l'atmosfera. Il radar è ampiamente utilizzato anche negli studi sulla nebbia e viene impiegato da oltre 40 anni nella ricerca entomologica, in particolare per individuare obiettivi costituiti quasi esclusivamente da insetti nelle giornate limpide e calde. Inoltre, è stato recentemente scoperto che il radar a onde millimetriche può essere utilizzato per studiare gli aerosol giganti.
L'ambiente operativo del radar cloud non si limita alla terra, ma può essere anche in aria o nello spazio. Esempi di sistemi avionici includono i radar montati sull'HALO (High Altitude Long Range Research Aircraft) e sull'aereo da ricerca KingAir nel Wyoming. Dal 2006 sul satellite CloudSAT è operativo nello spazio un radar per la profilazione delle nubi. La missione Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer (EarthCARE), il cui lancio è previsto per marzo 2023, trasporterà il primo radar spaziale per la profilazione delle nubi con capacità Doppler.
Misurazione con radar: dal QI allo spettro
I sistemi radar a impulsi sono considerati strumenti di misura attivi perché trasmettono onde elettromagnetiche nell'atmosfera e ricevono i segnali che vengono riflessi. Il radar è composto da diversi componenti hardware, ognuno dei quali contiene elementi diversi. Le onde elettromagnetiche generate dall'oscillatore nell'unità trasmittente vengono trasmesse all'antenna tramite una guida d'onda, che le irradia nell'atmosfera.
Dopo che ogni impulso trasmesso viene disperso dal volume d'aria contenente vapore acqueo, il segnale di ritorno viene raccolto dall'antenna radar e digitalizzato dopo essere stato filtrato, migliorato e sottoposto a down-conversion.
Sebbene la trasmissione di ciascun segnale di ritorno cambi nel tempo, il campo elettrico riflesso nel segnale è ottenuto dalla miscelazione di una grande quantità di vapore acqueo. Pertanto, il segnale ricevuto è composto da echi provenienti da numerose particelle di vapore acqueo e questi echi non possono essere analizzati individualmente. Pertanto, campionando il segnale, possiamo determinare la distanza dell'onda a un ritardo temporale specifico per concentrarci sulla diversità degli echi.
Inoltre, quando si esegue l'elaborazione Doppler del radar, viene generato automaticamente uno spettro ottenuto dal segnale di ritorno tramite il calcolo del segnale I/Q, rendendo possibile la misurazione della frequenza Doppler dell'eco. Ciò aiuta gli scienziati a valutare l'intervallo di velocità delle diverse particelle all'interno del volume del campione.
Caratteristiche della spettroscopia Doppler
Nel volume campione del radar sono solitamente presenti più bersagli di dispersione. Ogni bersaglio ha una sua specifica variazione di frequenza, che ci consente di analizzare lo spettro Doppler misurando la potenza riflessa. La riflettività può essere calcolata dallo spettro. Integrando lo spettro, possiamo ottenere dati meteorologici rilevanti e dedurre i cambiamenti meteorologici.
Il primo momento dello spettro rappresenta la velocità Doppler media, che riflette la velocità radiale nell'intero volume del campione, mentre il secondo momento indica la larghezza Doppler, fornendo il grado di variabilità nell'intervallo di velocità rilevato.
A cosa dovremmo prestare attenzione tra i tanti parametri?
La larghezza, l'asimmetria e la picchiosità dell'effetto Doppler sono tutti parametri chiave per descrivere lo spettro Doppler. Lo studio di questi parametri aiuta a scoprire i cambiamenti microfisici e dinamici nella struttura delle nuvole, il che è fondamentale per prevedere i cambiamenti meteorologici. Inoltre, le misurazioni polarimetriche del radar forniscono una visione più approfondita del funzionamento delle precipitazioni e degli impatti dei cambiamenti climatici.
Con il progresso della tecnologia, l'ambito di applicazione del radar a onde millimetriche sta diventando sempre più ampio. Ma in questa esplorazione infinita, possiamo comprendere appieno i principi fisici alla base di queste tecnologie?
