AEROLOGIA

AEROLOGIA (I, p. 592; App. I, p. 28; II,1, p. 31; III,1, p. 22)

Nel quindicennio 1960-75, grande contributo all'a. hanno portato la diffusione e il perfezionamento delle stazioni di misura automatiche e delle tecniche di misura a distanza di parametri atmosferici.

Il tipo di stazione automatica di maggiore utilità per l'a. si è rivelato il satellite artificiale attrezzato per scopi meteorologici. Questi veicoli vengono generalmente immessi in orbite circolari quasi-polari eliosincrone oppure equatoriali geostazionarie. Com'è noto, con le prime il satellite è in grado di esplorare l'intera superficie terrestre due volte al giorno, sorvolando la medesima località sempre alla stessa ora solare, sia diurna sia notturna, a una quota di volo tra 700 e 1500 km e con un periodo orbitale compreso tra 90 e 120 min; con le seconde, il satellite si mantiene costantemente sulla verticale della medesima località, con periodo orbitale di 24 ore, e quota di circa 35.800 km (a circa 42.200 km, cioè, dal centro della Terra); da sottolineare che da un satellite geostazionario non è possibile effettuare rilevamenti di qualche utilità sulle calotte polari, qualunque sia la longitudine di stazionarietà.

Con la prima generazione di satelliti meteorologici (il primo esemplare dei quali, il TIROS I, fu lanciato il 10 aprile 1960) sono state perfezionate le tradizionali tecniche televisive per inviare a terra immagini delle configurazioni nuvolose così come vengono osservate dallo spazio. Il vero salto di qualità nelle tecniche di telerilevamento per scopi aerologici si è avuto da quando è iniziato, sui satelliti della serie sperimentale NIMBUS, l'uso di specifici strumenti di tipo radiometrico e spettrometrico.

Il principio di base sul quale tali strumenti operano è quello di misurare l'intensità della radiazione che giunge al satellite dalla superficie terrestre e dai vari strati atmosferici in uno o più intervalli di frequenze dello spettro elettromagnetico.

Operando in intervalli spettrali nei quali l'atmosfera si presenta sufficientemente trasparente, cioè in "finestra atmosferica", si ottengono dati relativi alla superficie superiore dei corpi condensati (non trasparenti per radiazioni di quell'intervallo) più vicini al satellite nel suo campo di vista.

Le finestre atmosferiche che più interessano l'a. si trovano nei campi del visibile e dell'infrarosso vicino (0,5 ÷ 1,0 μm), dell'infrarosso medio (3,5 ÷ 4,1 μm; 8,5 ÷ 9,5 μm; 10,5 ÷ 12,5 μm) e delle microonde fra 3 e 10 cm.

Dall'analisi delle radianze rilevate in una finestra o simultaneamente in più finestre (analisi multispettrale) si estraggono informazioni di grande utilità.

Nel campo del visibile: immagini di tipo televisivo con informazioni "sull'albedo meteorologica" dei corpi; nel campo dell'infrarosso (fig.1): immagini analoghe, ma con i toni di grigio funzione della temperatura dei corpi (da notare che le immagini in infrarosso si ottengono anche di notte: di qui il loro eccezionale interesse, in campo operativo, per l'assistenza meteorologica); nel campo delle microonde: immagini, nelle quali i toni di grigio vengono soprattutto determinati dallo stato d'imbibizione della superficie terrestre (operando nella finestra delle microonde non solo l'atmosfera ma anche le nubi e le nebbie si presentano trasparenti alla radiazione, tranne le nubi e le piogge costituite di gocce grosse, che si presentano, invece, opache; si ottengono così immagini della superficie anche con cielo coperto, purché non vi siano precipitazioni di tipo temporalesco). Osservazioni multispettrali nel visibile e nell'infrarosso con speciali radiometri (fig. 2) permettono di ottenere mappe di temperatura superficiale del mare (fig. 3) o del suolo e mappe di copertura nuvolosa, con riconoscimento delle nebbie (anche sul mare), dei tipi di nubi e dell'altitudine raggiunta dalla loro cima; analisi del genere, includenti anche le microonde, dànno mappe del grado di umidità del terreno, informazioni sullo stato di agitazione del mare, sul tipo e sulla quantità di precipitazione (specie sul mare), sull'estensione, età, e cambiamento di stato dei ghiacci: queste informazioni, fondamentali per lo studio dello stato del suolo, sono molto importanti anche per l'a., in quanto permettono di studiare i vari aspetti dell'interazione dell'atmosfera con la superficie terrestre (mare, suolo), suo limite inferiore.

Da sottolineare che nelle finestre del visibile e dell'infrarosso gli strumenti montati a bordo dei satelliti attualmente operativi hanno una risoluzione orizzontale al suolo di 0,9 km e che nell'estrazione dei dati di temperatura la deviazione standard è di circa 1 °C; gli strumenti che operano nella finestra delle microonde sono invece ancora montati soltanto sui satelliti della serie sperimentale NIMBUS e hanno una risoluzione di circa 30 km.

Effettuando con appositi strumenti (fig. 4) misurazioni in bande spettrali nelle quali la radiazione è sottoposta a processi di assorbimento ed emissione da parte dei gas atmosferici, ogni strato atmosferico dà un contributo radiativo funzione della sua temperatura e del valore della funzione d τ(λ, p)/d ln p (chiamata "funzione-peso"), dove con τ (λ, p) s'indica la trasmissività dell'atmosfera, nell'intero strato fra il livello a pressione p e quello di volo del satellite, per la radiazione di lunghezza d'onda λ; l'andamento di questa funzione con la quota (fig. 5) mostra che, per ogni lunghezza d'onda, il contributo è fornito in massima parte da uno strato di un certo spessore e a una determinata quota. Per gli studi aerologici si effettuano allora misure simultanee di radianza in vari intervalli spettrali, molto stretti, a diverso grado di assorbimento; operando in un numero discreto di canali (in modo che le relative funzioni-peso siano praticamente indipendenti) si ottiene una sorta di "stratigrafia" dell'atmosfera; dai dati raccolti, con procedimenti matematici molto complessi si determina o l'andamento verticale della temperatura atmosferica oppure il variare con la quota del contenuto percentuale del gas assorbente (vapore acqueo, ozono, ecc.).

Le bande di assorbimento interessanti l'a. sono molte, ma particolare importanza ha assunto la banda di assorbimento di CO₂ 13 ÷ 16 μm in quanto fino a circa 100 km di altezza il contenuto di CO2 è percentualmente costante in volume: ciò permette di estrarre da misure in questa banda il profilo verticale della temperatura nell'atmosfera; dal 1974 i satelliti polari statunitensi della serie NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration, degli SUA) hanno a bordo uno strumento "operativo" (chiamato VTPR, da Vertical Temperature Profile Radiometer) che permette di ottenere una "stratigrafia termica" dell'atmosfera su quasi tutto il globo due volte al giorno (fig. 6). Lo scarto quadratico medio tra i profili di temperatura ricavati dai dati da satellite e quelli ottenuti con i tradizionali radiosondaggi è attualmente di circa 2 °C, ma è suscettibile di ulteriore riduzione.

Tramite le equazioni della statica dei fluidi, dai profili di temperatura si ricavano i profili del geopotenziale, cioè le altezze delle superficie isobariche, la conoscenza delle quali è di primaria importanza nella dinamica dell'atmosfera.

Inoltre, dall'analisi delle immagini trasmesse dai satelliti, in particolare dai satelliti geostazionari, si scelgono con opportuni criteri nubi o sistemi nuvolosi "trasportati" dalle masse d'aria in movimento; confrontandone lo spostamento in una sequenza di immagini successive con metodi manuali o automatici, si possono estrarre un gran numero di vettori "vento" localizzabili alla giusta quota su aree molto vaste, in particolare sugli oceani, laddove la rete di osservazioni tradizionali è assolutamente deficitaria. La precisione di dati di vento così ottenuti è già accettabile per numerose applicazioni.

Il telerilevamento da satellite si è quindi rivelato come mezzo potente e insostituibile per una sistematica, omogenea e affidabile sorveglianza continua dello stato dell'atmosfera. Sono in corso esperimenti per estrarre il profilo verticale dell'umidità, e la distribuzione orizzontale del vapor d'acqua e dell'ozono a vari livelli nell'intera atmosfera.

In potenti elaboratori elettronici i dati meteorologici sono trattati con procedimenti matematici assai sofisticati tramite le equazioni della statica e della dinamica dei fluidi e della termodinamica dell'atmosfera attraverso "modelli numerici", altro settore di notevole progresso per l'a.; i prodotti elaborati hanno già raggiunto un notevole grado di affidabilità, in particolare per quanto riguarda la previsione dell'evoluzione a grande scala dello stato dell'atmosfera fino a due o tre giorni successivi (fig. 7).

Si è inoltre intensificata la cooperazione internazionale in tutti i settori dell'a.; sotto l'egida dell'Organizzazione Meteorologica Mondiale (OMM), nel 1967 è iniziato il programma della Vigilanza meteorologica mondiale per l'osservazione dei fenomeni atmosferici nel mondo e per lo scambio e l'elaborazione dei dati, e nel 1970, con il patrocinio dell'OMM e dell'ICSU (International Council of Scientific Unions) si è dato il via a un programma di ricerca sull'atmosfera del globo (GARP, Global Atmospheric Research Program), i principali obiettivi del quale sono: aumentare la precisione delle previsioni da 24 ore a più settimane, e migliorare la comprensione dei fondamenti fisici del clima. Per realizzarli, è stato previsto per il 1978 il primo esperimento globale del GARP (FGGE); un primo grosso esperimento, denominato GATE (GARP Atlantic Tropical Experiment), si è già svolto nel 1974, dal 15 giugno al 23 settembre: con base operativa a Dakar, sono state effettuate osservazioni continue e con tutti i mezzi disponibili (tra i quali 13 aerei e 391 navi particolarmente attrezzati) sulla fascia tropicale atlantica. La zona di convergenza intertropicale è infatti fondamentale nella fisica dell'atmosfera come sorgente primaria di calore e vapore acqueo, e la conoscenza dei fenomeni che in essa si manifestano è di vitale importanza per la comprensione delle basi fisiche del clima; i dati del vento estratti dalle immagini dei satelliti in questa zona si sono rivelati insostituibili, perché in essa il campo del vento, non essendo in equilibrio con il campo della pressione, non si ricava da questo negli usuali modelli di simulazione numerica con equazioni di bilanciamento, e deve essere "osservato".

Bibl.: P. D. Thompson, Numerical weather analysis and prediction, New York 1961; G. J. Haltiner, Numerical weather prediction, New York e Londra 1971; B. Bizzarri, Sondaggi di temperatura mediante misure radiometriche da satellite, in Rivista Meteorologica dell'Aeronautica, 31, 2, 1971; A. Schwalb, Modified version of the improved TIROS operational satellite (ITOS D-G), NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) Techn. Mem. NESS 35, Washington, apr. 1972; The NIMBUS 5 User's Guide, Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland, nov. 1972; S. Fritz e altri, Temperature sounding from satellites, NOAA Techn. Mem. NESS 59, Washington, luglio 1972; M. Fea, B. Bizzarri, Analisi dei risultati ottenuti dal SIRS-A nel telerilevamento del campo della temperatura sul Mediterraneo, in Atti del XIII Convegno internazionale tecnico-scientifico sullo spazio, Roma, marzo 1973; W. L. Smith e altri, Retrieval of atmospheric temperature profiles from satellite measurements for dynamical forecasting, in Journal of applied meteorology, 11, 1, 1972; B. Bizzarri, C. Finizio, Application of NIMBUS III temperature soundings for hemispheric analysis and forecasting in the lower stratosphere, in Proceedings of the international symposium on meteorological satellites, CNES (Centre National d'Études Spatiales), Parigi 1973.