La grande scienza. L'osservazione della Terra dallo spazio
La grande scienza. L'osservazione della Terra dallo spazio
L'osservazione della Terra dallo spazio
Prima dell'avvento dei satelliti artificiali si poteva soltanto immaginare come la Terra apparisse dallo spazio, con i suoi oceani, le nubi e i paesaggi in continua evoluzione. L'unico suggerimento di tale immagine veniva dalla luce cinerea, la luce solare che la Terra riflette illuminando il lato oscuro della Luna. La comprensione delle leggi universali del moto che governano le orbite delle stelle, dei pianeti e di qualsiasi altro corpo nello spazio ha permesso di porre le basi per il volo delle astronavi. Isaac Newton, nei Principia del 1687, presentò uno schema di come un corpo, sufficientemente accelerato, avrebbe potuto lasciare la Terra e restare in orbita. Nel XIX sec. James C. Maxwell mostrò che l'energia avrebbe potuto propagarsi nello spazio vuoto, ponendo le basi teoriche della comunicazione spaziale. Nel XX sec. la meccanica quantistica, chiarendo precisamente come la luce, e in generale la radiazione elettromagnetica, interagisca con la materia, ha permesso di sviluppare strumenti satellitari in grado di rilevare le proprietà della Terra dallo spazio.
Si deve però attendere l'ultima metà del XX sec. per vedere come questi progressi teorici, accompagnati da uno sviluppo adeguato della microelettronica a stato solido, abbiano permesso la costruzione di strumenti leggeri e a bassa potenza adatti al volo. La tecnologia della missilistica (Winter 1989) ha poi consentito di mettere in orbita satelliti artificiali ed esseri umani e di raggiungere la Luna. Gradualmente si è passati dal breve viaggio del primo Sputnik sovietico del 1957 alla costellazione multiforme di satelliti, dotati di sofisticate strumentazioni e di stazioni spaziali equipaggiate, che oggi circondano la Terra. È indubbio che la tecnologia satellitare ha cambiato significativamente la nostra visione del mondo.
Questo articolo presenterà sinteticamente la storia delle osservazioni della Terra dallo spazio, articolandola in quattro paragrafi. Nel primo si presenteranno alcuni aspetti scientifico-tecnologici fondamentali sui satelliti, sulla strumentazione di cui sono equipaggiati e sulle orbite che essi seguono; nel secondo si ripercorrerà la storia dello sviluppo satellitare; nel terzo si parlerà delle misure effettuate dai vari satelliti ora in orbita; infine, nell'ultimo, si analizzeranno i temi che sono oggetto di cooperazioni internazionali e le prospettive per il futuro. In particolare ci si concentrerà su quei satelliti e i relativi strumenti, che sono utilizzati per misurare e controllare i cambiamenti solari e terrestri, importanti per capire e gestire l'ambiente. Non verranno invece considerati, in questa sede, gli altri numerosi satelliti in orbita per comunicazioni, esplorazioni planetarie e scopi militari.
Se l'era spaziale è nata con una competizione tra due nazioni, l'Unione della Repubbliche Socialiste Sovietiche e gli Stati Uniti d'America, all'inizio del XXI sec. sono più di 20 le nazioni attivamente coinvolte nella costruzione e nel lancio dei satelliti e nello sviluppo dei loro strumenti, e più di 75 paesi collaborano in vari modi a programmi satellitari.
Uno strumento situato su un satellite in orbita intorno alla Terra fornisce l'indubbio e unico vantaggio di catturare l'immagine d'insieme di ciò che sta sorvolando e non vi è altro modo per ottenere tale risultato. Così i sistemi satellitari hanno permesso alla società di acquisire e diffondere informazioni sulle condizioni e sui cambiamenti ambientali - meteorologici, climatici, terrestri, oceanografici - su scala locale e globale, e di ottenere dati sul Sole e sulla sua interazione con la Terra.
Le rilevazioni scientifiche da satellite sono state utilizzate molto efficacemente per comprendere meglio l'atmosfera, l'oceano, le regioni polari e fornire informazioni sulle tendenze a lungo termine che si manifestano nell'ambiente. Gli strumenti sviluppati hanno fornito dati che sono diventati sempre più precisi e utili.
Gli strumenti e le orbite dei satelliti
Un satellite artificiale è un oggetto, nello spazio, dotato di strumenti che effettuano e trasmettono sulla Terra rilevazioni di luce, onde radio, emissioni termiche e altre radiazioni elettromagnetiche di origine terrestre e, in alcuni casi, particelle cariche provenienti dal Sole. Questo processo è chiamato 'rilevamento a distanza' (remote sensing), poiché la registrazione delle informazioni avviene senza contatto diretto con il fenomeno che ne è alla base. Il satellite deve trasportare un sistema per autoalimentarsi, volare a una quota sufficientemente alta (di solito non meno di 400 km al di sopra della Terra), in modo che la resistenza d'attrito da parte dell'atmosfera sia minima, ed essere affidabile per alcuni anni. I satelliti possono avere meno di un metro di diametro, e trasportare soltanto uno strumento e l'apparecchiatura di collegamento, o essere grandi come un vagone e contenere molti strumenti. La dimensione è limitata dal peso che un razzo può lanciare. Oggi, razzi estremamente potenti possono mettere in orbita satelliti di molte tonnellate. I satelliti di solito restano in funzione per alcuni anni e poi sono dismessi; alcuni sono riportati verso la Terra e bruciano nell'atmosfera, altri vengono semplicemente spostati in orbite diverse, in modo da poter essere rimpiazzati da nuovi satelliti.
I satelliti sono equipaggiati con due tipi di strumenti di rilevamento a distanza, che si distinguono in passivi e attivi, come spiegato in seguito. Tutti gli strumenti devono avere una piattaforma di osservazione stabile; inoltre, al fine di indicare continuamente una determinata posizione sulla Terra, i satelliti sono dotati di un sistema giroscopico. La fig. 1 mostra il primo satellite al mondo per le previsioni meteorologiche mentre viene sottoposto a un controllo, prima del suo lancio, nel 1960.
I sensori passivi
Gli strumenti 'passivi' raccolgono informazioni sull'ambiente spaziale nel quale viaggiano. Essi registrano anche la radiazione a diverse lunghezze d'onda e le particelle cariche emesse dal Sole e dalla Terra. Generalmente, tali strumenti sono formati da un telescopio o da un altro dispositivo di messa a fuoco, da rivelatori di varie lunghezze d'onda o di particelle cariche, e dall'elettronica necessaria per l'elaborazione automatica dei dati. Questo genere di strumenti non richiede l'erogazione di grandi potenze; di solito bastano quantità dell'ordine delle decine di watt. Il telescopio è generalmente progettato per tracciare una mappa della Terra attraverso una struttura a scansione regolare, elettronica o meccanica, ma può anche essere diretto ad aree di interesse specifico, che appaiono al satellite mentre viaggia nella sua orbita. I dati sono raccolti e memorizzati in registratori a nastro o in memorie a stato solido e trasmessi sulla Terra direttamente via radio o per mezzo di speciali satelliti dedicati. In tutto il mondo vi sono stazioni operative che raccolgono dati e riforniscono gli utenti. All'inizio dell'era satellitare gli strumenti di rilevamento a distanza a bordo erano semplici macchine fotografiche e le scatole delle pellicole impressionate erano lasciate cadere con un paracadute affinché un aeroplano le potesse raccogliere. Sebbene fosse un meccanismo complesso, in effetti si rivelò fattibile.
Il tipo più semplice di sensori passivi è il sistema di formazione delle immagini (imaging) che scatta un'istantanea esattamente come una macchina fotografica comune. La fotografia fornisce una risoluzione molto alta, ma l'intervallo di lunghezze d'onda da rilevare è limitato e i dati non possono essere utilizzati immediatamente. Con il rilevamento totalmente elettromagnetico e la comunicazione radio, invece, la maggior parte dei dati può essere disponibile entro alcune ore. Possono essere rilevati dati su tutto lo spettro elettromagnetico, dall'ultravioletto al visibile, alle lunghezze d'onda termiche, alle microonde. La radiazione di microonde è assorbita meno dall'acqua e dal vapore acqueo, e può, quindi, penetrare attraverso le nubi ed essere utilizzata per il controllo del ghiaccio marino durante il lungo inverno polare o per misurare la quantità di umidità del suolo.
Il livello successivo dei sensori passivi è il sistema di scandaglio, che fornisce informazioni su una particolare proprietà dell'atmosfera in funzione dell'altezza, per esempio, l'umidità o la temperatura. Ci sono due modi in cui uno strumento può compiere questa analisi: per occultazione o per emissione. Nell'occultazione il satellite osserva una stella o il Sole attraverso il bordo dell'atmosfera, misurando come la luce sia assorbita diversamente a varie altezze. L'emissione di radiazione nell'atmosfera da parte di molecole come l'ossigeno dipende, invece, dall'altezza e dalla temperatura, per cui l'emissione totale in una particolare posizione può dare informazioni sulla temperatura.
I sensori attivi
Gli strumenti 'attivi' producono e inviano impulsi di energia elettromagnetica (luce o radioonde) dal satellite alla Terra. L'impulso riflesso, sebbene debole, può essere rilevato e quindi registrato e trasmesso a terra. Poiché gli impulsi viaggiano alla velocità della luce, il tempo che impiegano per andare avanti e indietro dal satellite alla Terra fornisce una misura precisa dell'altezza del satellite rispetto alla Terra. La forma dell'impulso di ritorno dà anche informazioni sulla superficie che lo ha riflesso. Poiché l'impulso riflesso deve essere tanto forte da essere rilevato nello spazio, questo genere di strumenti richiede una maggiore potenza rispetto a uno strumento passivo - di solito dell'ordine di centinaia di watt. Gli strumenti attivi più diffusi utilizzano impulsi radar e possono dare informazioni sulle proprietà superficiali e subsuperficiali della Terra.
I generatori di potenza
Sia il sistema giroscopico sia i sistemi elettronici di rilevamento assorbono potenza. Poiché i satelliti trascorrono la maggior parte del loro tempo esposti alla luce solare, la soluzione che di solito si adotta per il rifornimento energetico è l'uso di celle solari con batterie di accumulatori. I pannelli solari sono spesso organizzati in modo da potersi spostare continuamente al fine di massimizzare l'area di esposizione al Sole; su alcuni satelliti cilindrici le celle solari sono montate su tutta la superficie esterna. Si può produrre potenza anche tramite la fissione nucleare. I reattori nucleari spaziali forniscono una sorgente di energia compatta, che genera molta più elettricità di quanta di solito ne producano grandi insiemi di celle solari. La propulsione nucleare è indispensabile per le astronavi dirette verso i pianeti esterni, dove la luce solare è troppo debole perché siano efficienti le celle solari. I reattori spaziali sono però generalmente ritenuti pericolosi per il rischio di rilascio di materiali nucleari nell'atmosfera nel caso in cui si verificasse un'esplosione nella fase di lancio o un'eventuale rottura per riscaldamento nell'atmosfera. La prima battaglia pubblica contro l'uso dei reattori spaziali avvenne nel 1978, quando il Canada Settentrionale fu in parte contaminato da detriti radioattivi provenienti da un Cosmos 954 sovietico in avaria; il dibattito è ancora in corso.
La dinamica delle orbite
I satelliti naturali che ruotano attorno ai pianeti, come la Luna, sono tenuti in orbita dalla mutua forza gravitazionale. La gravità, che è una forza attrattiva, fornisce l'accelerazione centripeta necessaria per far muovere il satellite su un'orbita intorno al pianeta. Le leggi del moto di Newton possono essere usate per calcolare il periodo di rotazione, che dipende dalla massa del pianeta, dalla costante gravitazionale e dalla distanza tra il pianeta e il satellite. Così, per esempio, la Luna orbita intorno alla Terra una volta al mese e Giove orbita intorno al Sole ogni dodici anni. L'attrazione gravitazionale del Sole e della Luna su un satellite artificiale in moto intorno alla Terra sono fattori che hanno un effetto secondario sulla sua orbita. Il satellite non può però essere troppo vicino alla Terra, altrimenti l'attrito con l'atmosfera lo rallenta, facendolo bruciare e precipitare. Un altro fattore di rischio è costituito dalle fasce di radiazione presenti intorno alla Terra, che possono avere un effetto deleterio sulla strumentazione satellitare e devono perciò, se possibile, essere evitate.
L'orbita polare
Tipicamente i satelliti meteorologici hanno un'orbita che passa sui poli e attraversa l'equatore ad angolo retto. Il piano dell'orbita polare è così ortogonale al piano equatoriale. Di solito l'altitudine di un satellite in questa orbita è di circa 900 km al di sopra della superficie terrestre; esso è così abbastanza vicino per risolvere bene le immagini raccolte dagli strumenti, ma ben al di sopra dell'atmosfera per evitare l'attrito di frenamento, che comprometterebbe la sua durata. A questa distanza, il satellite impiega circa 100 minuti per compiere un giro intorno alla Terra e, poiché questa a sua volta ruota, si ottiene una copertura completa del pianeta due volte al giorno. Questi satelliti trasportano strumenti con un campo visivo molto più largo di altri che orbitano alla stessa altezza, quali i satelliti Landsat o alcuni satelliti commerciali ad alta risoluzione. Un Landsat, proprio a causa del campo visivo più stretto, impiega ben 16 giorni per esplorare tutta la Terra. Per ottenere un ampio campo visivo è richiesta un'ottica speciale per misure nel visibile, oppure una grande antenna per misure radar o di microonde. Per esempio, a una lunghezza d'onda di alcuni centimetri, un'antenna di dieci metri fornisce una risoluzione di circa un chilometro, che è al limite delle attuali possibilità tecnologiche. Alte risoluzioni richiederebbero antenne ancora più grandi: per ottenere una risoluzione di un metro servirebbe un'antenna lunga molti chilometri.
L'orbita sincrona rispetto al Sole
Le orbite polari sono spesso scelte in modo tale da risultare 'sincrone rispetto al Sole', ciò vale a dire con il satellite che percorre un'orbita che è sempre la stessa rispetto al Sole; in tal modo il satellite passerà sempre su una certa area della Terra alla stessa ora del giorno. Questa proprietà è fondamentale per i satelliti meteorologici e per gli strumenti che utilizzano l'illuminazione solare per osservazioni particolari, per esempio per misurare il colore dell'oceano o della vegetazione terrestre. Perché si realizzino le condizioni suddette, il piano dell'orbita deve cambiare mentre la Terra gira intorno al Sole nel corso dell'anno. Per fare ciò, si è trovato un modo ingegnoso. La Terra è leggermente schiacciata, cioè appiattita ai poli e rigonfia all'equatore. Questa maggiore massa presente all'equatore attrae il satellite nella sua rotazione attorno alla Terra e fa in modo che il piano dell'orbita si sposti lentamente dalla sua posizione originale nello spazio. Adattando l'altezza dell'orbita e la sua inclinazione rispetto al piano all'equatore, è possibile regolare la velocità del cambiamento del piano dell'orbita satellitare in modo che questa sia sempre la stessa rispetto al Sole.
L'orbita geostazionaria
Al crescere della distanza fra il satellite e la Terra, una parte maggiore della superficie terrestre entra nel campo visivo del satellite e aumenta anche il tempo impiegato da questo per orbitare. A una distanza di circa 36.000 km, un satellite impiega un giorno per compiere un giro intorno alla Terra e poiché questa ruota su sé stessa in un giorno, si ha che il satellite e la Terra ruotano alla stessa velocità. Se il satellite è nel piano in cui giace l'equatore terrestre, sorvolerà sempre un certo punto fisso sulla Terra, ossia resterà sempre nella stessa posizione rispetto alla superficie terrestre. L'orbita in cui il satellite è nel piano equatoriale e a 35.800 km dalla superficie, ossia a 42.180 km dal centro della Terra, è chiamata 'geostazionaria'. In Natura tali orbite si verificano raramente: la piccola luna di Marte, Deimos, non è lontana dall'orbita stazionaria rispetto a Marte. Trovandosi nel piano equatoriale, il satellite fornisce una copertura eccellente dei tropici e delle latitudini intermedie, ma non può esaminare le alte regioni polari. Gli attuali sistemi operativi dei cinque satelliti geostazionari, progettati ad hoc, forniscono una copertura continua della maggior parte delle strutture meteorologiche variabili della Terra. La fig. 2 mostra l'attuale Geostationary operational environmental satellite (GOES) gestito dalla US National oceanic and atmospheric administration (US NOAA). Le orbite geostazionarie sono utili nelle comunicazioni: Arthur C. Clarke, lo scrittore di fantascienza pioniere delle comunicazioni satellitari, propose proprio un insieme di satelliti geostazionari che avrebbe potuto fornire una copertura universale per le comunicazioni. Oggi l'orbita geostazionaria è così affollata da satelliti per trasmissioni, comunicazioni e osservazioni, che le posizioni che essi occupano devono essere stabilite da un comitato internazionale.
Le altre orbite
Oltre ai satelliti che percorrono l'orbita polare e a quelli in orbita geostazionaria vi sono i satelliti che descrivono orbite ellittiche, la cui traiettoria in alcuni punti è molto più vicina alla Terra. Queste orbite possono fornire indicazioni precise di un'area specifica della Terra. Un'altra possibilità è quella rappresentata dal Global positioning system (GPS) americano, composto di 24 satelliti con un periodo di 12 ore, su orbite a metà tra quelle polari e quelle geostazionarie.
La storia delle osservazioni della Terra dallo spazio
Il primo satellite artificiale fu lanciato nel 1957 dall'URSS; seguì, nel 1958, la missione dell'Explorer americano, i cui dati permisero a James Van Allen la scoperta delle fasce di radiazione che portano il suo nome. Nello stesso anno anche la Cina lanciò un razzo. Ci furono, poi, rapidi sviluppi all'inizio degli anni Sessanta. La prima generazione di satelliti meteorologici con orbita polare, con Television and infrared observation satellite (TIROS-1), fu inaugurata nel 1960 dalla NASA per effettuare le misurazioni sistematiche della copertura nuvolosa della Terra. Nel 1962 l'URSS iniziò il lancio di una serie di satelliti di ricognizione fotografica e il Canada e la Gran Bretagna progettarono satelliti per la ricerca. Nel 1964, l'Italia mise in orbita il suo primo satellite, il San Marco, per studi sulla ionosfera. In seguito, il programma spaziale italiano continuò a fornire contributi nei rilevamenti a distanza. Nel 1965, la Francia lanciò il suo primo satellite e l'URSS sviluppò un programma satellitare meteorologico che continua ancor oggi.
Il rilevamento a distanza della Terra dallo spazio nacque dal programma Gemini della NASA, durante il quale gli astronauti fotografarono la Terra, cercando aree di importanza geologica e agricola. La NASA attuò anche un programma, chiamato Lunar orbiter, in cui cinque satelliti orbitarono intorno alla Luna, nel 1966 e nel 1967, al fine di preparare lo sbarco della navicella Apollo sulla sua superficie. Gli strumenti utilizzati nel Lunar orbiter furono prima provati su luoghi della Terra simili al paesaggio lunare. Si capì così che le fotografie potevano essere utili nello studio della geologia e nella ricerca dei minerali sulla Terra e l'interesse si diffuse ad altre discipline che ne potevano trarre benefici - l'agricoltura, la silvicoltura, l'idrologia, la cartografia e l'urbanistica. Da qui derivò il programma NASA sulle risorse della Terra che portò al primo satellite Landsat - una serie che continua ancora oggi.
Nell'ultima metà degli anni Sessanta ci fu lo sviluppo dei satelliti geostazionari; il primo di questi fu costruito e lanciato dalla NASA. Tre di questi satelliti per scopi tecnologici furono messi in orbita nei successivi dieci anni per poi essere sostituiti, a metà degli anni Settanta, dai satelliti meteorologici sincroni, i precursori degli attuali GOES e di satelliti simili, realizzati dall'European space agency (ESA), dal Giappone, dall'India e da altri paesi. Nei primi anni Settanta furono costruiti i primi satelliti americani per l'analisi della superficie terrestre: gli Earth resources technology satellites (ERTS) e i Landsat. Anche Giappone e Germania Occidentale furono attivi in queste ricerche. Alla fine degli anni Settanta, vennero messi in orbita satelliti specializzati per controllare la Terra e gli oceani e iniziarono le prime misure continue della radiazione solare. Una serie di cinque satelliti geostazionari - che continua ancora oggi - fu costruita per il Global weather experiment nel 1979. Di questa serie due satelliti sono statunitensi, uno europeo, uno giapponese, uno indiano (l'India lanciò il suo primo satellite nel 1980).
Il grande passo successivo nella tecnologia satellitare avvenne con il francese Satellite pour l'observation de la terre (SPOT) nel 1986. Questo fu il primo di una serie di satelliti per la produzione commerciale di immagini della Terra: i dati sarebbero stati venduti, contrariamente a quanto era avvenuto fino a quel momento. Questo programma inaugurò una fase di imprese commerciali dei dati satellitari, ora presenti in numerosi paesi. Negli ultimi anni Ottanta e nei primi anni Novanta, ci fu una forte spinta per la progettazione integrata di satelliti per l'osservazione della Terra e sia la NASA sia l'ESA svilupparono nuovi programmi per grandi satelliti dotati di molti strumenti. Il primo di questi a essere messo in orbita, l'Earth resources satellite (ERS-1) dell'ESA, ebbe un enorme successo e dimostrò che è possibile il controllo simultaneo di molti parametri. La miriade di immagini spettacolari rivelò l'importanza della raccolta di tali dati. L'ESA proseguì con l'ERS-2, che è tuttora in orbita. La NASA lanciò una serie impressionante di satelliti, tra i quali l'Upper atmospheric research satellite (UARS), per il controllo della chimica nell'alta atmosfera, e il TOPEX/POSEIDON, progettato per misure di precisione della forma della superficie oceanica. Ognuno di questi satelliti produce ancora dati eccellenti, che forniscono nuove e preziose informazioni sulla Terra. Sempre durante gli anni Novanta, la NASA fu impegnata anche in una fase di intensa pianificazione che portò alla realizzazione di due satelliti principali, Terra e Aqua, che sono ancora attivi, e a molte missioni minori più specializzate.
Durante lo stesso periodo, anche India e Giappone conseguirono rapidi progressi nei loro programmi satellitari. L'India aggiunse un satellite di orbita polare al suo precedente programma, estremamente efficace, relativo a satelliti geostazionari. Il Giappone realizzò nuovi satelliti di rilevamento a distanza degli oceani e, in seguito, elaborò un suo programma meteorologico geostazionario. Anche Cina, Brasile e Israele accrebbero le loro capacità nelle tecniche di rilevamento a distanza.
I satelliti attualmente in orbita e ciò che essi misurano
Attualmente una vasta gamma di satelliti orbitanti effettua molte e diverse misure. Il sistema satellitare operativo comprende almeno otto satelliti in orbita geostazionaria, sei in orbita polare e due in orbite ellittiche. Questi satelliti, prodotti da Stati Uniti e Europa attraverso la European organization for the exploitation of meteorological satellites (EUMETSAT), e da Russia, India, Cina e Giappone, forniscono dati meteorologici essenziali per le previsioni del tempo e preziose informazioni ambientali sulla Terra e sul Sole.
Numerosi, inoltre, sono i satelliti sperimentali o finalizzati alla ricerca, in orbita polare e in orbita geostazionaria, che effettuano test per nuovi strumenti e nuovi tipi di dati, ma non c'è alcun impegno internazionale affinché la loro attività perduri. Le misure satellitari sono effettuate su molti parametri. Si riassumeranno, a seguire, quelli principali, iniziando con le misure relative al Sole e concludendo con quelle relative alla Terra.
Il monitoraggio del Sole
L'energia solare è indispensabile per il riscaldamento della Terra e per la possibilità della vita; in particolare, determina il sistema meteorologico e climatico del nostro pianeta. I satelliti in orbita possono controllare la radiazione elettromagnetica solare di tutte le lunghezze d'onda, dai raggi X alle onde radio. Dalle misure satellitari si possono ottenere informazioni sul verificarsi di una tempesta solare e si può capire quale sarà il suo impatto sulla Terra. Tali tempeste, infatti, producono particelle ad alta energia e campi elettromagnetici che possono disturbare le comunicazioni via satellite e distruggere i circuiti elettrici sulla Terra. Via satellite si possono anche registrare i cambiamenti nell'emissione di calore da parte del Sole e, quindi, prevederne le conseguenze sul nostro clima. Monitorando l'attività solare e l'energia riflessa dalla Terra nello spazio, si può controllare il bilancio radiativo della Terra. I satelliti, stando fuori dall'atmosfera, non sono perturbati da fenomeni di assorbimento atmosferico, e, quindi, presentano il vantaggio di essere particolarmente efficienti per misurazioni di lunga durata.
Le previsioni del tempo
Le misurazioni satellitari sono importanti per lo studio dell'atmosfera, in quanto sono sensibili ai rapidi cambiamenti che devono essere registrati per le previsioni del tempo. Sono inoltre essenziali al meteorologo per ottenere informazioni sugli oceani, luoghi in cui non c'è alcuna stazione meteorologica, se si escludono le poche navi equipaggiate con strumentazioni opportune. Tale considerazione è particolarmente significativa nell'emisfero meridionale, che è costituito principalmente da oceani. I primi satelliti meteorologici fornivano solo informazioni sulla nuvolosità, ma aiutarono gli scienziati a migliorare notevolmente nella previsione delle grandi tempeste, in particolare degli uragani e dei tifoni. La fig. 5 mostra una serie di tempeste sull'Atlantico nell'agosto 1995, registrata da un satellite GOES dell'US NOAA. Nella previsione dei cambiamenti del tempo e del clima, sono necessarie misure precise di temperatura e umidità. Con lo sviluppo della strumentazione, è stato possibile realizzare sia misure di temperatura sia di umidità dell'atmosfera. Inoltre, un monitoraggio migliore della nuvolosità consente ora di determinare accuratamente il moto, il tipo, l'altezza e il contenuto di acqua delle perturbazioni.
Tutti questi dati, insieme ai modelli matematici dell'atmosfera, sono elaborati in computer molto potenti che forniscono previsioni accurate della velocità e della direzione del vento, della nevosità, degli spostamenti dei ghiacci e della luminosità. I satelliti geostazionari, in grado di monitorare una vasta area della superficie terrestre, sono molto efficienti per seguire il moto delle grandi tempeste, mentre i satelliti con orbita polare, che coprono l'intero globo due volte al giorno, forniscono i dati necessari per l'aggiornamento dei modelli relativi alle previsioni meteorologiche. I satelliti possono anche fornire misure dei venti nella stratosfera, degli aerosol e delle caligini, in modo che si possa controllare l'impatto di questi importanti agenti. Inoltre forniscono la migliore misura globale della temperatura vicino alla superficie terrestre, dato utilizzato per determinare le tendenze a lungo termine dei cambiamenti climatici globali. Infine, i satelliti misurano regolarmente l'estensione e l'evoluzione temporale del manto nevoso, che è un altro importante parametro per le previsioni del tempo e per le valutazioni stagionali sulla disponibilità d'acqua negli studi idrologici.
Le condizioni dell'oceano
Le misurazioni satellitari sono tanto importanti per il meteorologo quanto per l'oceanografo, poiché i satelliti possono fornire un'immagine globale dell'oceano in un tempo molto breve. Per esempio, i satelliti meteorologici con orbita polare possono fornire una misura della temperatura della superficie marina globale ben due volte al giorno, mentre una nave impiega circa due settimane per coprire un solo bacino oceanico principale. La combinazione di misure da satellite e da navi ha dato agli oceanografi nuove informazioni sul comportamento dell'oceano. I satelliti attualmente orbitanti forniscono preziosi dati su venti, onde, correnti e maree, e sul colore dell'oceano, importanti per gli studi biologici. Gli strumenti satellitari registrano anche le immagini del ghiaccio marino nelle regioni polari e sono perciò utili nella navigazione e nel controllo dei cambiamenti climatici. Si può quindi affermare che, da un lato, i dati sono fondamentali per gli scienziati e, dall'altro, le previsioni dello stato dei mari che se ne ricavano, garantiscono la sicurezza delle rotte navigabili, aiutano a risparmiare combustibile e, in sostanza, determinano l'efficienza dei trasporti. L'industria delle spedizioni utilizza, infatti, i dati satellitari per determinare le rotte sicure in base alle condizioni dei ghiacci. I risultati probabilmente più significativi, conseguiti con l'uso degli strumenti attivi, sono stati ottenuti dal satellite TOPEX/POSEIDON, che misura l'altezza della superficie dell'oceano usando un sistema di radar attivi con una precisione dell'ordine del millimetro (Fu e Cazenave 2001). I dati satellitari sulla temperatura e sull'altezza della superficie marina (che danno informazioni sulle correnti oceaniche) aiutano a migliorare la previsione del fenomeno climatico El Niño e i suoi impatti globali.
È previsto che i nuovi satelliti meteorologici, in virtù di una più precisa determinazione delle temperature e delle correnti oceaniche, consentiranno di migliorare del 60% la possibilità di previsione di tale perturbazione. L'affinamento di questa capacità condurrebbe a un migliore riconoscimento dei segnali precursori del fenomeno che, a sua volta, comporterebbe, su scala globale, un risparmio superiore ai 180 milioni di dollari l'anno, per un periodo di dodici anni. Le informazioni sulle correnti oceaniche, sulle temperature e sui dati biologici raccolte dai satelliti, sono di valore inestimabile anche per la comprensione del ruolo dell'oceano nel clima e nel riscaldamento globale.
Poiché i pesci sono particolarmente sensibili alla temperatura (sono, infatti, in grado di percepire variazioni inferiori a un decimo di un grado centigrado), l'industria della pesca commerciale usa i dati satellitari sulla temperatura superficiale dei mari e sulla quantità di plancton nell'acqua per individuare le zone dove vi è più abbondanza di pesci e poiché i satelliti misurano la temperatura superficiale del mare, la maggior parte del lavoro negli ultimi anni si è concentrata su specie di pesci che nuotano più in superficie, come il tonno. Molti ricercatori hanno trovato che le zone in cui la temperatura cambia rapidamente, i cosiddetti 'fronti termici', sono aree particolarmente adatte per la pesca dei tonni. Una dipendenza dai gradienti termici è stata scoperta anche per aringhe, sgombri e calamari.
I satelliti possono comunque anche dare informazioni su pesci che nuotano in profondità. Un buon esempio di applicazione di questo tipo, in zone dove si pesca il nasello, è descritto da A. Gordoa, M. Maso e L. Voges (Halpern 2000). Si pensi che la pesca del nasello fornisce più di un milione di tonnellate di pesce. La zona di pesca del nasello nelle acque a largo della Namibia, nell'Atlantico sud-orientale, è la risorsa più preziosa della regione, e da essa proviene più di un terzo di tutto il pescato del mondo. Il calore porta i naselli a concentrarsi perlopiù vicino al fondo marino e ciò li rende più vulnerabili alle reti da profondità. Anche se altri fattori, come la concentrazione di cibo, sono altrettanto determinanti, gli esempi riferiti mostrano l'indubbia importanza pratica dei dati satellitari per individuare le aree calde.
Un obiettivo ambizioso per gli oceanografi è la misura, via satellite, della salinità dell'oceano. Studi recenti (per es., Gary S. Lagerloef, in Halpern 2000) mostrano che è possibile tracciare, da satellite, una mappa del campo di salinità superficiale globale, utilizzando le emissioni di microonde. Il problema principale è che la salinità oceanica è relativamente bassa, solo alcune parti per mille, e, perciò, il segnale da rilevare è poco intenso; sono allo studio, quindi opportuni miglioramenti per aumentare la sensibilità dei dispositivi rivelatori.
Lo studio delle terre emerse
I dati satellitari sono utilizzati in diversi modi per misurare e controllare i cambiamenti della superficie delle terre emerse. Sono stati sviluppati strumenti in grado di rilevare le differenze nella vegetazione e il contenuto di minerali. Le prime possono essere avvertite dai cambiamenti nel colore della luce riflessa percepita dal satellite, il secondo è determinato esaminando i rapporti delle lunghezze d'onda riflesse in varie bande di frequenza. Questi dati sono stati utilizzati per l'esplorazione e la pianificazione delle risorse. Gli strumenti satellitari possono anche rilevare le zone umide e l'umidità del suolo, usando dati nel campo delle microonde. Queste informazioni si sono rivelate fondamentali per la progettazione urbana e rurale, mentre i dati sulla vegetazione, su scala sia regionale sia globale, sono impiegati regolarmente dai governi e dagli scienziati. I geologi si sono serviti dei dati satellitari per trovare ed esplorare nuovi depositi di minerali e anche per osservare dinamiche geologiche (i dati radar e quelli relativi alle microonde sono particolarmente importanti per gli studi sulla terra solida). Poiché queste lunghezze d'onda possono penetrare attraverso le nubi e le zone non illuminate, è possibile controllare con continuità i cicli di raccolta e le condizioni delle piante. I radar sono determinanti anche per la mappatura geologica di regioni con una fitta vegetazione e una densa copertura nuvolosa, come nel caso dei paesi tropicali, dove la giungla e le nubi persistenti rendono molto difficile la raccolta di informazioni tramite osservazioni sul territorio o per mezzo di fotografie aeree. Inoltre, se il suolo è asciutto il radar può penetrare in profondità per alcuni metri; così, grandi aree del deserto egiziano sono state riportate su una mappa in cui vengono mostrate le caratteristiche del sottosuolo, inclusi i letti di grandi fiumi prosciugatisi, i bacini desertici e le caratteristiche del substrato roccioso (Elachi 1987).
La topografia terrestre emersa può essere studiata sia utilizzando misure dirette, sia servendosi di informazioni tridimensionali ricavate da più strumenti in orbita. Anche per cambiamenti lenti, come la deriva dei continenti, che è solo di alcuni millimetri l'anno, i satelliti possono risultare molto efficienti, e misurazioni estremamente precise della posizione dei continenti sono state ottenute utilizzando laser. I satelliti ci offrono inoltre immagini precise dei vulcani - in particolare, possono essere rilevate le emissioni termiche della lava eruttata dai vulcani attualmente attivi. Il radar può essere usato anche per misurare lo spessore della calotta antartica; la profondità della calotta glaciale dell'Antartide e di quella della Groenlandia sono state rilevate con strumenti radar trasportati su aeroplani.
La chimica atmosferica: il buco dell'ozono
Un esempio notevole dell'utilità dei satelliti nella scoperta e nel controllo dei cambiamenti ambientali è quello che riguarda la misura dell'ozono nell'atmosfera superiore; la sua improvvisa ed enorme diminuzione sull'Antartide nei mesi primaverili e quella minore, ma significativa, sul resto del mondo durante l'intero anno, furono imputati all'immissione da parte dell'uomo di un'ingente quantità di alcuni gas-traccia, come il clorofluorocarburo (CFC) utilizzato nella refrigerazione. Gli strumenti satellitari rilevarono il deficit di ozono sull'Antartide e continuano ancora oggi a tenere questo dato sotto controllo. L'ozono è una molecola composta da tre atomi di ossigeno ed è presente per meno di una parte per milione nei gas dell'atmosfera, tuttavia assorbe la maggior parte dei raggi ultravioletti dal Sole, impedendo loro di raggiungere la Terra. Se la quantità di ozono nella stratosfera diminuisce, la radiazione ultravioletta sulla superficie terrestre aumenta e può di conseguenza causare il cancro della pelle, le cateratte, le immunodeficienze, nonché danneggiare i raccolti e l'ecosistema acquatico.
La diminuzione di ozono in Antartide fu scoperta dalla British antarctic survey nel 1976 con una misura a terra, che fu confermata in seguito da un satellite della NASA chiamato Nimbus-7. I dati satellitari mostrarono che l'estensione della diminuzione di ozono era molto più grande di quanto ci si aspettasse; questa valutazione fu resa possibile dal fatto che le misure satellitari erano in grado di coprire l'intero continente antartico. Recenti studi da satellite e per mezzo di aeroplani hanno confermato che analoghi fenomeni di chimica atmosferica si verificano nell'emisfero settentrionale e che, anche qui, i cambiamenti di ozono sono problematici. Altre misure di chimica atmosferica effettuate dallo spazio riguardano il metano, molti composti dell'azoto, il monossido di carbonio e i composti del cloro. Attualmente si stanno sviluppando tecniche per estendere questo elenco. In particolare c'è la speranza che il biossido di carbonio possa essere controllato dallo spazio in modo da ottenere dati di importanza vitale per la comprensione del riscaldamento della Terra.
La coordinazione internazionale e gli argomenti di discussione per il futuro
Come si può constatare dallo sviluppo parallelo delle capacità di molti paesi diversi, l'attività delle osservazioni della Terra dallo spazio è di portata internazionale. Nel 1984, fu costituito il Committee on earth observations satellites (CEOS) al fine di coordinare le missioni civili internazionali spaziali, progettate per osservare e studiare il pianeta Terra. Il CEOS include 41 agenzie spaziali e altre organizzazioni nazionali e internazionali, ed è riconosciuto come l'organo principale di coordinamento dei programmi di osservazioni satellitari della Terra.
Il CEOS fu creato in risposta a una raccomandazione dell'Economic summit of industrialized nations working group on growth, technology, and employment's panel of experts on satellite remote sensing. Questo gruppo riconobbe la multidisciplinarità delle osservazioni della Terra via satellite e l'importanza di un coordinamento di tutte le missioni proposte. Lo scopo primario del CEOS è assicurare che siano affrontate le questioni scientifiche critiche relative all'osservazione della Terra e che siano evitate inutili sovrapposizioni tra le missioni satellitari dei vari paesi. I tre obiettivi principali del CEOS sono: ottimizzare i vantaggi delle osservazioni della Terra trasmesse dallo spazio attraverso la cooperazione dei suoi partecipanti nella pianificazione delle missioni e nello sviluppo di dati, applicazioni e politiche compatibili; servire come punto focale per la coordinazione internazionale delle attività di osservazione della Terra dallo spazio; essere organo di diffusione di informazioni politiche e tecniche per incoraggiare la complementarità e la compatibilità dei sistemi di scambio delle osservazioni e dei dati. Il CEOS pubblica una serie eccellente di documenti relativi alle osservazioni satellitari, che vanno da un database completo su satelliti, strumenti e applicazioni, a un notiziario annuale.
Un secondo gruppo internazionale importante fu fondato nel 1972 dai rappresentanti dell'ESA, dal Giappone, dagli Stati Uniti e dagli osservatori della Word meteorological organization (WMO). Più tardi si unirono all'organizzazione l'URSS, l'India, l'EUMETSAT come operatore della serie Meteosat, e la Cina. Gli incontri dell'organizzazione hanno cadenza annuale e sono occasione di scambi di informazioni tecniche e scientifiche.
L'accesso ai dati
Poiché i satelliti sorvolano molti paesi, la questione della proprietà e dell'accesso ai dati raccolti è stata argomento di discussione fin dall'inizio dell'era spaziale. Gli Stati Uniti per primi proposero una politica di 'cieli aperti' sui dati satellitari che sarebbero stati disponibili e avrebbero potuto essere raccolti senza costi supplementari. La maggior parte delle nazioni coinvolte nel rilevamento a distanza dallo spazio condivisero la proposta americana dei cieli aperti per le informazioni meteorologiche fondamentali. I dati meteorologici da satellite sono trasmessi gratuitamente direttamente alle stazioni a terra e attraverso il sistema di telecomunicazioni globali della WMO. Chiunque, con un ricevitore a terra, può sintonizzarsi sulle trasmissioni senza costi di costruzione o di utilizzo del sistema di rilevamento a distanza.
I dati meteorologici e climatici sono diventati tuttavia sempre più importanti per i diversi settori dell'economia e vari paesi hanno chiesto che la distribuzione di alcune informazioni fosse limitata e disponibile solo a pagamento. La WMO ha stabilito con i suoi membri che solo un insieme di dati di base sia disponibile gratuitamente, gli altri devono essere acquistati.
Il vertice mondiale per lo sviluppo sostenibile
Nel 2002 si è svolto a Johannesburg, in Sudafrica, il summit mondiale per lo sviluppo sostenibile, che ha riunito capi di governo di tutto il mondo. La piattaforma infine approvata ha individuato nei dati satellitari uno strumento strategico nella protezione e nella gestione delle principali risorse naturali per lo sviluppo economico e sociale e per lo sviluppo sostenibile, in particolare dell'Africa.
Nel rapporto di Johannesburg sono state individuate tre aree specifiche in cui è importante l'uso dei satelliti: la gestione delle risorse idriche, la prevenzione delle calamità e il controllo del clima. Attraverso la cooperazione in osservazioni e ricerche congiunte è stato incoraggiato il miglioramento della gestione delle risorse idriche e della comprensione scientifica del ciclo dell'acqua. A tale scopo, il summit ha promosso la condivisione della conoscenze, l'acquisizione delle capacità e l'importazione delle tecnologie satellitari nei paesi in via di sviluppo e nelle nazioni con economie di transizione.
Dal vertice è emerso che il cambiamento climatico terrestre e i suoi effetti negativi rappresentano una priorità per il genere umano, e si è ribadito l'impegno a perseguire l'obiettivo della stabilizzazione delle concentrazioni nell'atmosfera dei gas responsabili dell'effetto serra a un livello tale da evitare pericolose interferenze antropogeniche con il sistema climatico. In particolare, il summit ha sollecitato l'osservazione del sistema Terra (atmosfera, oceani e terre emerse) attraverso il miglioramento dei sistemi di monitoraggio e l'uso crescente dei satelliti. Infine si è sostenuta la proposta di integrare queste osservazioni per produrre dati di alta qualità, da diffondere su scala mondiale, e per migliorare le pianificazioni regionali, nazionali e internazionali nel controllo del sistema Terra, tra cui le osservazioni globali integrate con la cooperazione delle agenzie specializzate delle Nazioni Unite.
Nel futuro le misure da satellite saranno sempre più importanti. In particolare, la rivoluzione nella gestione delle informazioni permette oggi il trasferimento rapido di grandi quantità di dati a molti tipi di utenti. Congiuntamente alla tecnologia del rilevamento a distanza, ciò potrà contribuire a un corretto equilibrio tra uomo e ambiente.
Bibliografia
Allan 1983: Allan, Tom D., Satellite microwave remote sensing, New York, Wiley, 1983.
Baker 1990: Baker, D. James, Planet Earth - The view from space, Cambridge (Mass.), Harvard University Press, 1990.
Chen 1985: Chen, Hsi Shu, Space remote sensing systems. An introduction, Orlando, Academic Press, 1985.
Clarke 1984: Clarke, Arthur C., Ascent to orbit: a scientific autobiography, New York, Wiley, 1984.
Elachi 1987: Elachi, Charles, Introduction to the physics and techniques of remote sensing, New York, Wiley, 1987.
Feynman 1985: Feynman, Richard, QED: the strange theory of light and matter, Princeton, Princeton University Press, 1985.
Fu, Cazenave 2001: Fu, Lee-Lueng - Cazenave, Anny, Satellite altimetry and Earth sciences, San Diego, Academic Press, 2001.
Halpern 2000: Halpern, David, Satellites, oceanography and society, New York, Elsevier, 2000.
Harris 1987: Harris, Ray, Satellite remote sensing: an introduction, London-New York, Routledge and Kegan Paul, 1987.
Newell 1980: Newell, Homer E., Beyond the atmosphere: early years of space science, Washington (D.C.), National Aeronautics and Space Administration, 1980.
Rao 1990: Weather satellites: systems, data, and environmental applications, edited by P. Krishra Rao, Samuel Jackson Holmes, Ralph K. Anderson, Jay S. Winston and Paul E. Lehr, Boston, American Meteorological Society, 1990.
Stewart 1985: Stewart, Robert H., Methods of satellite oceanography, Berkeley, University of California Press, 1985.
Szekielda 1988: Szekielda, Karl-Heinz, Satellite monitoring of the Earth, New York, Wiley, 1988.
Tricker 1967: Tricker, Ronald Alfred Ranson, The paths of the planets, London, Mills and Boon; New York, Elsevier, 1967.
Winter 1989: Winter, Frank, Rockets into space, Cambridge, Harvard University Press, 1989.
Siti Internet
Committee on earth observation satellites (www.ceos.org; vedere anche www.ceos.org/pages/pub.html).
Coordination group for meteorological satellites (http://margotte.univ-paris1.fr/cgms/en/cover.htm).
Vertice mondiale sullo sviluppo sostenibile (www.johannesburgsummit.org).
World meteorological organization (www.wmo.ch).
US National oceanic and atmospheric administration (www.noaa.gov).
US National aeronautics and space administration (www.nasa.gov).
Indian space research organization (www.isro.org).
European space agency (www.esa.int).
Centre national d'études spatiales (CNES) (www.cnes.fr).
Deutsche agentur fur raumfahrtangelegenheiten (DARA) (www.isis.dlr. de/XSAR/DARA.html).
Agenzia spaziale italiana (ASI) (www.asi.it).
Japan science and technology agency (STA)/National aeronautics and space development agency (www.nasda.go.jp).
Swedish national space board (SNSB) (www.snsb.se).
British national space centre (BNSC) (www.bnsc.gov.uk).
US Geological survey (www.usgs.gov).
Canadian space agency (CSA) (www.space.gc.ca).
Australian Commonwealth scientific and industrial research organisation (CSIRO) (www.csiro.au).
Brazil instituto nacional de pesquisas espaciais (INPE) (www.inpe.br).
European organization for the exploitation of meteorological satellites (EUMETSAT) (www.eumetsat.de).