I SATELLITI METEOROLOGICI – 2

Seconda Parte

SIGNIFICATO DELLE OSSERVAZIONI SATELLITARI

Le osservazioni da satellite possono essere fondamentalmente classificate in due grandi categorie, quelle in finestra atmosferica, che consentono la misura della radiazione emessa da un corpo, e quelle in banda di assorbimento, che forniscono invece dettagli sugli strati atmosferici interposti tra la superficie ed il satellite.

La radiazione misurata dal satellite è data dalla somma della componente riflessa, di quella trasmessa e di quella assorbita (e quindi riemessa) dal corpo che si sta osservando, ciascuna pesata con i propri coefficienti caratteristici di emissività, trasmissività e riflettività. È importante essere consapevoli di ciò, poiché lo stesso valore di radiazione misurato e, quindi, apparentemente lo stesso comportamento di oggetti diversi, può essere dovuto a combinazioni differenti delle tre componenti e portare a difficoltà o ad errori di interpretazione.

Visibile e vicino infrarosso

Le immagini riprese nella banda del visibile mostrano la luce che viene riflessa dalle nubi e dalla superficie del suolo, usando la banda da 0,5 a 1,0 m m. Esse rivelano tutti i tipi di nube e sono le migliori per l’identificazione dei sistemi meteorologici a bassa quota, che invece non risultano molto evidenti nelle immagini nell’infrarosso più avanzato, dove, ad esempio, la nebbia può risultare invisibile a causa della mancanza di contrasto termico con il suolo (o il mare) circostante. Le immagini visibili sono ovviamente disponibili solo quando l’area è illuminata dalla luce solare.

Alle ordinarie temperature della superficie terrestre, il contributo dell’emissione termica superficiale è trascurabile e l’unica sorgente naturale di energia è quindi il Sole. Le osservazioni nel visibile forniscono informazioni sull’albedo dei corpi; la conoscenza di questo parametro ha tuttavia importanza soprattutto in climatologia, mentre, dal punto di vista operativo, esse sono utilizzate per il riconoscimento, basato sulla differenza di riflettività, delle varie caratteristiche della superficie (mari, laghi, neve, ecc.,) e, soprattutto, delle nubi.

Le caratteristiche principali delle immagini visibili sono dunque:

  • contrasto terra-mare abbastanza marcato;
  • neve molto ben distinguibile dagli altri tipi di suolo;
  • nubi che, avendo un’albedo sempre superiore al 60%, presentano un forte contrasto rispetto al mare ed a quasi ogni tipo di suolo. Tuttavia, esse risultano poco distinguibili dalla neve, mentre i cirri, se sono semitrasparenti, sono indistinguibili sul suolo arido o al di sopra delle nubi più basse;
  • buon contrasto tra i diversi tipi di nube, ma non sufficiente da permetterne con sicurezza l’identificazione, senza l’ausilio di informazioni complementari (forma di sistemi nuvolosi, compatibilità con la situazione meteorologica in cui esse sono inserite, ecc.).

Inoltre, a causa della diversa altezza del Sole sull’orizzonte, le immagini nel visibile possono assumere particolari caratteristiche; ad esempio:

  • se il Sole si trova opposto al satellite rispetto allo zenit, con mare calmo può verificarsi il fenomeno del sunglint, cioè della riflessione speculare della luce solare nel campo di vista del radiometro;
  • se il Sole è abbastanza basso sull’orizzonte, le nubi a forte sviluppo verticale gettano ombra sulle nubi con sommità più bassa, dando utili indicazioni sulla presenza di nubi torreggianti e cumulonembi.

Le considerazioni fatte finora sulle immagini riprese nella banda visibile hanno carattere generale e si riferiscono ad osservazioni effettuate di norma in una banda compresa tra 0,5 e 0,7 m m. Tuttavia, variando i limiti e la larghezza delle bande di osservazione, è possibile ottenere osservazioni specializzate per diversi tipi di applicazioni.

Al fine di migliorare l’aspetto pittorico delle immagini per fini meteorologici, può essere opportuno allargare la banda del visibile fino a comprendere anche il vicino infrarosso, fino a circa 1,1 m m. In questo caso viene migliorato nettamente il contrasto tra terra e mare (che nel vicino infrarosso ha riflettività praticamente nulla) ed in generale quello tra le superfici più ricche di umidità e quelle meno umide. Le nubi rimangono sempre molto brillanti e con contorni molto ben definiti, soprattutto sul mare, completamente nero. Anche il contrasto tra nubi e neve viene migliorato. L’utilizzazione della banda larga, inoltre, è molto utile per il calcolo dell’albedo planetaria, dell’albedo superficiale e per misure di quantità di radiazione solare ricevuta e quindi per tutti gli studi di climatologia satellitare.

Infrarosso termico

Le immagini nella banda dell’infrarosso termico sono il risultato dell’energia emessa tra 10 e 12 m m da tutti i corpi alle normali condizioni ambientali, in misura dipendente dalla loro temperatura superficiale; non di meno, si deve tener presente che questa radiazione viene modificata anche dagli strati atmosferici superiori, che devono essere attraversati prima di poter raggiungere il radiometro a bordo del satellite. Al contrario, quindi, di quanto detto nel caso del visibile, alle lunghezze d’onda termiche il contributo dell’emissione terrestre non è più trascurabile, mentre lo diviene quello riconducibile alla riflessione dell’energia solare: la riflettività della superficie planetaria è qui difatti molto bassa e, pertanto, il contributo diretto del Sole può essere ignorato (nonostante l’intensità della sua radiazione sia sempre superiore), tranne che nel caso di sunglint.

La caratteristica principale di queste immagini è la loro disponibilità nell’arco delle 24 ore, che ne fa un insostituibile strumento per il nowcasting, particolarmente se presentate sotto forma di sequenze animate. Dal punto di vista pittorico, di regola, le temperature più alte vengono associate ai toni più scuri sull’immagine, le temperature più basse ai toni più chiari: con tale rappresentazione, gli oggetti più caldi appaiono più scuri degli oggetti più freddi ed il contrasto dell’immagine dipenderà dalla differenza di temperatura.

Le principali caratteristiche delle immagini nella banda termica dell’infrarosso sono:

  • contrasto terra-mare generalmente ben marcato di giorno, durante i mesi estivi, quando la terra è più calda (e quindi più scura) del mare, ma che può diventare molto debole di notte, quando la temperatura della terra diventa simile a quella del mare; l’effetto opposto si ha in inverno, quando la terra, di notte è più fredda del mare e di giorno è a temperatura simile;
  • neve ancora abbastanza distinguibile dagli altri tipi di suolo, anch’essi differenziabili in base alla temperatura superficiale;
  • contrasto tra nubi e suolo molto alto, soprattutto per le nubi a forte sviluppo verticale, ben evidenziate. Molto visibili anche i cirri, che, essendo molto freddi, presentano un ottimo contrasto sul suolo più caldo, a differenza di ciò che accade nel visibile. Il contrasto tra terra e suolo è invece basso per le nebbie, che possono essere indistinguibili dalla superficie sottostante;
  • nubi che, a differenza del visibile, sono differenziabili l’una dall’altra in base alla temperatura della loro sommità.

Le immagini riprese in questa lunghezza d’onda sono senz’altro le più usate nella pratica operativa, sia per le applicazioni di tipo qualitativo (riconoscimento di configurazioni, localizzazione di fronti, ecc.) sia per quelle di tipo quantitativo (determinazione dei venti dallo spostamento delle nubi, calcolo di temperature superficiali, calcolo dell’altezza della sommità delle nubi, stime di precipitazione, ecc.).

Medio infrarosso

Oltre alla banda termica, l’atmosfera presenta un’ulteriore finestra nel medio infrarosso, centrata attorno a 3,7 m m, che, a causa delle sue caratteristiche, offre ulteriori possibilità per l’utilizzazione delle immagini satellitari, anche se la loro interpretazione risulta meno immediata di quelle precedenti. Infatti, alla lunghezza d’onda di 3,7 m m, la radiazione ricevuta dal satellite comprende i contributi sia della luce solare riflessa dalla terra, sia dell’emissione termica superficiale terrestre; l’aspetto delle immagini diurne risulterà quindi diverso da quello delle riprese notturne. Essendo l’intensità della radiazione solare a 3,7 m m sempre superiore all’emissione termica superficiale, ne consegue che l’effetto della riflessione è di fatto l’elemento predominante in un’immagine diurna; solo su mare in assenza di sunglint (quindi in una zona con riflettività costante molto bassa) il segnale ricevuto dal satellite è un buon indice dell’emissione termica superficiale.

Le caratteristiche principali di un’immagine diurna a 3,7 m m possono quindi essere così riassunte:

  • la radiazione solare viene fortemente assorbita dall’acqua liquida e dal ghiaccio. Pertanto, le nubi costituite da piccole goccioline d’acqua hanno una riflettività abbastanza alta, che diminuisce all’aumentare delle dimensioni delle gocce. Le nubi costituite da aghi di ghiaccio presentano anch’esse bassa riflettività;
  • la neve presenta una bassa riflettività;
  • il sunglint è molto ben visibile;
  • generalmente la diffusione della luce solare non è uniforme, ma presenta delle proprietà direzionali. Infatti le nubi hanno un massimo di riflessione in avanti e, anche se in maniera inferiore, nella direzione opposta. Così le nubi che sono viste verso est al sorgere del Sole o quelle viste verso ovest al tramonto, presentano una riflettività maggiore delle stesse nubi allo zenit;
  • la riflessione da parte delle foschie leggere o da parte di particelle in sospensione nell’atmosfera è bassa (a differenza delle nebbie) e quindi questo canale presenta vantaggi per l’individuazione di strutture superficiali, che sono mascherate dalle foschie nelle lunghezze d’onda inferiori.

Come si vede, questo diverso comportamento dei corpi nei riguardi della riflettività della luce solare alla lunghezza d’onda di 3,7 m m (e quindi anche nei riguardi della emissività) porta ad un aspetto alquanto anomalo delle immagini riprese in questo canale, anche se introduce utili elementi per la discriminazione di dettagli altrimenti indistinguibili.

Dal punto di vista pittorico, le immagini possono essere presentate sia in “positivo” che in “negativo”. Nella presentazione in “positivo”, alle radiazioni più intense vengono associati i toni più chiari, a quelle meno intense i toni più scuri. Così, analogamente a quanto avviene per le lunghezze d’onda inferiori, il mare appare nero e la terra relativamente più calda; il sunglint è brillantissimo, mentre la neve ed i ghiacci sono scuri; la nebbia e le nubi basse sono brillanti, quindi ben distinguibili dalla neve e dal suolo, mentre i cumuli in accrescimento ed i cumulonembi sono via via più scuri, come pure i cirri ed i cirrostrati costituiti da aghi di ghiaccio. È anche possibile osservare le ombre scure dei cirri sulle nubi basse più brillanti.

Naturalmente le intensità relative dei vari oggetti dipendono anche dall’altezza del Sole sull’orizzonte, dall’angolo di vista e dalle stesse temperature dei corpi che, all’interno della classe di riflettività, modula in maniera abbastanza ampia il segnale ricevuto.

Nella presentazione in “negativo”, ai corpi più caldi vengono associati i toni più scuri, ai corpi più freddi i toni più chiari. Così il mare è generalmente più chiaro della terra, le zone di sunglint appaiono come macchie scure sul mare, la neve è chiara ma non brillante, mentre le nubi basse sono nere ed i cumulonembi ed i cirri sono invece più chiari.

Durante le ore notturne l’unico effetto presente sulle immagini del canale a 3,7 m m è quello dovuto all’emissione termica dei corpi. Anche in questo caso, tuttavia, il canale presenta caratteristiche alquanto diverse da quelle ordinarie dei canali termici. Così, le nebbie notturne al suolo vengono facilmente discriminate e, parimenti, anche i cirri semitrasparenti, che appaiono sensibilmente più caldi delle altre nubi costituite da aghi di ghiaccio. Questa possibilità di riconoscimento dei vari oggetti è ancora più efficace se si utilizzano tecniche di analisi multispettrale.

Dal punto di vista pittorico, la rappresentazione più ovvia per le immagini è quella “negativa”, anche se la rappresentazione “positiva” può essere utile per dare continuità alle immagini notturne e diurne, qualora queste vengano rappresentate in tale modo.

Infine va considerato che la temperatura a cui si ha il massimo dell’emissione a 3,7 m m è circa 700 K; ciò comporta che gli oggetti molto caldi sono ben visibili in questa banda, che può rivelarsi molto utile per l’identificazione di fenomeni particolari, come gli incendi, i fumi industriali, le eruzioni vulcaniche o addirittura, in condizioni particolari atmosferiche, delle tracce degli aerei in volo e delle navi in viaggio sotto uno strato di nubi basse.

Vapore acqueo

Queste immagini rivelano il contenuto atmosferico di vapore acqueo, utilizzando la banda dai 6 ai 7 m m, cioè l’intervallo dello spettro elettromagnetico dove il vapore è il principale gas responsabile dei fenomeni di assorbimento. Così, in presenza di una troposfera superiore umida, è la radiazione che si origina principalmente da questa regione quella che raggiunge il satellite e che viene solitamente mostrata in bianco; se, al contrario, la troposfera superiore è relativamente secca, allora l’emissione proviene dai livelli più bassi e caldi e l’immagine viene mostrata nera per convenzione. In un’atmosfera normalmente umida, la maggior parte del vapore acqueo misurato dal radiometro satellitare arriva dallo strato compreso tra i 300 ed i 600 hPa, ma se l’aria è secca può provenire anche da strati inferiori come la 800 hPa (da 2 a 3 km al di sopra del livello del mare).

2 – Fine

 


 

Figura 1

Un esempio di sunglint, la riflessione diretta della luce solare nel campo di vista del radiometro, provocata dalle acque del Golfo d’Arabia; in questo caso la foto non proviene da un satellite meteorologico, ma dallo Shuttle.

Figura 2 – 3 – 4

La circolazione depressionaria che ha interessato la nostra penisola il 9 Settembre 2003, ripresa dal satellite METEOSAT alle ore 11.30 UTC, rispettivamente nelle bande spettrali dell’infrarosso (a), del visibile (b) e del vapore acqueo (c). Il sito dell’Università di Ulm http://meteosat.e-technik.uni-ulm.de/ dispone di un ottimo archivio on-line di immagini Meteosat, aggiornato in tempo reale.

Figura 5 – 6

La costa est degli Stati Uniti ripresa dai satelliti polari NOAA prima (a) e durante (b) il recente black-out del 14 Agosto 2003 (foto NOAA Home Pagehttp://www.noaa.gov/).

 


 

Figura 7 – 8

Due belle immagini a falsi colori dell’uragano Isabel, ripreso rispettivamente il 9 Settembre 2003 alle 15.00 UTC sull’Oceano Atlantico dal satellite geostazionario NOAA GOES12 (a) e il 18 settembre alle 11.53 UTC sulle coste americane dal satellite polare NOAA 15 (b). Le foto provengono dal sito NOAA Operational Significanti Event Imagery http://www.osei.noaa.gov/, che raccoglie una collezione di spettacolari immagini satellitari, legate ad eventi anche non prettamente atmosferici (incendi, eruzioni vulcaniche, ecc.).

Figura 9

L’ombra della Luna proiettata sul continente europeo durante l’eclisse totale di Sole dell’11 Agosto 1999 e ripresa dal satellite METEOSAT alle ore 10.30 UTC (foto EUMETSAT Home Pagehttp://www.eumetsat.de/).

 

 


 

Dott. Marco Tadini
meteorologo

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