- Osservazione dell'atmosfera a microonde

Un modo diverso per osservare i temporali

Un ricevitore radio a microonde osserva l’atmosfera continuamente e ci aiuta a decifrare le evoluzioni, spesso repentine, della meteorologia locale.

E’ possibile, oltre che molto interessante, monitorare continuamente la troposfera utilizzando un ricevitore a microonde dedicato, specializzato per questo scopo: la seguente immagine mostra il prototipo di radiometro a microonde RALtropo.

Lo strumento, progettato e realizzato dal sottoscritto e finanziato dalle aziende che rappresento (RadioAstroLab e FASAR Elettronica), è un radiometro a microonde (10-12 GHz) calibrato ad elevata stabilità (a commutazione tipo Dicke-Switch e termostabilizzato), inserito in uno schermo solare, equipaggiato con un’antenna horn orizzontale che “vede” un riflettore metallico piano orientato a 45° in modo da puntare lo zenit. Questa configurazione è ottimale per catturare gli eventi e stimare l’intensità delle precipitazioni: impedisce che l’acqua e la sua permanenza prima dell’evaporazione interessi direttamente l’antenna, influenzando la misura. La trasmissione seriale dei dati verso una stazione di controllo equipaggiata con un software appositamente sviluppato consente di documentare in tempo reale l’evoluzione dei fenomeni che interessano la troposfera (https://blog.radioastrolab.com/la-troposfera-a-microonde/).

Prototipo RALtropo: si tratta di un ricevitore a microonde (radiometro operante nella banda di frequenze da 10 a 12 GHz) dedicato al monitoraggio continuo dell'atmosfera allo zenit. Lo strumento misura la temperatura di brillanza del cielo, la temperatura dell'aria e stima l'intensità delle precipitazioni piovose locali.
Prototipo RALtropo: si tratta di un ricevitore a microonde (radiometro operante nella banda di frequenze da 10 a 12 GHz) dedicato al monitoraggio continuo dell’atmosfera allo zenit. Lo strumento misura la temperatura di brillanza del cielo, la temperatura dell’aria e stima l’intensità delle precipitazioni piovose locali.

Il seguente grafico mostra la registrazione in una giornata meteorologicamente perturbata, caratterizzata da piogge pomeridiane con uno sviluppo temporalesco in serata. Sono mostrati gli andamenti della temperatura di brillanza del cielo allo zenit (traccia di colore blu, scala a sinistra in K) e della temperatura locale dell’aria (traccia di colore grigio, scala a destra in °C): i picchi della temperatura di brillanza sono causati dagli eventi di pioggia intercettati dallo strumento, confermati dalla misura della varianza radiometrica (traccia di colore rosso, scala in unità arbitrarie) che documenta le variazioni repentine del segnale associate alle perturbazioni meteorologiche rispetto alle condizioni di stazionarietà tipiche del cielo sereno (si veda, per confronto, il grafico successivo). In questo caso l’andamento della temperatura dell’aria non è esattamente riconducibile a quello della temperatura di brillanza atmosferica: si osserva un calo della temperatura ambiente dovuto alle perturbazioni meteorologiche.

Andamento giornaliero (30 settembre 2022) della temperatura di brillanza dell'atmosfera: si vedono i repentini incrementi di valore (traccia di colore blu) associati alle piogge e al temporale che si sono abbattuti sulla città di Senigallia. Il grafico superiore riporta anche, per confronto, l'evoluzione della temperatura dell'aria (traccia di colore grigio). Il grafico inferiore (traccia di colore rosso) visualizza le variazioni della misura radiometrica dovute alla pioggia.
Andamento giornaliero (30 settembre 2022) della temperatura di brillanza dell’atmosfera: si vedono i repentini incrementi di valore (traccia di colore blu) associati alle piogge e al temporale che si sono abbattuti sulla città di Senigallia. Il grafico superiore riporta anche, per confronto, l’evoluzione della temperatura dell’aria (traccia di colore grigio). Il grafico inferiore (traccia di colore rosso) visualizza le variazioni della misura radiometrica dovute alla pioggia.

E’ interessante confrontare la precedente registrazione con quella di una tipica giornata estiva. Il seguente grafico mostra l’andamento della temperatura di brillanza atmosferica registrato il 2 agosto 2022 con cielo sereno: si nota un massimo durante le ore centrali della giornata dovuto al riscaldamento solare, confermato dall’evoluzione della temperatura dell’aria. Quando il cielo è sereno e sono assenti formazioni nuvolose, nebbia o pioggia che, per emissione propria, contribuiscono ad incrementare la temperatura di brillanza misurata dallo strumento, il suo livello si mantiene su valori relativamente bassi, prossimi al valore teorico della radiazione a microonde proveniente dal cielo “freddo”, sereno e asciutto (pochi gradi K). In queste condizioni, come accennato, l’andamento della temperatura dell’aria è ben correlato con quello della temperatura di brillanza atmosferica.

Misure radiometriche registrate da RALtropo durante una giornata estiva di cielo sereno.
Misure radiometriche registrate da RALtropo durante una giornata estiva di cielo sereno.

L’incremento centrale della temperatura di brillanza è dovuto, oltre al riscadamento atmosferico, anche all’intercettazione di una parte della radiazione solare a microonde: anche se il Sole non transita sullo zenit nella località dove è installato il radiometro, la sua potente emissione di natura termica in questa banda di frequenze e l’ampio “campo di vista” dello strumento consentono di intercettare parte della sua radiazione quando la nostra stella culmina in cielo. Il grafico della varianza radiometrica (traccia di colore rosso), infatti, documenta un notevole incremento del rumore a microonde dovuto allla radiazione solare quando la stella è alta in cielo, parzialmente visibile all’antenna dello strumento. Ovviamente, l’intensità di tali segnali sarà proporzionale all’attività del Sole: si può quindi concepire un modo nuovo di osservare e documentare la vitalità della nostra stella e le sue variazioni nel tempo.

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