La Troposfera a Microonde

Monitoraggio delle perturbazioni troposferiche locali alla frequenza di 11.2 GHz

Per studiare l’evoluzione dei fenomeni atmosferici locali come la formazione di nubi cariche di acqua liquida o di piogge, è stato sviluppato il radiometro a microonde RALtropo (funzionante alla frequenza di 11.2 GHz) che ”osserva” continuamente il cielo allo zenit registrando le variazioni della temperatura di brillanza riconducibili a questi eventi. Lo strumento misura la radiazione solare trasmessa attraverso gli strati superiori dell’atmosfera e l’emissione propria dell’atmosfera dovuta alle molecole di gas, particelle di aerosol e acqua in forma di piccole gocce (nubi), cristalli di ghiaccio, precipitazioni, fumo, polvere e polline. Dato che la trasmissione e l’emissione di radiazione dipendono dalle proprietà specifiche dell’atmosfera, questo sistema è utilizzabile per analizzare il suo stato.

Località: Senigallia (AN) – Italia – 43.733956 N, 13.1816613 E


Il grafico, che si aggiorna automaticamente ogni 5 minuti, visualizza le variazioni della temperatura di brillanza del cielo allo zenit.

Quando la misura della varianza del segnale radiometrico supera il valore di soglia impostato (linea orizzontale di colore verde sul grafico), è elevata la probabilità di pioggia: la spia indicata con Threshold Alarm diventa di colore rosso. Un algoritmo associa la misura della temperatura di brillanza del cielo con l’intensità della precipitazione piovosa (R) espressa in [mm/h] di acqua (misura pluviometrica). Quando il cielo è sereno e asciutto (atmosfera chiara), lo strumento misura valori minimi della temperatura di brillanza, prossimi alla temperatura del fondo cosmico a microonde (CMB), mentre quando sono presenti formazioni nuvolose ricche di acqua liquida il valore aumenta, incrementandosi rapidamente in caso di pioggia. La risposta dello strumento è proporzionale al contenuto colonnare di acqua liquida “vista” dall’antenna.

Le dimensioni delle particelle presenti in atmosfera variano da frazioni di un micrometro a qualche centimetro: in funzione delle loro dimensioni e della loro composizione possono disperdere e diffondere le radiazioni. Le particelle con dimensioni paragonabili o superiori alla lunghezza d’onda della radiazione incidente tendono a diffonderla con molta efficienza, comportandosi come vere e proprie sorgenti elementari. Nella banda delle microonde e in condizioni di cielo sereno e asciutto, quindi in assenza di idrometeore (pioggia, grandine, neve) e di aerosol, la probabilità che la radiazione incidente sia diffusa è trascurabile, dato che gli altri costituenti atmosferici (molecole di gas, minuscole gocce d’acqua che costituiscono le nubi di alta quota) sono molto più piccoli della lunghezza d’onda. In queste condizioni sono importanti solo i fenomeni di assorbimento e di emissione dovuti al vapore acqueo e all’ossigeno che presentano bande di assorbimento alle frequenze di 22-30 GHz e di 51-60 GHz. D’altra parte, quando un radiometro osserva il cielo con formazioni nuvolose ricche di acqua liquida o in presenza di precipitazioni, diventa importante il contributo emissivo dell’atmosfera per diffusione dovuto alle particelle grandi come le gocce di pioggia. Se queste sono debolmente legate al mezzo, come nelle precipitazioni, si comportano come molti diffusori di radiazione discreti che incrementano considerevolmente l’intensità dell’emissione atmosferica (proporzionalmente all’intensità della pioggia), mentre una nuvola appare come un mezzo relativamente omogeneo, contribuendo in misura inferiore alla radiazione complessiva.

E’ possibile descrivere la radiazione a microonde dell’atmosfera tramite una temperatura di brillanza che comprende due contributi (legge del trasferimento radiativo): il primo riguarda la radiazione esterna proveniente dallo spazio che, se l’antenna non ”vede” direttamente il Sole, è dato solo dalla radiazione cosmica di fondo (circa 3 K) o da altri corpi celesti, con intensità trascurabile, il secondo è la somma della radiazione interna proveniente dai vari strati atmosferici attenuata dall’interazione della stessa atmosfera lungo il cammino ottico fra la sorgente e il radiometro.

Lo strumento (radiometro a commutazione termo-stabilizzato) lavora alla frequenza di 11.2 GHz con una banda passante di 50 MHz, è equipaggiato con un'antenna horn (20 dB di guadagno, ampiezza del fascio di ricezione circa 14 gradi) orientata verso lo zenit, automaticamente calibrato, misura il valore medio della temperatura di brillanza del cielo (in kelvin), la temperatura dell'aria a un'altezza di circa 9 metri dal terreno e la sua temperatura interna. Il sistema funziona continuamente e visualizza le variazioni dei parametri durante la giornata. La connessione alla rete internet consente l'aggiornamento periodico del grafico e l'acquisizione dei dati registrati.
Lo strumento (radiometro a commutazione termo-stabilizzato) lavora alla frequenza di 11.2 GHz con una banda passante di 50 MHz, è equipaggiato con un’antenna horn (20 dB di guadagno, ampiezza del fascio di ricezione circa 14 gradi) orientata verso lo zenit, automaticamente calibrato, misura il valore medio della temperatura di brillanza del cielo (in kelvin), la temperatura dell’aria a un’altezza di circa 9 metri dal terreno e la sua temperatura interna. Il sistema funziona continuamente e visualizza le variazioni dei parametri durante la giornata. La connessione alla rete internet consente l’aggiornamento periodico del grafico e l’acquisizione dei dati registrati.

Da tempo si è avviata una lunga sperimentazione per verificare la funzionalità del sistema RALtropo come rivelatore di precipitazioni. Durante il periodo di test sono state osservate molte formazioni nuvolose e precipitazioni con ottima definizione strumentale e ripetibilità: la notevole quantità di dati accumulata nei vari periodi dell’anno, al verificarsi di un’ampia varietà di condizioni meteorologiche, ha consentito una valutazione affidabile sulle tipologie di coperture nuvolose che interessano la nostra zona. Elevate variazioni nella temperatura di brillanza rivelano la presenza di formazioni nuvolose ricche di acqua che si muovono attraverso il volume di atmosfera osservato, effetti chiaramente visibili nelle misurazioni.

Interessante applicazione: monitoraggio continuo del territorio per il controllo delle inondazioni
Evento di piena del fiume MISA (Senigallia - AN), con rischio esondazione, avvenuto il 23 marzo 2016.
Evento di piena del fiume MISA (Senigallia – AN, 23.03.2016), con rischio esondazione.

Il monitoraggio con RALtropo evidenzia una pioggia abbondante e continua, iniziata il 22.03.2016 e durata circa 24 ore, che ha interessato tutto il bacino fluviale del Misa, vicino Senigallia (provincia di Ancona, Marche, Italia centrale). Data la limitata lunghezza del corso d’acqua (circa 48 km), è elevata la probabilità che si verifichino piogge intense che interessano contemporaneamente l’intero percorso. Se c’è mare mosso alla foce del fiume (Senigallia), con vento forte e persistente verso terra (scarsa ricezione delle acque fluviali da parte del mare), è probabile un evento di piena e, al limite, un’esondazione.