Informazioni sui radar di MeteoSvizzera e le loro immagini

Contributo apparso su Nimbus 17-18, 1997 (Fosco Spinedi, MeteoSvizzera)

Introduzione
Indubbiamente il radar evoca uno strumento legato a scopi bellici, o perlomeno abbinato all'aviazione. L'acronimo inglese radar (radio detection and ranging), usato per definire strumenti di detezione e telemetria per mezzo di onde radio, nacque infatti all'inizio della seconda guerra mondiale, quasi in concomitanza con gli aerei costruiti completamente in metallo. Fu proprio in quegli anni che i progressi tecnici permisero di sviluppare il magnetron, ossia il tubo trasmettitore che produce i segnali a microonde di alta potenza.
È comunque importante sottolineare che già all'inizio del secolo furono sperimentati metodi di detezione a distanza per mezzo di onde elettromagnetiche e che i primi successi in questo campo furono ottenuti con esperimenti di fisica atmosferica (ionosfera). Soltanto attorno al 1935 fu però riconosciuta l'importanza che le onde radio avrebbero potuto avere per scopi militari, ciò che diede la spinta decisiva per la messa a punto dello strumento.
Dopo poco tempo ci si rese conto che pure la meteorologia avrebbe potuto trarre profitto dalla tecnica radar e già durante il secondo conflitto mondiale fu notato che, in presenza di precipitazioni, strani disturbi apparivano sulle immagini: infatti, oltre agli oggetti metallici, anche le gocce di pioggia riflettono il fascio di onde elettromagnetiche emesse dal radar. Terminata la guerra, la ricerca si concentrò su questo fenomeno sviluppando dei radar che 'vedessero' il più chiaramente possibile le precipitazioni all'interno e al di fuori delle nubi. All'inizio, i radar meteorologici vennero installati negli aeroporti per aumentare la sicurezza del traffico aereo, soprattutto durante i temporali, quando fulmini e pericolose raffiche di vento possono accompagnare le precipitazioni.
Lo sviluppo iniziale fu relativamente lento a causa della mancanza di efficienti mezzi adatti all'elaborazione e alla diffusione dell'enorme quantità di informazioni prodotte, grazie invece ai progressi dell'informatica e delle telecomunicazioni degli ultimi decenni, l'elaborazione digitale e la distribuzione dei dati radar agli utenti ha oggigiorno raggiunto un livello notevole.

Funzionamento del radar
A intervalli regolari, nel trasmettitore di un radar vengono generati degli impulsi di microonde, poi convogliati all'antenna per mezzo di cosiddette 'guide d'onda'. L'antenna ha il compito di emettere questi impulsi concentrandone l'energia in uno stretto fascio. Tra un impulso e l'altro l'antenna funge da ricevitore dell'energia riflessa dai diversi oggetti colpiti. Gli impulsi di ritorno vengono chiamati echi radar e sono generalmente molto deboli, in quanto soltanto una minima parte dell'energia che colpisce un oggetto viene riflessa in direzione dell'antenna. Il segnale di ritorno viene poi convogliato a un ricevitore il quale, in base all'ampiezza del segnale raccolto e in funzione del tempo di ricezione, determina la distanza e la 'grandezza' dell'oggetto colpito.
Nei radar doppler il ricevitore è pure in grado di determinare la velocità radiale degli oggetti identificati e cioè se si muovono in direzione del radar o in senso opposto, fornendo così preziose informazioni sui venti. L'effetto doppler permette pure una miglior distinzione tra echi dovuti alle precipitazioni e quelli prodotti dal terreno, anche chiamati 'echi fissi'.
Oltre una certa distanza gli echi di ritorno risultano estremamente deboli e non sono più distinguibili dal rumore di fondo del ricevitore; il limite massimo di impiego del radar si situa quindi, a seconda della sensibilità del ricevitore, tra 150 e 250 km. In prossimità del punto di emissione dell'impulso inoltre, in un raggio di ca. 15 km, l'immagine volumetrica risulta incompleta a causa della limitata elevazione dell'antenna. Anche la curvatura della terra comporta degli inconvenienti: a 100 km dal punto di emissione, un raggio orizzontale viene a trovarsi a 800 m sopra la quota di partenza e negli strati più vicini al terreno viene persa gran parte dell'informazione. Per ovviare in parte a questo inconveniente, l'antenna del radar compie una delle sue rotazioni con un angolo di elevazione di -0.3° rispetto al piano orizzontale.

Spesso sorge l'interrogativo se le onde elettromagnetiche emesse dal radar possano essere nocive alla salute dell'uomo e degli animali e se in generale abbiano un influsso negativo sull'ambiente. La frequenza delle onde radar appartiene al campo delle onde radio e non si tratta quindi di onde ionizzanti, come lo sono invece le radiazioni ultraviolette, Röntgen o radioattive. Anche l'esposizione a campi elettromagnetici di alta intensità può però produrre una varietà di disturbi alla salute e per questi motivi l'Organizzazione mondiale per la salute ha stabilito dei limiti massimi di esposizione alle radiazioni non ionizzanti. Lo studio di impatto ambientale e sull'uomo effettuato per i radar installati in Svizzera conclude che la densità di emissione di onde elettromagnetiche è ben al di sotto dei limiti prescritti, con valori massimi di circa 300 volte inferiori.

Applicazione dei dati radar
In base all'intensità dell'eco radar, il sistema di elaborazione assegna un'intensità alle precipitazioni nell'atmosfera (all'interno o all'esterno delle nubi) cosicché il meteorologo, o altri utenti specifici, possono localizzare geograficamente la distribuzione delle precipitazioni e determinarne l'importanza. Le precipitazioni non vengono rilevate solo orizzontalmente, bensì anche verticalmente, ciò che permette di stabilire tra l'altro la quota di massima attività. L'animazione delle immagini dà invece modo di calcolare approssimativamente la velocità di spostamento delle cellule o delle fasce di precipitazioni.
Per la sua natura il radar non fornisce informazioni dirette sui pericoli dell'atmosfera, comunque, in base alla situazione meteorologica e all'intensità degli echi, oltre alle informazioni pluviometriche della rete di misurazione a terra, è possibile dedurre molte indicazioni su possibili pericoli, come per esempio la riduzione della visibilità per pioggia o neve, la presenza di grandine, di scariche elettriche, di turbolenze atmosferiche, di acqua sopraffusa, oppure anche la formazione di raffiche di vento o la formazione di una copertura nevosa sulle vie di comunicazioni.

L'uso dei dati radar comprende essenzialmente applicazioni qualitative e quantitative e il loro impiego e validità variano a seconda della situazione meteorologica. Con una risoluzione di 1 km, un radar meteorologico produce un'informazione equivalente a quella fornita da circa 10'000 pluviometri.
La misurazione in tempo reale delle precipitazione viene normalmente effettuata con una rete di pluviometri automatici che però danno soltanto un'informazione puntiforme, spesso poco rappresentativa per tutto un bacino idrografico.
Una copertura radar completa permette di calcolare i quantitativi di precipitazione in modo più accurato su tutta la superficie interessata, contribuendo a una migliore gestione idrica. Oltre agli aspetti operazionali, le informazioni radar sono determinanti per lo studio del regime delle precipitazioni, soprattutto di quelle intense, per la ricerca in generale sul clima della regione in funzione di una miglior protezione dell'ambiente, la ricerca nel campo della fisica delle nubi, così come per la previsione del tempo a corta scadenza e per la sicurezza nel traffico aereo.

Conclusioni
Il radar meteorologico permette un monitoraggio molto accurato delle precipitazioni e costituisce uno strumento basilare per lo studio e la ricerca della fisica dell'atmosfera in generale e del regime delle precipitazioni in particolare. Il suo uso e le sue applicazioni non sono però triviali: l'installazione, ma anche la sua gestione, sono molto onerosi; la qualità dei dati dipende strettamente dalla calibrazione del sensore (diversa per ogni ubicazione) e l'interpretazione necessita conoscenze tecniche e geografiche specifiche. Inoltre, il radar come strumento di nowcasting, richiede la presenza continua di operatori professionali e una efficiente rete di distribuzione per eventuali avvisi.