telerilevamento

telerilevamento Rilevamento a distanza di caratteristiche fisiche o morfologiche di un oggetto o di un sistema di oggetti.

Generalità

Il rilevamento a grande distanza dell’aspetto e della situazione di un territorio, delle sue condizioni atmosferiche o ambientali (anche per individuare l’eventuale presenza di prodotti inquinanti), delle sue risorse naturali (boschi, acque ecc.) viene effettuato attualmente in modo quasi esclusivo da satelliti artificiali. Il t. (remote sensing) generalmente si basa sulla rivelazione mediante uno o più sensori delle onde elettromagnetiche emesse, diffuse o trasmesse da un dato sistema e consente di acquisire informazioni quantitative su fenomeni che si svolgono a distanza. Nel t. attivo si prelevano le radiazioni emesse da una opportuna sorgente (per es., il Sole, un laser, un’antenna radar ecc.), dopo che sono state diffuse o trasmesse dal sistema che si vuole studiare; nel t. passivo si osservano le radiazioni emesse spontaneamente dal sistema. Data l’ampiezza dello spettro elettromagnetico utilizzato per il t., che si estende dalle microonde al visibile, si è soliti suddividere il t. per bande di frequenza: limitatamente alle bande di maggiore rilevanza, si parla così di t. a microonde, a onde millimetriche e submillimetriche, a infrarosso, ottico o nel visibile.

T. della Terra da un satellite artificiale

Rivelazione della radiazione. L’osservazione della Terra da una piattaforma orbitante ha luogo mediante la rivelazione della radiazione elettromagnetica emergente dall’oggetto nel campo di visuale dello strumento. Per oggetti terrestri condensati (suolo, mare, nubi ecc.) le interazioni con la radiazione possono essere compendiate da emissività, riflettività e trasmissività, che dipendono dalla lunghezza d’onda della radiazione e dalla temperatura termodinamica T dell’oggetto. La radianza I_s(λ, T) emergente da un oggetto è composta da tre contributi: il primo dovuto alla radiazione emessa dall’oggetto, il secondo e il terzo (che richiedono la presenza di una sorgente) alla radiazione diffusa e a quella trasmessa.

Per raggiungere il sistema di t. alloggiato in un satellite, questa radiazione deve attraversare l’atmosfera, che, a seconda della lunghezza d’onda della radiazione, può comportarsi in modo più o meno passivo. Nelle bande di assorbimento l’atmosfera attenua la radiazione emergente dal suolo, dal mare, dalle nubi e, a sua volta, emette radiazione. Ogni strato di atmosfera contribuisce alla radiazione emessa verso lo spazio secondo la propria temperatura (funzione della quota) e secondo una funzione peso che dipende dall’assorbimento alla lunghezza d’onda considerata e dalla quota alla quale si trova lo strato. Nelle zone spettrali a forte assorbimento, gli strati a bassa quota sono totalmente mascherati da quelli sovrastanti e quindi si possono osservare solo gli strati più alti dell’atmosfera; a mano a mano che l’entità dell’assorbimento diminuisce, si possono osservare strati atmosferici sempre più bassi. Le osservazioni possibili nelle varie bande spettrali sono: a) ultravioletto: la sorgente di radiazione è costituita dal Sole ed è pertanto possibile osservare soltanto la componente diffusa dall’atmosfera terrestre; b) visibile e vicino infrarosso: l’unica sorgente è ancora il Sole e si è in una finestra di trasparenza atmosferica; si osservano pertanto gli oggetti differenziati a seconda del valore della riflettività; c) medio infrarosso: l’unica sorgente è la radiazione termica terrestre; poiché in questa banda di frequenze quasi tutti gli oggetti si comportano approssimativamente come il corpo nero, è possibile risalire alla loro temperatura. Operando nelle bande di assorbimento del CO₂ si ottengono informazioni sulla temperatura dell’atmosfera alle varie quote, nelle bande dell’H₂O sul contenuto atmosferico di vapor acqueo; d) microonde: l’unica sorgente naturale è la radiazione termica terrestre. L’emissività in microonde è fortemente correlata con la conduttività elettrica dell’oggetto. Oggetti molto conduttori, come il mare, hanno emissività dell’ordine di 0,5, mentre quelli poco conduttori, come il terreno asciutto, hanno emissività prossima all’unità. È importante notare che, nel campo delle microonde, è possibile imbarcare su satellite strumenti attivi (radar), che consentono di effettuare osservazioni delle proprietà riflettenti degli oggetti, anziché delle proprietà emissive. La riflettività degli oggetti è fortemente legata alla loro forma: è quindi possibile osservare le onde del mare, le strutture morfologiche del suolo e altri parametri superficiali.

Satelliti. Fra i vari tipi di orbite dei satelliti da cui effettuare le osservazioni di t. della Terra se ne prediligono due: orbite geostazionarie, per osservare una certa zona con continuità; orbite polari (cioè con piano orbitale inclinato di circa 90° sull’equatore terrestre, altezza e periodo tali che la combinazione tra moto del satellite e rotazione terrestre produca l’esplorazione sistematica di tutta la superficie terrestre due volte ogni 24 ore), per la copertura osservativa completa anche se periodica. Le principali funzioni di un satellite artificiale per il t. (che ne costituisce la piattaforma) sono: alloggiare i sensori, fornendo loro la necessaria potenza elettrica e la protezione dagli sbalzi termici; tenere orientato il campo di visuale dei sensori verso la superficie terrestre e mantenere stabile tale orientazione; trasmettere al suolo i dati misurati dai sensori.

T. meteorologico. La meteorologia è la disciplina che per prima ha intravisto le straordinarie prospettive offerte dai satelliti artificiali, l’unico vettore in grado di consentire frequenti osservazioni utili dalla scala planetaria alla microscala. Le osservazioni più importanti che i satelliti possono effettuare per la meteorologia sono: l’immagine dei sistemi nuvolosi su tutto il globo, i profili verticali della temperatura e dell’umidità atmosferica su tutto il globo, il vento in quota, particolarmente alle basse latitudini, per le previsioni a media e lunga scadenza, la temperatura della superficie del mare, particolarmente alle basse e medie latitudini, per le previsioni a lunga scadenza e climatologiche.

T. della composizione chimica dell’alta atmosfera. La necessità di continue osservazioni dell’alta atmosfera su tutto il globo può essere soddisfatta solo mediante i satelliti. In particolare, per l’osservazione degli alti strati atmosferici, la strumentazione può essere puntata al di sopra dell’orizzonte del satellite per osservare obliquamente gli strati atmosferici superiori contro lo sfondo dello spazio esterno. Le misurazioni richiedono altissime risoluzioni spettrali in tutti i campi, dall’ultravioletto alle microonde, e possono sfruttare sia l’emissione delle linee spettrali da parte del gas da osservare sia l’osservazione delle sue linee di assorbimento mediante occultamento della radiazione solare, lunare o stellare.

T. della Terra solida. I satelliti possono fortemente contribuire al progresso dello studio della Terra solida; le principali osservazioni possibili dallo spazio, utili a tal fine, sono: le misurazioni geodetiche di grande precisione, capaci di mettere in evidenza la deriva delle placche tettoniche e le deformazioni che si verificano in tempi brevi nelle regioni del globo tettonicamente attive; le misurazioni della struttura fine dei campi della gravità e del magnetismo terrestre, per derivare informazioni sulla struttura della litosfera, la composizione, la struttura e i moti convettivi del mantello, e la struttura del nucleo.

T. delle risorse terrestri. Le applicazioni più importanti in questo settore riguardano l’osservazione degli aspetti morfologici del terreno per fini cartografici, geologici, archeologici, mineralogici, urbanistici ecc., e l’osservazione della vegetazione (classificazione delle colture, sorveglianza dell’umidità del suolo, dello stress idrico, delle malattie, dei cicli fenologici ecc.). Le osservazioni sono fatte nel visibile e nel vicino infrarosso, dove è maggiore il potere discriminante nei confronti dei vari parametri che caratterizzano la vegetazione.

T. oceanologico. Concorre a raccogliere dallo spazio osservazioni fondamentali per l’oceanologia; tra queste le più importanti riguardano l’estensione e l’età dei ghiacci polari, la temperatura della superficie del mare, il valore del livello dell’oceano, parametro fondamentale della circolazione oceanica, il moto ondoso (altezza, direzione di propagazione, lunghezza e spettro di potenza delle onde) e il vento sulla superficie, l’inquinamento superficiale, di origine sia organica sia inorganica.

Approfondimento:

L’Italia e le attività spaziali: considerazioni sull’opportunità di una legge spaziale italiana di Valentina Mariani