ANDREA VUOLO
5^B TECNICO DEL TRASPORTO AEREO
LA METEOROLOGIA
AERONAUTICA
1
La meteorologia è una branca della fisica dell'atmosfera che studia i fenomeni fisici
responsabili del tempo atmosferico. Essa si basa sull'osservazione e sulla misurazione delle
variabili atmosferiche misurabili ad essa legate come la temperatura dell'aria, l'umidità
atmosferica, la pressione atmosferica, la radiazione solare, la velocità e direzione del vento,
per ottenere eventualmente come risultato finale una previsione futura dei fenomeni
atmosferici quali nubi, fronti, vento, precipitazioni su un dato territorio,rilevati al suolo da una
stazione meteorologica
.
Qui sopra le stazioni meteorologiche di Ciriè (TO) e dell’Istituto Tecnico Aeronautico C.Grassi
di Torino.
In ambito aeronautico,la meteorologia è importantissima,relativamente alla sicurezza e alla
regolarità del volo. Le misurazioni dei parametri meteorologici sono effettuate dalle stazioni
meteorologiche site negli aeroporti e gestite direttamente dall’Aeronautica Militare. Le
precipitazioni invece sono rilevate dai radar meteorologici.
IL RADAR METEOROLOGICO
La misura dell'intensità di precipitazione su un'ampia area è uno dei prodotti di maggior di
La misura dell'intensità di precipitazione su un'ampia area è uno dei prodotti di maggior
interesse di un sistema radar meteorologico. Tale misura, in particolari situazioni
meteorologiche, o in determinati ambiti territoriali, può essere soggetta ad errori anche
notevoli. Il primo passo per la calibrazione del radar meteorologico è la comparazione tra la
stima di pioggia fornita dal radar e la corrispondente quantità di precipitazione misurata dal
pluviometro.
La rilevazione della precipitazione atmosferica a mezzo di osservazioni radar avviene secondo
le seguenti modalità: un impulso elettromagnetico di opportuna lunghezza d'onda, altamente
focalizzato, viene emesso nella direzione della precipitazione da rilevare; l'interazione di tale
impulso con le meteore costituenti la precipitazione provoca la diffusione verso il radar di una
seppur piccola frazione dell'energia trasportata dall'impulso (eco). L'entità di tale frazione è
legata al valore di una particolare grandezza caratterizzante la precipitazione che genera l'eco:
la riflettività.
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Ecco una foto relativa ad un radar Doppler:
La rilevazione della precipitazione atmosferica a mezzo di osservazioni radar avviene secondo
le seguenti modalità: un impulso elettromagnetico di opportuna lunghezza d'onda, altamente
focalizzato, viene emesso nella direzione della precipitazione da rilevare; l'interazione di tale
impulso con le meteore costituenti la precipitazione provoca la diffusione verso il radar di una
seppur piccola frazione dell'energia trasportata dall'impulso (eco). L'entità di tale frazione è
legata al valore di una particolare grandezza caratterizzante la precipitazione che genera l'eco:
la riflettività.
Un radar
meteorologico è
un
tipo
di radar che
consente
di
rilevare
le idrometeore
quali pioggia, neve, grandine o pioggia ghiacciata, calcolandone il moto, valutandone il tipo e
prevedendone la posizione futura e l'intensità.
I radar meteorologici moderni sono soprattutto del tipo radar doppler, in grado di rilevare il
moto delle goccioline di pioggia e determinare l'intensità della precipitazione. Entrambi i tipi di
dati possono essere analizzati per determinare la struttura dei temporali e la loro capacità di
creare tempo fortemente perturbato o addirittura pericolo per la navigazione aerea.
I Radar Meteo inviano impulsi direzionali di radiazione a microonde, per la lunghezza di un
microsecondo, utilizzando un klystron, tubo collegato da una guida d'onda a una antenna
parabolica. Le lunghezze d'onda di 1 a 10 cm sono circa dieci volte il diametro delle particelle
di ghiaccio o goccioline di interesse, perché Rayleigh scattering si verifica a queste frequenze.
Ciò significa che la parte di energia di ogni impulso di rimbalzo fuori queste piccole particelle,
torna in direzione della stazione radar.
Il radar Doppler è un particolare tipo di radar che si basa sull'effetto di slittamento in
frequenza, detto, appunto, effetto Doppler.
Questo slittamento viene definito come la differenza tra la frequenza ricevuta e quella
trasmessa, cioè:
fD = fR − fT
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La frequenza Doppler è legata alla distanza del bersaglio R secondo la legge
dove la lunghezza d’onda λ è data da
Lo slittamento doppler causato da oggetti in movimento, permette di distinguere questi ultimi
dai bersagli fissi, ma questa complicazione non sarebbe necessaria nei radar ad impulsi, perché
sono in grado di compiere questa funzione semplicemente confrontando le diverse rilevazioni di
scansioni successive. L’effetto Doppler, però, offre un altro notevole vantaggio: esso permette
al radar di distinguere bersagli in movimento anche in presenza di oggetti fissi, i cui segnali
d’eco siano notevolmente maggiori rispetto a quelli dovuti ai primi, poiché essi hanno eco in
movimento con velocità relativa v, che subisce uno slittamento in frequenza
, dove λ
è la lunghezza d’onda del segnale trasmesso (tale tecnica è chiamata MTD). I bersagli fissi,
invece, vengono chiamati clutter La differenza con il radar a onda continua consiste nella
presenza di un amplificatore di potenza e un modulatore che generi gli impulsi; una piccola
parte della potenza di questo segnale, poi, è deviata nell’oscillatore per sostituire l’oscillatore
locale. Sempre la medesima parte di segnale, inoltre, assume altre funzioni, agendo da
riferimento coerente necessario a rivelare lo slittamento doppler; con il termine coerente si
intende che si è mantenuta, nel segnale di riferimento, la stessa fase del segnale trasmesso.
Dunque si può notare che la presenza di questo segnale sia la caratteristica più peculiare di
questo tipo di radar.
Mediante il radar meteorologico,si possono rilevare i fenomeni meteo più pericolosi per il
volo,come ad esempio le celle temporalesche (cella singola,multicella,supercella).
Analizziamo i vari tipi di cella temporalesca:
TEMPORALE A CELLA SINGOLA
La cella singola è la forma più semplice di temporale e si sviluppa indipendentemente da altri
cumulonembi, per cui attraversa gli stadi di sviluppo, maturazione e dissolvimento senza
creare altre celle. Si nota ad occhio nudo come un singolo cumulonembo dotato di un'unica e
grossa protuberanza. Tuttavia una vera cella singola è alquanto rara, perchè anche con un
debole wind shear il gust front spesso innesca la crescita di un'altra cella poco distante
mediante il sollevamento dell'aria caldo umida stagnante in loco (mini fronte freddo). E' difficile
prevedere l'insorgenza di una cella singola, perchè queste si sviluppano in momenti e luoghi
apparentemente casuali; inoltre sono disorganizzate e con scarso wind shear durano mezz'ora
circa (a volte anche un'ora, ma sono casi insoliti) perchè downdraft ed updraft interferiscono
fra di loro; inoltre l'outflow ben presto isolerà la sorgente caldo umida che manteneva in vita il
cumulonembo il quale al termine del suo ciclo vitale mostrerà solo un'incudine sospesa nell'aria
(cirri falsi).
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Sebbene la maggior parte delle celle singole non siano intense, alcune di queste possono
originare brevi episodi di forte maltempo specialmente nella fase di collasso: questi temporali
si chiamano pulse storm e ovviamente si formano in ambienti più instabili rispetto alle
normali celle singole.
Le pulse storm (tempeste pulsanti) sono dotate di updraft leggermente più intensi e veloci,
quindi esiste il rischio di brevi grandinate, brevi downburst e occasionalmente deboli tornado.
Uno dei fenomeni meteorologici pericolosi per il volo è il cosiddetto microburst: esso è un tipo
particolare di wind shear (o turbolenza dinamica) e si manifesta come improvviso e violento
colpo di vento che sembra divergere a partire da un punto centrale al suolo. Trae origine da
un’intensa corrente discensionale proveniente da un cumulo congestus o da un cumulonembo.
Si presenta in due forme: umida e secca. La prima si produce con tempo secco, quando una
colonna di pioggia cade attraverso uno strato d'aria asciutta sotto la nube, ed inizia ad
evaporare rapidamente. L'evaporazione provoca il raffreddamento dell'aria che accelera
ulteriormente il movimento discendente della corrente, creando una violenta raffica che si
espande in tutte le direzioni in prossimità del suolo. Dal momento che la precipitazione
evapora quasi completamente, i soli segni visibili di questa turbolenza secca, sono una virga
alla base della nube e un violento sollevamento di polvere o sabbia al suolo. La raffica
discendente di tipo umido si produce durante un rovescio (anche in questo caso è
l'evaporazione ad alimentare l'intensità del vento), solo che la pioggia riesce a raggiungere il
suolo. In questo caso capita spesso che le gocce vengano proiettate verso terra dalla
raffica discendente con una tale forza da creare una sorta di ricciolo che si espande in tutte le
direzioni. Le raffiche discendenti soprattutto quelle secche e invisibili, rappresentano un
insidioso pericolo per il traffico aereo soprattutto nelle fasi di decollo e di atterraggio. Nel caso
di microburst secchi la base della nube raggiunge i 1500 metri; nei microburst umidi non va
oltre i 750.
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LINEA DI MULTICELLE (SQUALL LINE, LINEA DI GROPPO)
La linea di groppo,conosciuta anche come squall line,è l’originaria denominazione del fronte
freddo e consiste in una ristretta fascia di temporali con un continuo e ben sviluppato gust
front sul bordo principale della linea. Il gust front, avanzando verso E, irrompe con potenti
outflow e forma una piccola cella di alta pressione, un "mesohigh" largo 20-30 km. Quest'aria
densa solleva l'aria caldo umida nel suo percorso e può iniziare l'ampliamento (convezione
complessa) in cui celle fra loro vicine si consolidano dentro una torreggiante squall line di
larghi temporali allineati secondo la direzione dei venti prevalenti. La convezione complessa
libera un'enorme quantità di calore latente e di umidità che può essere sufficiente a generare
un mesociclone a "cuore caldo" in grado di durare parecchi giorni.
Lo sviluppo della squall line è l'effetto di una linea che separa aria caldo umida che verrà
sollevata da aria più fredda e pesante: l'allineamento dei Cb è favorito dal fronte freddo
avanzante ed questi ne seguono fedelmente l'orientamento. Ciò accade comunque se il cuneo
freddo è ben definito e giovane: in caso di fronti freddi in incipiente frontolisi o fronti freddi
secondari la disposizione dei Cb assume una linearità molto meno netta. In genere il downdraft
nella squall line si colloca subito dietro l'updraft, per cui è frequente osservare nella zona di
contatto tra queste due correnti un'imponente shelf cloud (specie in estate), prodotta dall'aria
fredda discendente che condensa parte del vapor d'acqua contenuto nell'updraft. La shelf cloud
tende a rimanere adiacente ai Cb, poichè sovente si innesca per motivi sinottici: essa è molto
probabile che viaggi assieme alla discontinuità frontale e difficilmente sfugge avanti ad essa, a
differenza della roll cloud.
La linea di groppo è sempre seguita da un repentino aumento della pressione, da visibilità in
aumento e da consistente calo termico (tipiche condizioni postfrontali fredde), essendo di
natura frontale e non necessariamente temporalesca. I downdrafts e gli updrafts sono
comunque prerogativa dei sistemi temporaleschi , mentre squall line o linea di groppo
rappresentano il salto sinottico di vento al passaggio di un fronte freddo: groppi o squall line si
possono avere anche in occasione del passaggio di fronti freddi in tardo autunno o in inverno
(specie se intensi) anche senza la formazione di celle temporalesche.
In qualche caso è possibile osservare in associazione col gust front della squall line una roll
cloud che in pratica è una debole shelf cloud. Come per il cluster, l'interfaccia tra updraft e
downdraft rappresenta la regione in cui l'intensità dei fenomeni è massima. Cosa molto
importante, le squall line si muovono ad angolo retto rispetto alla direzione della banda
nuvolosa, per cui non c'è rischio di confonderle con il cluster di multicelle.
Dopo il transito del gust front seguono venti molto forti che precedono pioggia e grandine: le
precipitazioni sono più intense dietro l'updraft, ovvero ad W dello stesso. Dietro l'attivo bordo
della squall line c'è una vasta area in genere non molto spettacolare dalla quale può cadere
una leggera pioggia dovuta alle celle più vecchie. Nelle ore di luce la linea di groppo appare
come un muro di nubi avanzanti con cirri falsi davanti ai Cb, ricordando un lungo sistema di
temporali multicellulari. Lo sviluppo delle celle avviene nell'estremità S della linea, il
dissolvimento nell'estremità N e in mezzo a queste due estremità c'è un'enorme incudine che si
estende davanti ai corpi verticali dei cumulonembi. Gli effetti di una squall line sono grandine
grossa fino a palle da golf, deboli tornado ed eventuali alluvioni lampo nel caso di celle lente e
stazionarie per il movimento parallelo alla linea.
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Le squall line sono famose per i frequenti downburst soprattutto quando esse si formano in un
ambiente con forti venti alle quote medie; capita che un downburst estremamente intenso
accelera una porzione della squall line davanti al resto della linea. Questo produce un "bow
echo", ovvero un eco lineare ma curvato verso l'esterno a forma di arco, ben individuabile dal
radar mentre impossibile da osservare visivamente. I venti più intensi generalmente
interessano la "cresta" o il centro del bow echo, mentre a N dello stesso potrebbe addirittura
svilupparsi un debole tornado. Le celle più intense stanno a S o SW della parte terminale della
squall line; le celle moderate non pienamente mature sono al centro della linea mentre quelle
più deboli e in fase di declino stanno a N o NE della linea. Le celle più intense (S o SW della
linea) sono in grado di originare tornado perchè tendono ad assumere le caratteristiche della
supercella, in quanto a S di esse non c'è nulla che possa "rubare" l'aria caldo umida a loro
destinata. Inoltre nella squall line ci possono essere degli intervalli: per il motivo suddetto,
nelle celle a N di queste aperture c'è pericolo di forte maltempo.
La lunghezza di una squall line è variabile, comunque sull'ordine delle centinaia di km: quelle
più lunghe si sviluppano in un "canale" prefrontale, disponendosi parallelamente (solitamente
secondo un asse N-S) al fronte feddo avanzante e precedendone l'arrivo di 50-300 km. La
larghezza della linea varia da 20 a 50 km e si muovono alla tipica velocità di 25 nodi (45
km/h). Questi temporali prefrontali sono potenzialmente molto pericolosi.
LA SUPERCELLA
La supercella è in assoluto il temporale più pericoloso e potente fra tutti quelli esistenti: la
caratteristica che lo distingue dagli altri è la presenza di un updraft rotante ovvero di un
mesociclone. La sua formazione richiede una particolare concomitanza di eventi: infatti le
supercelle sono fenomeni relativamente rari da noi e spesso il loro numero viene sovrastimato
qualora si manifestino temporali violenti, tali da destare notevole impressione all'osservatore di
turno. Una supercella ha un estensione geografica molto vasta (dell'ordine di centinaia di kmq)
ed ha una vita autonoma che talvolta non è coerente con la circolazione nella media troposfera
per via della deviazione dalla direttrice di moto standard relativa alla sinottica generale indotta
dalla forza di rotazione della supercella stessa.
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La formazione della supercella
All’interno delle celle temporalesche il sistema delle correnti spesso non è ordinato secondo il
classico schema della cella convettiva (correnti calde ascendenti e correnti fredde discendenti)
a tal punto che ogni cellula temporalesca tende ad interferire con le correnti di una cellula
adiacente. In questo caso si può dire che si disturbano a vicenda, impedendo così lo sviluppo di
una singola cellula o cella altamente organizzata. Ma se si dovessero creare le condizioni per lo
sviluppo di una sola singola cellula, allora il discorso cambierebbe completamente. In questo
caso il cumulonembo che si sviluppa prende il nome scientifico di supercella ed è costituito
solo da due sistemi di correnti su vasta scala. Le condizioni favorevoli allo sviluppo di
supercelle possono essere così semplificate:
1) forte contrasto termico sulla verticale dell’area frontale (gradiente termico verticale),
cioè tra la massa d’aria fredda in arrivo e quella caldo umida al suolo in fase di sollevamento.
L’aria calda, leggera e umida, si scontra con aria più fredda, più pesante e secca e viene
sollevata velocemente verso l’alto tanto più rapidamente quanto maggiore è la differenza di
temperatura.
2) notevole riscaldamento del suolo favorito dal clima continentale delle grandi pianure tra
le quali, sotto tale aspetto, può essere inclusa la Pianura Padana.
3) forte differenza dei valori igrometrici quota-suolo tra la massa d’aria entrante,
costituita da aria secca, e quella in sollevamento, costituita da aria umida.
4) corrente a getto o jet stream in quota o quanto meno ai livelli medio-alti della
troposfera, la quale contribuisce alla ciclogenesi nei bassi strati ed accelera la convezione
favorendo così l'insorgere di grandinate e tornado.
5) wind shear: osservazioni dal vivo e simulazioni al computer suggeriscono che il
cambiamento del vento con la quota (wind shear) nei bassi livelli favorisce la rotazione
all'interno del cumulonembo. In particolare, se il vento è sufficientemente forte (almeno 50
km/h) e c'è un sufficiente wind shear verticale, fra i due strati d'aria che scivolano uno
sull'altro (da direzioni diverse) si creano delle rotazioni orizzontali a forma cilindrica che di per
sè sono innocue. Esse nascono anche quando i venti a diverse quote spirano dalla stessa
direzione ma con intensità via via crescente con l'altezza. Tuttavia, l'eventuale comparsa di
moti convettivi e successivamente dei temporali possono raddrizzare secondo un asse verticale
questi cilindri in rotazione che verranno assorbiti dalla corrente ascensionale del temporale e
fanno sì che essa cominci a ruotare minacciosamente. La rotazione si rafforza nel temporale e
si organizza divenendo più stretta ma molto più intensa poichè gli updrafts diventano stretti e
tesi a causa dall'accelerazione dell'aria ascendente a sua volta indotta dal wind shear.
Oltretutto l’improvviso intervento in quota della corrente a getto determina un deciso aumento
della convergenza al suolo (incontro di masse d’aria con differenti caratteristiche e
provenienza), favorendo così lo sviluppo di un asse di rotazione all’interno del cumulonembo.
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In tal modo l'updraft si trasforma in un mesociclone, alla cui estremità inferiore potrà
comparire una minacciosa wall cloud (nube a muro) foriera di tornado. La rotazione del
mesociclone quindi deriva dal trasferimento di vorticità positiva (capacità dell'aria a ruotare su
un asse) dall'inflow all'updraft. Il potenziale per una rotazione è più alto quando l'aria entrando
nel temporale gira nettamente sulla destra con l'altezza: ciò avviene grazie al wind shear
positivo, ovvero al fatto che il sistema temporalesco si muove da W con un inflow da SE (tale
inflow potrebbe essere anche il conveyor belt, in riferimento al livello medio-basso della
troposfera). Abbiamo quindi venti al suolo da SE e venti in quota da W (wind shear positivo).
Questi temporali sono più adatti a ruotare rispetto a quelli in cui l'inflow è allineato con la
corrente in quota.
La supercella è un sistema autoalimentato poichè la rotazione favorisce la
convezione e viceversa; nelle supercelle quindi non è presente la rigenerazione,
fenomeno tipico dei precedenti tipi di temporali. Inoltre, per definizione, una supercella
non è un temporale multicellulare: tuttavia la stessa supercella può contenere anche due
mesocicloni.
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Come riconoscere una supercella
Il riconoscimento di una supercella si esegue in 3 modi a seconda della nostra esperienza e
delle risorse a disposizione nel momento dell'analisi: dal vivo, dal satellite e dal radar. La
supercella è un'enorme cella dotata di correnti ascendenti e discendenti estese su una scala
molto più vasta rispetto alla comune cella singola; inoltre questo temporale ha la corrente
ascendente dotata di moto rotatorio (mesociclone) e tale rotazione conferisce a questo tipo di
temporale caratteri molto particolari utili per giungere alla sua individuazione. Per esclusione,
se mancano tali peculiarità si parlerà di comuni celle temporalesche intese come cella singola,
cluster di multicelle, linea di multicelle, MCS-MCC.
Osservazione mediante il radar e radiosonaggi
Al radar le supercelle si riconoscono innanzitutto per la notevole estensione geografica e per la
forma rotondeggiante della massa nuvolosa nonchè per la presenza di fasce concentriche
all'interno della cella con riflettività a fondoscala. In ogni caso l'aspetto che più le distingue è la
grande estensione spaziale, facendo bene attenzione a non fare confusione con formazioni
multicellulari a grappolo, che però lasciano brevi spazi sereni o con precipitazioni deboli; nella
supercella tutta la massa nuvolosa è compatta e le precipitazioni intense.
a) nelle radarate che mostrano l'intensità di precipitazione, è possibile scorgere un eco ad
uncino più o meno definito a seconda dei casi, vicino al quale si trova il settore a "fondoscala"
ove l'intensità delle precipitazioni è massima. Nelle mappe Doppler (quelle che mostrano i
campi del vento) sarà possibile osservare pixel adiacenti con velocità aventi intensità simili ma
direzioniopposte
b) poichè è plausibile che i temporali ad asse obliquo evolvano rapidamente in supercelle, le
scansioni radar che mostrano una lunga area a bassa reflettività (incudine) con un nocciolo di
forti precipitazioni (eventuale futuro mesociclone) all'inizio della stessa vanno monitorate di
continuo
c) anche al radar (se provvisto di moviola) è possibile individuare la deviazione spiegata al
punto 2d)
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Ecco invece le immagini radar e nel dettaglio,la previsione di un forte temporale mediante la
lettura di un radiosondaggio del 25 MAGGIO 2001 a Milano,dove vi fù una fortissima
grandinata:
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Elementi significativi deducibili dal radiosondaggio:
•
•
•
Forte riscaldamento vicino al suolo: tipica situazione estiva
Grande contenuto di umidità alle quote medie (500 hPa), identificabile dalla vicinanza
della curva di stato della temperatura di rugiada alla curva di stato della temperatura
Indici di instabilità favorevoli allo sviluppo di temporali:
1.
2.
3.
4.
CAPE = 1697 J/Kg
L.I. = -5,54
K = 26,50
TT = 49,20
METEOROLOGY IN AVIATION
VISIBILITY
The horizontal distance at which an objects can be seen, is expressed in kilometers, unless it is so
poor that it can be expressed in metres.
On a clear day visibility might be almost unlimited.
Droplets of moisture in the atmosphere ( cloud, mist, fog) reduce visibility, as do rain, snow and
hail.
In thick cloud or fog, for instance, visibility might be less than 50m. Particles of solids ( smoke and
dust) in the atmosphere also reduce visibility, causing haze.
The height of the clouds base is called the ceiling.
CLOUDS
Clouds consist of water droplets suspended in saturated air. They can be broadly divided into two
classes: stratiform and cumuliform clouds.
The former are generally uniform in their appearance and are associated with stable air. The vertical
extent of their layers is normally not very great. The latter have more irregular appearance with
well-defined edges.
They are associated with less stable air and therefore are usually of greater vertical extent.
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PRECIPITATION
The principal forms of precipitation include rain, drizzle, snow, sleet, and hail which can be
classified in amount as: light, moderate, or heavy; and in duration as: continuous and intermittent.
Thunderstorms
A thunderstorm is a violent atmospheric disturbance. Unstable air, when lifted, continues to rise of
its own accord. If the air is moist enough cumulonimbus cloud will be formed.
Showers of heavy rain and hail fall from developed cumulonimbus clouds. The violent up-draughts
and downdraughts associated with these clouds result in the air in and around them becoming
electrically charged. Lighting and thunder are frequent consequences.
Microbursts
A Microbursts is essentially a shaft of fast-moving cold air that hits the earth from high up in
the atmosphere, then explodes upwards and outwards
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NAVIGAZIONE DOPPLER
Relativamente al radar Doppler,in navigazione aerea
navigazione,chiamata appunto NAVIGAZIONE DOPPLER.
si
usa
una
tecnica
di
Il sistema di Navigazione Doppler è utilizzato per la navigazione in aree non coperte da sistemi
di radionavigazione. Il principale componente è un radar che sfrutta l’Effetto Doppler.
La funzione di questo radar è di misurare con continuità le componenti del vettore di velocità al
suolo dell’aeromobile e di ricavarne le componenti rispetto ad una terna di assi legata alla
Terra.
I vantaggi del Sistema Doppler sono:
- la velocità dell’aeromobile è misurata rispetto al suolo
- il sistema è completamente autonomo
- le potenze richeste sono minime
- il sistema opera in qualsiasi condizioni meteorologica (tranne in presenza di forti
precipitazioni) e in qualsiasi zona della superficie terrestre (tranne nei casi in cui vengono
sorvolate superfici liquide perfettamente speculari).
- l’informazione della velocità media è estremamente accurata
- non è soggetto a particolari procedure
Viceversa, il sistema Doppler,presenta i seguenti limiti:
- richiede un’informazione direzionale
- richiede un’indicazione sulla verticale
- l’informazione di velocità istantanea non è cosi accurata
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- sorvolando masse d’acqua in movimento,la velocità differisce di una quantità uguale alla
velocità di tale corrente.
Consideriamo ora un trasmettitore Tr che emette un’onda elettromagnetica a frequenza f, ed
un ricevitore R posto ad una certa distanza rispetto a Tr.
Quando la sorgente Tr si avvicina all’osservatore R,con velocità u,l’onda compresa tra Tr e
R,risulta accorciata di un tratto pari alla distanza percorsa dalla sorgente in un periodo. Di
conseguenza l’onda percepita da R avrà un periodo:
Se anche il ricevitore R è in moto verso T,con velocità v,si ha che:
da cui,tenendo conto dell’espressione di T’:
Effetto doppler: il trasmettitore Tr si avvicina al ricevitore R (b); il trasmettitore T, e il ricevitore R si avvicinano l’uno
all’altro (c)
Se da bordo viene emessa un’onda elettromagnetica di frequenza f in una direzione formante
con l’asse longitudinale x un angolo γ, l’onda arriva in B con una frequenza f’ e una parte di
essa viene re-irradiata verso A con una frequenza f’.
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La velocità relativa fra trasmettitore e ricevitore è uguale a Vcosγ.
Sostituendo tale valore si avrà che:
La differenza di frequenza Doppler al ricevitore è data da:
Sostituendo il valore di f’’ si ricava:
Trascurando a denominatore il termine Vcosγ,si ha:
L’equazione suscritta è l’EQUAZIONE DEL RADAR DOPPLER utilizzato nella NAVIGAZIONE
DOPPLER (avendo indicato con λ (lunghezza d’onda) il rapporto tra c e f).
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ELETTRO-RADIO-RADAR-TECNICA
Radar ( RAdio Detection And Ranging)
Antenna radar a lunga portata (diametro 40m) può ruotare per controllare qualsiasi settore
nell’intero orizzonte.
Il componente principale di un radar è una base dei tempi, dispositivo simile ad un orologio
che permette di misurare intervalli molto piccoli,in modo molto accurato e preciso.
A determinati intervalli regolari, un trasmettitore emette un impulso a radiofrequenza, che
viene trasmesso nello spazio tramite un’antenna fortemente direzionale (almeno nel piano
parallelo al suolo, il cosiddetto piano degli azimuth). Subito dopo l'emissione la stessa antenna
viene
collegata
a
un
ricevitore sensibilissimo,
che
resta
in
ascolto
dell'eco
riflessa
(backscattering). Se vi è un bersaglio, l'impulso trasmesso viene riflesso e quindi ritorna
all'antenna e viene elaborato dal ricevitore. Misurando il tempo che intercorre tra la
trasmissione dell'impulso ed il ritorno dell'eco è possibile stabilire la distanza a cui si trova il
bersaglio, dato che la velocità a cui si propaga l'impulso elettromagnetico è nota ed è pari alla
velocità della luce.
In pratica abbiamo:
dove:
R è la distanza del bersaglio
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c è la velocità della luce
T è il tempo impiegato dall'impulso per raggiungere il bersaglio e tornare all'antenna
Il tempo di commutazione dell'antenna deve essere ovviamente il più piccolo possibile, tuttavia
è la durata dell'impulso trasmesso che determina la distanza minima a cui il radar può rilevare
oggetti. Infatti il ricevitore non può essere azionato finché non viene spento il trasmettitore. Gli
intervalli di emissione del trasmettitore determinano la cosiddetta portata strumentale, cioè la
distanza massima a cui un determinato modello di radar può rilevare oggetti. La reale distanza
alla quale è possibile rilevare bersagli è in realtà legata, tramite l'equazione del radar (vedi
oltre), alle potenze in gioco ed a tutta un'altra serie di fattori quali la rumorosità intrinseca del
ricevitore, la sua sensibilità e l'ambiente che disturba la ricezione con il fenomeno del clutter.
I dati combinati dell'orientamento dell'antenna all'atto dell'emissione dell'impulso e del tempo
di eco del segnale forniscono la posizione di un oggetto nel campo di rilevamento del radar; la
differenza fra due rilevamenti successivi (o lo spostamento in frequenza doppler in un singolo
rilevamento, nei modelli più recenti) determina velocità e direzione del moto dell'oggetto
rilevato. Sullo stesso principio applicato in modo diverso (antenna che si muove verticalmente)
si basano i radar di scoperta aerea, mentre i radar per sistemi di guida missili sono quasi
sempre radar Doppler in grado di discriminare, dallo spostamento di frequenza dell'eco, i
bersagli in movimento dal terreno.
EQUAZIONE DEL RADAR
Nel caso di bersaglio singolo, la quantità di potenza Pr che ritorna all'antenna ricevente è data
dall' equazione del radar:
dove
Pt = potenza del trasmettitore,
Gt = guadagno dell'antenna del trasmettitore,
Ar = superficie dell'antenna del ricevitore,
= superficie equivalente dell'oggetto o funzione trasversa di scattering (RCS); nel
caso di target in moto essa rappresenta il valore medio nel tempo Rt = distanza dal
trasmettitore all'oggetto,
Rr = distanza dall'oggetto al ricevitore.
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Radar a impulsi
Un tipico radar a impulsi è in grado di localizzare un oggetto attraverso la determinazione della
distanza dell'oggetto stesso e della direzione della sua visuale. La distanza dell'oggetto viene
ricavata misurando il tempo t impiegato da un impulso di radiofrequenza, emesso dal
trasmettitore del radar, ad arrivare all'oggetto, essere riflesso da esso e ritornare al ricevitore
dello stesso radar. La direzione della visuale dell'oggetto è ricavabile direttamente
dall'orientamento del fascio elettromagnetico emesso dall'antenna. Generalmente si usa una
sola antenna con funzione di trasmittente e ricevente, interrompendo temporaneamente la
ricezione durante l'emissione del breve impulso e poi riattivandola in tempo utile per la
captazione degli echi; il dispositivo in uso per tale scopo è una sorta di interruttore che viene
fatto scattare dagli impulsi trasmessi ed è noto col nome di duplexer (duplicatore). L'antenna
radar viene normalmente fatta ruotare a velocità costante in senso orizzontale, in modo da
esplorare l'intero orizzonte: questo tipo di esplorazione o scansione è detto azimutale perché
permette di individuare l'angolo tra la direzione dell'oggetto riflettente e quella del meridiano
locale (angolo di azimut). Il radar a impulsi è particolarmente usato per la ricerca e la
sorveglianza aerea.
Dispositivi di visualizzazione
Il segnale riflesso (eco ) captato dall'antenna e opportunamente amplificato viene trasformato
in un impulso video sullo schermo di un tubo a raggi catodici. Nella presentazione
comunemente usata, detta PPI (da Plan Position Indicator, indicatore della posizione del
piano), è applicata al pennello elettronico una scansione tale che la distanza fra il centro dello
schermo e la traccia ad alta luminosità (corrispondente all'eco) rappresenti in scala la distanza
fra il radar (al centro dello schermo) e l'oggetto che ha prodotto l'eco. La direzione angolare
secondo cui il pennello elettronico compie la propria scansione corrisponde, istante per istante,
alla direzione del fascio elettromagnetico del radar. Si ottiene così, come su una carta, la
rappresentazione panoramica delle posizioni dei diversi oggetti che producono gli echi. Uno
sviluppo nel campo della visualizzazione è rappresentato dagli schermi ad alta definizione (fino
a 2048 linee) gestiti da un computer (consolle intelligenti o stazioni di presentazione). Tali
apparati sono in grado di presentare sullo stesso schermo più tipi di informazione: sia il
convenzionale eco radar, sia altre informazioni ricostruite dal computer, quali il baricentro
dell'eco, storia delle posizioni dell'oggetto rilevato per un certo numero di scansioni, vettore
velocità. Ciò permette di prevedere la traiettoria e quindi le posizioni future dell'oggetto ed è
molto utile nella navigazione aerea e nei sistemi d'avvistamento militari. Sullo schermo
possono essere rappresentate anche mappe geografiche, aerovie, ostacoli fissi, mappe
atmosferiche (per esempio, confini di perturbazioni). Gli schermi a colori consentono
un'interpretazione più immediata delle informazioni.
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