ENVISAT Il Satellite europeo che osserva la terra

TECNOLOGIA
Foto ESA e Denmann - Il Satellite ENVISAT in orbita
E N V I S AT
IL SATELLITE EUROPEO
CHE OSSERVA LA TERRA
TEN. DAVIDE TORTORA
della collaborazione e delle risorse congiunte di
15 Paesi membri, intende aprire nuove vie
all’esplorazione dello spazio mediante l’impieIl satellite ENVISAT, che è un programma go di tecnologie avanzate europee. È stato
dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) frutto messo in orbita il primo marzo del 2002 per
I grandi interrogativi sullo stato di
salute del nostro pianeta
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Particolare
dell’Europa.
(foto ESA)
controllare lo stato di salute del nostro pianeta. Dopo un intero anno i risultati sono tanti
e di grosso interesse per l’intera comunità
scientifica internazionale.
Tra i grandi interrogativi sullo stato di salute del nostro Pianeta, al primo posto probabilmente c’è quello relativo al processo di surriscaldamento del nostro pianeta e sulle possibili soluzione per poterlo frenare. Sembra ormai
accertato, secondo i 2.500 esperti del Comitato delle Nazioni Unite per il Cambiamento
Climatico, che il surriscaldamento del nostro
pianeta è da ascriversi all’azione dell’uomo.
Responsabile: l’effetto serra, provocato dal
cumulo di gas che intrappolano il calore nell’atmosfera. La sfida per la riduzione dell’emissione di questi gas si basa su tre linee principali. La prima, il consenso unanime dei governi
sugli obiettivi; la seconda, il riscontro del loro
raggiungimento da parte degli scienziati; la
terza, la necessità di comprensione, da parte di
tutti, dell’interazione atmosfera-oceani-biosfera, per poter efficacemente combattere contro
il fenomeno del surriscaldamento nel pianeta.
Qual’è il danno attuale allo strato di ozono?
In una fascia situata tra i 25 ed i 35 km al di
sopra della nostra testa, uno strato di gas, l’ozono, permea l’atmosfera. Grazie
ad esso la nostra pelle è protetta
dalle potenti radiazioni ultraviolette, causa di ustioni e melanomi. Ma l’ozono è aggredito nella
sua efficace funzione protettiva da
molti agenti chimici inquinanti,
tra cui i cloro-fluoro-carburi che,
inviati dall’uomo, vi producono
un buco. È degli anni ’80 la
prima scoperta di una vasta apertura sull’Atlantico, mentre negli
anni ’90, sull’Artico, si è registrata una riduzione. Secondo l’Organizzazione Meteorologica Mondiale, lo strato dell’ozono è attualmente nella fase più vulnerabile.
Anche senza ulteriori azioni nocive, occorrerebbero almeno 50
anni per riportarlo all’origine.
Ecco perché occorre seguire il
fenomeno attentamente.
Particolare di una macchia di petrolio. (foto ESA)
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Foce del Rio delle Amazzoni. (foto ESA)
Tutti, chi più chi meno,
hanno sentito parlare di un
devastante fenomeno climatico
chiamato El Niño; da cosa è
provocato? El Niño è un fenomeno a ricorrenza quadriennale
di eccessivo innalzamento della
temperatura e del livello della
superficie marina nell’Oceano
Pacifico. L’enorme spostamento
da ovest verso est di masse d’acqua calda determina piogge di
10-40 volte superiori alla media
in America del sud, con effetti
persino sull’Africa. Malgrado si
sia imparato a riconoscerne in
anticipo i segnali, gli scienziati
non ne comprendono la causa.
Essi contano, attraverso una
migliore comprensione dell’interazione su scala mondiale tra
superficie oceanica e atmosfera,
di giungere presto a delle conclusioni.
Un altro importante quesito riguardante la
terra è quello relativo allo stato di salute delle
foreste. Le foreste sono i polmoni del nostro
Pianeta in quanto convertono il biossido di
carbonio ed i gas dell’effetto serra in ossigeno
respirabile. Su un totale di 6 miliardi di tonnellate di biossido di carbonio immesso dall’uomo nell’atmosfera, la metà viene assorbita
dalle foreste e dal fitoplancton. Nel decennio
1980-1990 la copertura forestale globale si è
ridotta del 2%, mentre la diminuzione della
foresta tropicale oscilla intorno all’8%. Se si
considerano che le foreste ospitano oltre
13 milioni di specie, si comprende la
necessità di un’esatta mappatura dei
cambiamenti in generale, e delle zone
più a rischio in particolare, per consentire ai governi un’azione protettiva.
L’innalzamento del livello del mare è
un tema sempre più di attualità, perché?
Tra cento anni alcuni Paesi potrebbero
scomparire. Secondo le stime del Comitato delle Nazioni Unite per il Cambiamento Climatico, almeno 50 di essi sono
sotto la minaccia di un innalzamento del
livello del mare di 50 cm, prevista per il
2100. Di fatto l’effetto serra ha già elevato il limite delle acque alte, per meccanismi tuttora sconosciuti. Pertanto, è fon-
La prima immagine MERIS dell’Italia. (foto ESA)
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damentale tenere il fenomeno sotto controllo
su scala mondiale, analizzandone in dettaglio
gli aspetti per tentare di identificarne le cause e
mettere in atto misure per il suo contenimento.
Quali sono gli effetti dell’inquinamento
atmosferico? Uno spesso velo atmosferico è
visibile dallo spazio: esso va dalla parte orientale degli Stati Uniti all’Europa. Ci sono, comunque, altre regioni del mondo che immettono
nell’atmosfera agenti chimici e polveri. Infatti,
secondo l’UNEP l’inquinamento atmosferico e
le piogge acide sono un problema su scala
mondiale. Inoltre, il Programma Europeo di
Azione Ambientale ci ricorda come due terzi
del patrimonio arboreo europeo mostri sofferenze da inquinamento atmosferico. Un’altra
conseguenza sono le malattie asmatiche, in
preoccupante crescita nei Paesi industrializzati.
Sono sempre più indispensabili dossier scientifici informativi per un’attenta analisi dell’inquinamento e dei suoi effetti, se si vuole salvaguardare il futuro dei nostri figli.
Non solo negli alti consessi scientifici, ma
anche nelle chiacchiere quotidiane di ognuno
di noi, ricorre frequentemente il quesito se le
catastrofi naturali sono più frequenti oggi di un
tempo. Innumerevoli catastrofi naturali hanno
colpito migliaia di persone negli ultimi anni in
Europa. Inondazioni, tempeste, smottamenti
del terreno, valanghe, vengono attribuite al
surriscaldamento del Pianeta ed ai cambiamenti climatici in generale. Questi ultimi, però,
sono un fenomeno molto complesso: è difficile stabilire se l’incidenza delle catastrofi sia
maggiore oggi che in passato. Una migliore
conoscenza ed informazione possono concorrere a stabilire le cause. Inoltre, attraverso un
costante esame dei rischi, si possono prevedere
le catastrofi e ridurne gli effetti quando esse si
verificano.
Le possibili risposte dallo spazio
Il satellite ENVISAT ha a bordo vari strumenti utili allo studio del surriscaldamento
globale. Grazie a questi strumenti si possono
ottenere carte tridimensionali dei gas responsabili dell’effetto serra nell’atmosfera, quali il
L’uragano Elida visto dal sensore MERIS. (foto ESA)
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metano ed il monossido di carbonio. È
possibile rilevare accuratamente le temperature della superficie del mare o fotografare il “colore” dell’oceano in varie lunghezze d’onda; esso fornisce informazioni
essenziali sul surriscaldamento del pianeta attraverso mappe del fitoplancton. È
proprio quest’ultimo il responsabile di
metà dell’assorbimento totale dell’anidride carbonica da parte della biosfera.
Mappe tridimensionali dei livelli di
ozono in atmosfera nonché previsioni
accurate circa l’evoluzione del fenomeno,
sono ottenibili in tempo quasi reale grazie ai dati atmosferici degli strumenti
GOMOS, MIPAS e SCIAMACHY a
bordo di ENVISAT. Agli scienziati è così
offerta la possibilità di analizzare a fondo
le reazioni chimiche che influenzano l’ozono
pervenendo ad una migliore comprensione dei
modi e dei tempi in cui lo strato di ozono sarà
in grado di rigenerarsi.
La strumentazione a bordo di ENVISAT è
particolarmente adatta ad individuare e cartografare l’ampio rigonfiamento, che talvolta raggiunge i 50 cm di altezza, creato nell’oceano
Pacifico chiamato “El Niño”. Questo è rilevabile dal radar altimetro con una accuratezza di
5 cm, mentre la temperatura del mare con i sui
Dati dello strato di ozono.
vari cambiamenti può essere rilevata con una
precisione di 0,3°C. Queste capacità uniche
permettono di riconoscere i primi segni della
formazione del fenomeno.
Il satellite europeo può darci, inoltre, indicazioni sui cambiamenti nella copertura forestale di zone a rischio permettendo anche la
realizzazione di carte su scala mondiale. Le
carte di uso del suolo ottenute dalla combinazione di dati consentono di distinguere chiaramente fra copertura forestale, aree
deforestate e terreno agricolo.
L’impiego possibile di osservazioni
simultanee di tipo ottico e radar è
un elemento del tutto innovativo.
Di estrema attualità, inoltre, è il
problema dell’innalzamento del
livello del mare. L’esplorazione
degli oceani finalizzata alla loro
accurata misurazione dell’altezza
ed il favorimento della creazione
di carte topografiche delle calotte
polari risulta di grande rilevanza
scientifica.
Grazie, infine, alle immagini
radar si può contribuire alla gestione delle catastrofi mediante rilevamenti diurni e notturni, indipendenti dalle condizioni meteorologiche, che tengono sotto osservaPorzione della costa africana. (foto ESA)
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zione inondazioni o frane a poche ore dall’evento e in luoghi di difficile accesso. L’apporto
di ENVISAT è un elemento fondamentale tra
L’Agenzia Spaziale Europea, il CNES francese
e l’Agenzia Spaziale Canadese per la “carta
sullo spazio e le catastrofi”, che può consentire
alle squadre di soccorso nel mondo di utilizzare tempestivamente i dati satellitari.
Cosa possono fare gli strumenti
a bordo di ENVISAT
La terra in millimetri. Il Radar Avanzato ad
Apertura Sintetica (ASAR) a bordo di ENVISAT può cartografare la superficie terrestre con
un’accuratezza fino a poche decine di metri in
un unico passaggio. Combinando le immagini
da due orbite, mediante una tecnica denomi-
nata interferometria, è possibile individuare
l’abbassamento di una strada cittadina, i rigonfiamenti di una pendice vulcanica, o i cedimenti di un ghiacciaio, anche se il movimento
è di alcuni centimetri. Ma è addirittura possibile una maggiore precisione: riconoscendo le
stesse rocce o edifici in più immagini, l’interferometria può misurare movimenti millimetrici
da un’altezza di 800 km. Esperimenti a Londra, Roma e Parigi hanno provato che movimenti del suolo di 1 mm/anno possono essere
chiaramente osservati dal radar. Questi dati,
disponibili immediatamente, saranno di grande utilità per la Protezione Civile, geologi e
ingegneri civili.
La vera forma della terra. Dalla sua posizione privilegiata ENVISAT può leggere il fondo
del mare. Anche se non è in grado di penetrare in profondità il mare, la morfologia dei fondali oceanici può essere cartografata. Il radar
altimetro, infatti, misura la distanza tra il satellite e la superficie dell’acqua e della terra. Posizione e velocità del satellite sono controllate
lungo l’orbita con una precisione di centimetri.
La gravità implica che in assenza di venti, onde
e correnti, la superficie dell’oceano rifletta le
montagne e le depressioni del fondo oceanico
sottostante. Combinando, quindi, i dati altimetrici e quelli di posizione è possibile ricavare un profilo globale del fondo oceanico. Simile tecniche sono applicabili ai ghiacciai polari
ed alla topografia terrestre. Con queste nuove
metodologie è possibile realizzare in soli 35
giorni un’immagine della forma terrestre più
accurata di quella ottenuta in secoli di sondaggi in profondità, misure altimetriche e cartografia di precisione.
L’oceano vivente. I mari vivono di minuscoli organismi monocellulari chiamati fitoplancton. Queste creature microscopiche costituiscono la parte principale della biomassa oceanica, ed hanno un effetto sul clima del nostro
pianeta maggiore di ogni altro essere vivente,
incluse anche tutte le foreste del mondo.
Occorre un microscopio per vedere un singolo
fitoplancton. Dallo spazio è possibile vedere
simultaneamente miliardi di questi organismi.
Le fioriture di alghe, alcune delle quali sono
velenose (maree rosse), si verificano quando
acque ricche di nutrienti a determinate tempeParticolare del Mediterraneo orientale. (foto ESA)
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Particolare della costa dell’Africa
occidentale. (foto ESA)
rature si combinano e danno luogo ad un’esplosione di fitoplancton. ENVISAT ha a
bordo uno strumento concepito per osservare
il colore degli oceani. Esso è in grado di distinguere le variazioni di colore dal blu-verde al
rosso-ruggine al giallo legate alla crescita delle
alghe. Se si pensa che la fioritura di alghe può
essere dovuta ad inquinamento o al cambiamento locale del clima oceanico, si comprende
il valore strategico del loro continuo controllo
e monitoraggio.
Il più grande fiume del mondo. C’è un
fiume silenzioso, trenta volte più
grande di tutti i fiumi della terra
messi insieme, che scorre negli
oceani. È determinato da un
sistema di correnti e regola il
clima: senza di esso l’Inghilterra
o Parigi sarebbero fredde o
ghiacciate come la baia di Hudson o le Spitzbergen. La corrente del Golfo è solo la componente principale di una circolazione
globale che unisce l’Oceano
Atlantico, Indiano e Pacifico,
impiegando centinaia di anni
per completare il circuito. Con
opportuni sensori è possibile
vedere questo fiume invisibile attraverso il rilevamento dei cambiamenti
nella temperatura superficiale e nella velocità dell’oceano, consentendo di
studiare e comprendere
meglio questi fenomeni
che influenzano tempo e
clima.
Gli incendi. Un’altra
immensa catastrofe che
può colpirci è quella relativa agli incendi. Ampia
eco è derivata dai giganteschi incendi che hanno
colpito l’Asia sudorientale nel 1997/98 e provocato spesse coltri di fumo sulla regione. Ma molte
più foreste bruciano ogni giorno nel mondo
immettendo nell’atmosfera diossido di azoto,
cenere fine e un’ampia varietà di prodotti chimici. I fuochi, alcuni naturali, altri causati dall’uomo, devastano ampi tratti di foresta, talvolta in zone remote, raramente frequentate da
gente che potrebbe dare l’allarme. Dal satellite,
con uno specifico strumento, è possibile individuare i focolai di un incendio grazie alla possibilità di individuare l’emissione infrarossa
rivelatrice delle fiamme e controllare gli effetti
Particolare della costa dell’Africa
occidentale. (foto ESA)
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una traccia rivelatrice individuata dal cosiddetto Radar Avanzato ad Apertura Sintetica
(ASAR). L’interazione fra onde profonde e correnti di superficie determina un’increspatura
della superficie, invisibile all’occhio umano,
ma non alle onde radio di ASAR.
I tipi di sensori
Lo stretto di Gibilterra visto dal sensore MERIS. (foto ESA)
della particelle di fumo sospese negli strati più
alti dell’atmosfera. Con questo sistema sarà
possibile allertare in tempo squadre antincendio mediante una catena che potenzialmente
può essere strutturata su scala mondiale.
Le onde dentro l’oceano. Sotto la superficie
turbolenta dell’oceano non ci sono profondità
calme, ma correnti con altezze fino a 50 metri
e lunghezza d’onda da alcune centinaia di
metri a decine di chilometri. Queste onde
interne si presentano al confine fra strati di
acqua con differenti proprietà e possono essere
molto violente, impedendo il funzionamento
delle piattaforme di perforazione o disturbando le comunicazioni sottomarine. Pur essendo
difficili da vedere, esse lasciano in superficie
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ENVISAT, il satellite dell’Agenzia Spaziale
Europea (ESA) che osserva la Terra, rappresenta la strumentazione più complessa e sofisticata mai realizzata nell’osservazione del nostro
Pianeta e nel controllo del suo stato di salute. I
dati forniti giornalmente dai sensori a bordo
sono sufficienti a riempire gli hard-disks di 500
computers. Il satellite, dalle dimensioni di un
camion, trasporta 10 strumenti ed è alimentato da 70 m2 di pannelli solari in grado di generare 6 kw di elettricità. La possibilità, quindi,
di poter integrare dati di diverse fonti in prodotti altamente sofisticati, garantisce una visione del mondo senza precedenti. La lunga vita
di ENVISAT assieme alla compatibilità dei
suoi dati con quelli di ERS1 ed ERS2, sempre
satelliti dell’ESA, permetterà agli scienziati di
ottenere immagini a più dimensioni dell’evoluzione di complessi fenomeni ambientali
riprese in un intervallo temporale di oltre dieci
anni.
Gli strumenti, quindi, che si trovano a
bordo di ENVISAT sono:
• ASAR (Radar Avanzato ad Apertura Sintetica). Utilizza un impulso radar per la mappatura della superficie terrestre sottostante. È
in grado di mappare la superficie terrestre,
di ricostruire il profilo delle onde e dei
ghiacci, di cartografare l’uso del suolo e la
copertura vegetale e misurare alcune delle
proprietà della superficie.
• MERIS (Spettrometro ad Immagine a
Media Risoluzione). Acquisisce immagini
della superficie nuvolosa diurna catturando
la lunghezza d’onda del visibile e di una
parte dell’infrarosso dello spettro elettromagnetico. È in grado di determinare l’esatto
“colore” del mare aperto e delle acque
costiere, indicando l’attività biologica.
Osserva le nuvole ed individua il vapore
acqueo invisibile nell’atmosfera, nonché
identifica il vario stadio di crescita delle
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La Sicilia vista dal sensore MERIS. (foto ESA)
medio, mappando i profili di una serie di
gas traccianti diversi. È in grado di mappare
piante ed i livelli di clorofilla permettendo
gli inquinanti atmosferici ed i gas responsauna stima della biomassa vegetale.
bili dell’effetto serra arricchendo la chimica
• RA-2 e MWR (Radar Altimetro 2 e Radioatmosferica di nuove importanti conoscenmetro a Micro-Onde). Misura l’altezza del
ze.
satellite sulla superficie terrestre con una
precisione di 4,5 cm. In combinazione con i • AATSR (Radiometro Avanzato a Scansione
Lungo la Traccia). Osserva la superficie terdati orbitali di precisione del DORIS, fornirestre ed oceanica in diverse frequenze del
sce un profilo della superficie marina o dei
visibile e dell’infrarosso per misurarne la
ghiacci sottostanti. Il MWR misura la quantemperatura di superficie con un’accuratezza
tità di vapore acqueo e permette di corregdi 0,3 °C. Individua i punti caldi negli
gere il segnale del RA-2 ottenendo un’accuincendi forestali, mappa l’estensione della
ratezza maggiore.
vegetazione.
• GOMOS (Monitoraggio dell’Ozono tramite Occultamento delle Stelle). Segue la • DORIS e Laser Retro-Riflettore (Orbitografia e Radio-posizionamento Doppler Intetraiettoria delle stelle e osserva il loro spettro
grati) Insieme al Radar Altimetro produce
luminoso attraverso l’atmosfera terrestre. È
carte della superficie oceanica e permette di
in gradi di ricostruire i profili verticali di
estrarre mappe gravitazionali del fondo delvapore acqueo dell’ozono in porzioni di
l’oceano e di elevazione del terreno. Il rifletatmosfera dello spessore compreso tra i 20tore laser permette la rilevazione al suolo
100 km.
della distanza del satellite per la calibrazione
• MIPAS (Interferometro Michelson per lo
del DORIS e del RA-2.
Scandaglio Atmosferico Passivo). Osserva
•
SCIAMACHY (Spettrometro ad Assorbil’atmosfera nello spettro dell’infrarosso
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mento per Scansione d’Immagine per la
Chimica Atmosferica). Cartografa l’atmosfera in un ampio spettro di lunghezze d’onda. Permette di individuare gas traccianti,
ozono e gas correlati, nuvole e pulviscolo
nell’atmosfera. Fornisce la quantità totale
dei gas e dei loro profili atmosferici. Consente lo studio della chimica atmosferica,
degli incendi forestali, dell’inquinamento
industriale, delle foschie artiche, delle tempeste di sabbia e delle eruzioni vulcaniche.
Conclusioni
ENVISAT, il satellite di osservazione della
Terra dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA), il
più grande mai lanciato sinora, misurerà continuamente la distribuzione in quota di una
enorme quantità di parametri geofisici come la
pressione, la temperatura, l’altezza e la densità
delle nuvole, la concentrazione dell’ozono, del
metano e di tantissimi altri gas responsabili
dell’effetto serra e di tanti altri parametri.
Grazie alla sua nuova e sofisticata strumentazione, Envisat rappresenta un supporto fondamentale alle attività di telerilevamento e per
la comprensione dei fenomeni naturali che
influenzano e che mutano quotidianamente la
mappa del sistema terrestre. Il nuovo satellite
offrirà una copertura totale della Terra, immagini ancora più attendibili ed ad un’alta risoluzione e potrà essere operativo in qualsiasi stagione.
Questo gigantesco occhio posto al di sopra
di noi è stato ideato per conoscere meglio il
pianeta su cui viviamo e per aiutarci a prevenire catastrofi naturali di dimensioni spesso irreparabili.
Per dare una completa panoramica del programma europeo per l’osservazione della Terra,
bisogna parlare dei possibili utilizzatori. Come
in ogni campo, avere una massa incredibile di
dati e non sapere, ad esempio, quali possano
essere i possibili utenti oppure gli addetti al
processamento dei dati rilevati, non serve proprio a nulla. Di seguito, quindi, si riportano
solo alcuni esempi di potenziali utilizzatori con
l’unico intento di offrire una breve panoramica
circa le possibili istituzioni interessate. Per
esempio, un guardacoste che ricevesse tempestivamente le immagini, già processate ed elaborate, di una zona colpita da una chiazza di nafta
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lasciata in mare da una nave che ha illegalmente e nottetempo lavato i serbatoi, avrebbe la
possibilità di identificare, con l’invio di un velivolo nell’area interessata, armatore e comandante della nave, responsabili del misfatto.
Per i meteorologi i dati ricevuti potrebbero
permettergli di realizzare nuovi e accurati programmi di calcolo della quantità di ozono nell’atmosfera.
Ad un climatologo sarebbe permesso di studiare l’interazione tra nuvole, precipitazioni e
superficie oceanica con un dettaglio senza precedenti; prima si poteva ricorrere a letture ricavate localmente da navi o da boe, ora è possibile controllare interi oceani.
La Protezione Civile, poi, è sicuramente un
grande utilizzatore per la prevenzione o gestione di eventi catastrofici. Tutto, però, si gioca
con la velocità di invio, analisi e ricezione di
dati processati che possano permettere, ad
esempio, di fronteggiare grandi alluvioni e la
loro estensione oppure identificare un’area
urbana dove il terreno negli ultimi anni si è
abbassato; così da permettere un controllo
accurato sulla solidità strutturale degli edifici
più vecchi al fine di proteggerli da cedimenti
improvvisi e disastrosi.
I miliardi di bit di dati catturati e spediti a
terra da ENVISAT danno del nostro Pianeta
immagini dettagliate senza precedenti. Questi
dati, elaborati e trasformati in vari prodotti,
sono distribuiti a migliaia di scienziati e tecnici, impiegati statali e funzionari, industriali ed
economisti. Molti sono ricercatori di fama
mondiale che cercano di svelare i segreti dei
nostri oceani, dell’atmosfera e della biosfera.
Alcuni sono Enti pubblici o Società preposte
alla circolazione giornaliera di informazioni
per lavoro e tempo libero. Autorità regionali
ed Agenzie Internazionali si attivano per combattere ovunque le calamità naturali. I meteorologi generano più accurate previsioni del
tempo per l’agricoltura o per gli affari, per l’aviazione o per il tempo libero. I politici possono aggiornarsi per problemi complessi quali
l’inquinamento costiero o l’emissione di gas in
atmosfera, regolati da trattati internazionali.
Infine, grazie allo strumento internet, in un
prossimo futuro, sarà possibile seguire il fenomeno detto El Niño, incendi forestali o movimenti dei ghiacci direttamente sul proprio
computer.