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Informazioni di base
Alle più alte latitudini della nostra Terra la nuvolosità è molto frequente ed ecco perché, malgrado le osservazioni satellitari, disponiamo di poche informazioni di queste aree remote. Infatti molti satelliti di osservazione acquisiscono immagini nelle bande visibili e degli infrarossi e ciò che vediamo in queste immagini sono principalmente banchi di nubi. Inoltre, gli strumenti di imaging ottico si possono usare solo nei mesi estivi. In inverno questi paesaggi sono immersi nell’oscurità più completa. Con l’avvento dei satelliti dotati di radar tutto ciò è cambiato. Dal lancio di ERS-1 nel 1991 abbiamo a disposizione una vera e propria messe di dati da entrambe le regioni polari e dal 2001 Envisat esegue osservazioni del mondo ghiacciato con passate ancora più frequenti su strisce di 400 km di larghezza.
I radar sono strumenti di rilevamento remoto attivi, che inviano impulsi a microonde e ne ricevono le eco. Per valutare queste eco e produrre un'immagine, vale a dire un'immagine radar, è necessaria una potenza di calcolo molto grande. Poiché le microonde sono in grado di penetrare le nubi, abbiamo sempre una vista perfetta della superficie terrestre. Inoltre le microonde riescono a penetrare sia la vegetazione e il suolo asciutto che la neve secca. I radar tuttavia non possono vedere sotto l’acqua.
| | | Questa immagine radar ERS mostra un aeroporto, strade, edifici e prati |
Le informazioni che vediamo nell’immagine non hanno niente a che vedere con i colori presenti nelle fotografie e nelle immagini satellitari ottiche. Nelle immagini radar vediamo infatti la struttura della superficie ovvero la sua ruvidità. Ma cosa vuol dire ruvido o, in altre parole, cos’è una superficie ruvida? Per il radar dell’ERS e dell'Envisat, prati, praterie e pascoli rappresentano superfici lisce, mentre boschi o città sono superfici ruvide o molto ruvide.
| | Immagine radar da un'immagine costiere | |
L’asperità della superficie si osserva molto bene sui corpi d’acqua, come gli stagni, i laghi o il mare. Senza vento, la superficie è calma e, in termini di risposta radar, è liscia ed uniforme (risposta assente o scarsa). Nei giorni di vento si vedono le onde, la cui altezza dipende dalla velocità del vento, e per il radar questa è una superficie ruvida o molto ruvida. Molta energia radar viene respinta e sull’immagine quest'area appare chiara. Più chiara è l’immagine più elevata è la velocità del vento. Ora sei in grado di rispondere a questa domanda: in quale gradazione di grigio compaiono prati, autostrade, piste e superfici d’acqua calme in un'immagine radar di Envisat?
Naturalmente, in un grigio molto scuro!
| | | Uno dei più grandi ghiacciai dell'Antartide: il ghiacciaio Lambert |
Come vedi, le fotografie sono solo in bianco e nero. Una zona bianca indica una superficie ruvida, una zona più scura indica una superficie liscia. Entrambe le nostre immagini dell’Antartide però sono state scattate in uno strano, per noi sconosciuto mondo, fatto principalmente di neve e ghiaccio. Dobbiamo capire come le microonde trasmesse dal radar reagiranno a questa superficie.
Ci aspettiamo superfici costituite da neve, ghiaccio, rocce, ghiaia, terreni brulli e acqua. Per quel che riguarda l’acqua, dobbiamo capire che cosa indica la ruvidità. La roccia appare principalmente chiara, mentre la ghiaia composta da sassolini e il terreno brullo fangoso appaiono di colore nero. Neve e ghiaccio rendono il discorso più complicato, perché le microonde riescono a penetrare la neve molto secca e il ghiaccio. Questo indica che possiamo ottenere le informazioni non solo dalla superficie ma anche dal volume. Nelle Regioni polari la superficie è gelata per la maggior parte dell’anno e pertanto è secca. La parte più alta dell’Antartide è addirittura gelata per tutto l’anno e nelle immagini appare scura. Le microonde penetrano in profondità e vengono assorbite completamente. Si tratta di strati di neve ben pressati e profondi che si trasformano lentamente in ghiaccio, senza sciogliersi. Questo processo è chiamato metamorfosi dei cristalli di neve.
| | ASAR image of Antarctic coast, acquired 21 November | |
La neve secca nelle parti inferiori e a livello del mare dell’Antartide appare principalmente chiara, a causa del congelamento e dello scioglimento. Vengono a crearsi così lenti di ghiaccio, vale a dire piccoli strati di ghiaccio nel banco di neve. Queste lenti sono responsabili della forte risposta radar e dunque della luminosità che osserviamo nelle immagini. Tuttavia, nelle aree più basse si osserva una zona più scura, che rappresenta terreno nudo o neve bagnata. Entrambi hanno infatti una superficie liscia e a causa dell’alto contenuto di acqua liquida non è possibile alcuna penetrazione.
Piuttosto complessa è la situazione sul mare, dove abbiamo molti diversi tipi di ghiaccio e acque aperte oppure passaggi lineari grandi o piccoli liberi di ghiaccio, i cosiddetti canali sgombri.
Il ghiaccio, soprattutto il ghiaccio di mare (acqua marina gelata), appare sotto varie forme, dai piccoli blocchi galleggianti agli iceberg giganti. Quindi dobbiamo considerare il vento e la corrente che muove il ghiaccio, lo accumula e così facendo cambia la forma del banco e quindi il nostro segnale radar.
Vediamo ora di semplificare l’interpretazione delle immagini, esaminando i più importanti tipi di ghiaccio marino e valutando i problemi che il ghiaccio può determinare alla navigazione.
Tipi di ghiaccioea ice types
| | Esempio di interpretazione di diversi tipi di ghiaccio | |
- 'Grease ice': uno strato acquoso di ghiaccio in fase di formazione che rende uniforme la superficie dell'acqua, e la fa apparire scura nell’immagine radar come se fosse una pellicola di grasso: potrebbe apparire infatti come inquinamento di petrolio, cosa che naturalmente non è.
- Shuga: accumulo di blocchi di ghiaccio spugnoso. Ha un aspetto simile al grease ice ma rende molto più uniforme l’acqua, ad esempio con velocità del vento elevate. Spesso appare come lunghe bande scure mosse dal vento, mentre l’acqua attorno è chiara per effetto delle onde. Enormi marosi sono spesso facilmente visibili in queste zone. Non costituiscono un problema per le navi rompighiaccio.
- Pancake ice: frammenti di ghiaccio con diametro massimo di 2 m e bordi rialzati. Queste zone ghiacciate appaiono chiare nell’immagine radar. I marosi possono attraversare questo tipo di ghiaccio ed è possibile vedere onde lunghe. La rompighiaccio è in grado di attraversarlo facilmente.
- Ghiaccio grigio, ghiaccio del primo anno: grandi banchi galleggianti, spesso premuti dal vento l’uno contro l’altro. Su un'immagine radar sono rappresentati principalmente da aree grigie piuttosto scure. Difficilmente i marosi riescono a spostare questo ghiaccio in alto o in basso. La rompighiaccio normalmente lo attraversa.
- Ghiaccio del primo anno da medio a spesso: mentre i precedenti tipi di ghiaccio assumono la temperatura dell’acqua, il ghiaccio del primo anno medio o spesso è generalmente più spesso di 70 cm e pertanto isola l’acqua dall’aria. La superficie di questi banchi di ghiaccio è piuttosto impervia dunque appare chiara nelle immagini radar. Per attraversare questo tipo di ghiaccio la nave rompighiaccio deve spingere i motori al massimo quindi tende a circumnavigare i grossi banchi galleggianti.
- Fast ice (o land-fast ice): ghiaccio marino, anch'esso del primo anno, che si trova nei pressi delle coste. Questo tipo di ghiaccio è molto liscio e pertanto è rappresentato scuro nell’immagine radar. Una nave che entra nel ghiaccio lascia dietro di sé una scia. Spesso le rompighiaccio devono attraversarlo per raggiungere le stazioni di ricerca sulla riva e a volte ciò può essere molto difficile.
- Ghiaccio del secondo anno e pluriennale: ghiaccio marino dallo spessore di parecchi metri, che forma spesso grossi banchi galleggianti oppure, se è quasi sciolto, piccoli iceberg. I banchi più grossi mostrano una certa struttura di superficie, come crepe ricongelate. Nell’immagine radar possono essere di luminosità media o intensa, ma in estate possono apparire con chiazze scure di acqua disciolta o neve bagnata. Le rompighiaccio lo evitano e procedono con molta cautela.
| | ASAR image of 20 November 2003 | |
- Banchi di ghiaccio galleggianti giganteschi e iceberg tabulari dai ghiacciai calving (non composti da ghiaccio marino): banchi enormi, dello spessore di decine di metri che possono raggiungere anche il centinaio di metri. La superficie di questi banchi può arrivare a varie centinaia di chilometri quadrati di larghezza e appaiono chiari o scuri a seconda dell’età, della copertura e della temperatura ambiente. Mostrano però tutti un lato chiaro e un lato scuro. Il lato chiaro è la parte di ghiaccio rivolta al radar (il radar non è mai puntato in verticale ma sulla destra della direzione nella quale si sta muovendo nella sua orbita). Il lato scuro è invece la parete che non è toccata dalla luce del radar. Gli iceberg più piccoli sono rappresentati da un puntino luminoso. Gli iceberg tabulari giganti possono vivere parecchi mesi e viaggiare anche verso latitudini inferiori. Tutti questi tipi di ghiacci sono molto pericolosi per la navigazione, come ci ricorda la storia del Titanic. Le navi rompighiaccio evitano in tutti modi perfino di trovarsi nelle loro vicinanze.
La grandezza minima degli iceberg rilevabile dal radar dipende dalla grandezza del ghiaccio sopra l’acqua e dalla risoluzione spaziale, oltre che dal “background”. Se il mare è calmo, un iceberg della grandezza (sopra l’acqua) di una piccola casa sarebbe probabilmente visibile in un'immagine radar ad alta risoluzione (25 m). Per poter essere visibile in un'immagine radar a risoluzione media e ampio swath (150 m), l’iceberg deve essere leggermente più grande. Nel mare agitato i piccoli iceberg non risaltano dallo sfondo e potrebbero passare inosservati, a differenza di quelli più grandi (maggiori di 500 m).
Tutte queste indicazioni possono aiutarci a interpretare le immagini radar nelle vicinanze dell'Artico o dell’Antartide.
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