Misura dei parametri del moto ondoso mediante telerilevamento attivo
Il reperimento dei dati ondametrici di largo rappresenta in genere la principale difficoltà nella ricostruzione del clima meteomarino di un dato paraggio.
Tali difficoltà oggi possono essere facilmente superate ricorrendo anche alle tecniche di telerilevamento satellitare tramite l'impiego di sensori attivi a microonde (radar). Attivi in quanto in grado di generare autonomamente l'energia con cui irradiare gli oggetti da rilevare, a microonde perché emettono onde radio, cioè energia elettromagnetica rientrante nella regione delle microonde dello spettro elettromagnetico. A differenza dei sensori ottici e ad infrarossi, anche essi molto diffusi, queste caratteristiche offrono due vantaggi particolarmente apprezzati specie nel telerilevamento da satellite. Innanzitutto la possibilità di poter operare in maniera continua indipendentemente dalla presenza o meno di radiazione solare (sensori attivi) e poi la possibilità di poter operare in tutte le condizione climatiche (le lunghezze d'onda usate riescono ad oltrepassare senza particolari problemi qualunque copertura nuvolosa). Se a tutto ciò aggiungiamo il numero sempre più grande di satelliti messi in orbita dalle diverse agenzie spaziali ecco che si ha la possibilità di monitorare l'intero globo su di una scala spazio-temporale impossibile da ottenere con i metodi di misura classici.
Due sono i tipi di radar maggiormente usati per il telerilevamento satellitare, il radar ad apertura sintetica meglio noto anche con la sigla SAR (Synthetic Aperture Radar) e l'altimetro radar (figura13).
Fig. 13: Sezioni trasversali rappresentanti la geometria tipica di un SAR (a sinistra) e di un altimetro radar (a destra). In entrambi i casi i sensori si muovono lungo la direzione normale al piano del disegno.
Il SAR è quello che in gergo viene detto un radar ad immagini. Infatti oltre a registrare l'intensità ed il ritardo degli echi prodotti dalla superficie terrestre, il SAR registra anche la loro fase che in virtù del movimento relativo tra antenna e bersaglio varia (effetto Doppler). Combinando tutti questi elementi è possibile, dopo elaborazioni abbastanza complicate (focalizzazione del segnale SAR), ottenere delle immagini bidimensionali ad alta risoluzione delle aree osservate. Sulla superficie del mare la qualità di queste immagini è talmente elevata che possono essere usate per tutta una serie di scopi che vanno dall'individuazione di sostanze inquinanti (idrocarburi essenzialmente) alle misure del campo di vento allo studio delle onde interne fino alle misure dei parametri del moto ondoso, giusto per citarne alcuni. Per quel concerne quest'ultimo aspetto, il SAR allo stato attuale è l'unico strumento che consente di avere informazioni su ampia scala spaziale (dell'ordine dei 100km x 100km) circa la direzione del campo di onde come è visibile chiaramente nella figura 14.
Fig. 14: Esempio di un immagine SAR sulla superficie marina in cui è ben evidente la struttura del campo di onde e gli effetti delle sue interazioni con il fondale e la linea di costa.
Comprendere a pieno tutte le interazioni che si generano è alla base per una corretta interpretazione delle immagini SAR sul mare. A tal proposito diversi sono gli studiosi che negli anni si sono occupati di descrivere analiticamente questi processi attraverso la trasformazione integrale spettro di mare - spettro dell'immagine SAR finale. Lo scopo ovviamente è poter ottenere degli algoritmi di inversione che permettano di ricavare in maniera sistematica lo spettro di mare dallo spettro dell'immagine SAR.
Si tratta tuttavia di fenomeni estremamente complessi per cui fatta eccezione per pochi casi particolari i risultati ottenuti sono ben lontani dall'essere soddisfacenti. A ciò va aggiunta la difficoltà oggettiva degli approcci analitici di poter considerare tutta una serie di effetti non spettrali come ad esempio il frangimento delle onde e la conseguente formazione di schiuma che come ormai è ampiamente dimostrato modifica marcatamente la risposta radar.
Proprio per questi motivi, oltre ad impiegare i dati forniti dal telerilevamento per attività di consulenza nell'ambito della definizione del clima marittimo, anche i ricercatori del MEDUS, stanno sviluppando, da diverso tempo, alcune procedure il cui obiettivo è riprodurre numericamente le risposte radar (SAR e altimetro principalmente) sulla superficie del mare al fine di comprenderne al meglio i fenomeni che rappresentano.
La base di partenza è la generazione pseudo-casuale della superficie marina. Si tratta in pratica di applicare quanto previsto dalla teoria lineare delle onde irregolari (Random Linear Wave Theory) secondo la quale un campo di onde stazionario ed omogeneo può essere ottenuto attraverso la sovrapposizione lineare di infinite onde regolari (componenti spettrali) di ampiezza infinitesima e con frequenze, direzioni di propagazione e fasi tutte generalmente diverse tra loro.
Esempi di superfici marine così generate sono rappresentate nella figura 15. Nel caso specifico si è utilizzato uno spettro unidirezionale del tipo JONSWAP e la classica funzione di spreading proposta da Goda.
Fig. 15: Esempi di generazione pseudo-casuale di superfici marine per due differenti valori del parametro di dispersione direzionale smax: a) smax = 75; b) smax = 25.
Una volta che le superfici sono state generate è possibile riprodurre sempre numericamente i differenti fenomeni che si ritiene possano influenzare la risposta radar. Nel caso del SAR ad esempio in una prima fase è stato considerato esclusivamente i due fenomeni più importanti, cioè quello di tilt e quello di velocity bunching (shift). La teoria in particolare suggerisce che questi producono effetti totalmente differenti a secondo che la direzione di propagazione delle onde coincida con la direzione di volo del sensore (direzione Azimuth) o sia perfettamente normale a quest'ultima (direzione Range). Nel primo caso, infatti, è massimo l'effetto di shift ed è nullo invece quello di tilt, mentre nel secondo si verifica esattamente la condizione inversa. I risultati ottenuti sono stati più che soddisfacenti in quanto perfettamente in linea con la teoria.
Un esempio degli effetti di tilt (modulazione RAR) e dell'azione combinata tilt più shift (modulazione SAR) riprodotti numericamente per le due condizioni limite relative ad onde che si propagano in direzione Range e ad onde che si propagano in direzione Azimuth sono proposti rispettivamente nelle figure 16 e 17.
Fig. 16: Simulazione dei due effetti fondamentali nella formazione di immagini SAR sul mare di onde che si propagano in direzione Range (direzione orizzontale): a) superficie marina simulata; b) modulazione RAR (solo effetto di tilt); c) modulazione SAR (effetto di tilt più shift).
Fig. 17: Simulazione dei due effetti fondamentali nella formazione di immagini SAR sul mare nel caso di onde che si propagano in direzione Azimuth (direzione verticale): a) superficie marina simulata; b) modulazione RAR (solo effetto di tilt); c) modulazione SAR (effetto di tilt più shift).
A differenza del SAR, l'altimetro ha un funzionamento molto più semplice. Nato originariamente per misurare le oscillazioni della superficie terrestre ed in particolar modo quelle del livello medio mare, l'altimetro si "limita" esclusivamente a misurare il ritardo e l'intensità degli echi generati. La curva che riporta l'intensità di tali echi in funzione del loro ritardo prende il nome di forma d'onda. L'elevata omogeneità della superficie marina fa sì che su di essa questa forma d'onda assuma un andamento caratteristico che fu descritto analiticamente (nell'ipotesi che le altezze d'acqua istantanee abbiano una distribuzione di tipo normale o gaussiano). Ai fini pratici la cosa fondamentale è che parametri essenziali di tale forma d'onda sono strettamente connessi alle grandezze di nostro interesse quali l'altezza d'onda significativa dello stato di mare e la velocità locale del vento. Un tipico esempio della forma d'onda generata dalla risposta radar sulla superficie del mare è riportata nella figura 18.
Fig. 18: Andamento analitico della forma d'onda relativa alla risposta dell'altimetro radar sulla superficie del mare nell'ipotesi di distribuzione gaussiana delle altezze d'acqua istantanee (Brown 1977).
Sulla base della stessa procedura sviluppata per il SAR abbiamo quindi realizzato anche un simulatore dell'altimetro radar in grado di riprodurre la forma d'onda per una qualunque distribuzione (non necessariamente gaussiana) delle altezze d'acqua istantanee. Anche in questo caso l'obiettivo è ricostruire le forme d'onda con e senza schiuma onde evidenziare ancora una volta come alcune distorsioni (bias) nelle misure eseguite tramite altimetro radar possono essere ricondotte alla presenza di schiuma. Un esempio in tal senso è riportato nella figura 19.
Fig. 19: Confronto tra forme d'onda simulate con (curva in rosso) e senza (cruva in blue) schiuma