Studio di eventi marini ed atmosferici sul
Mar Mediterraneo tramite il SAR

Courtesy of NASA/JPL

Nell’ultimo quarto di secolo la meteorologia e l’oceanografia si sono avvalse di dati di telerilevamento a microonde da aerei e da satelliti. Come è noto la fortuna dell'impiego del Radar ad Apertura Sintetica (SAR) è dovuta alla possibilità di operare di giorno e di notte e in ogni condizione meteorologica con elevata risoluzione spaziale. Il Mar Mediterraneo, circondato da isole e coste frastagliate, ha potuto avvantaggiarsi di tale tecnica, in particolare per l'osservazione dei fenomeni marini e atmosferici a piccola scala (< 10 km) e per la rivelazione e quantificazione di inquinanti di superficie.

Poiché il SAR invia un fascio radar con angolo di incidenza obliqua, si ha segnale di ritorno solo quando la superficie marina è ricca di onde gravito-capillari (lunghezze d'onda centimetriche) prodotte dal vento, che danno una retrodiffusione dell’energia sufficiente per produrre immagini.

 L’uso del SAR è particolarmente utile:

1. per osservare e misurare l'ondosità e in generale i fenomeni marini che influenzano la rugosità superficiale del mare (correnti, vortici, onde interne, ecc.);
2. per visualizzare le caratteristiche spaziali dello strato limite dell'atmosfera sulla superficie del mare;
3. per l'estrazione del campo di vento sul mare ad alta risoluzione spaziale;
4. per la rivelazione di versamenti dolosi o accidentali di petrolio greggio in acqua.

 Data la complessità dei fenomeni che accadono sulla superficie del mare, la maggior parte di natura impulsiva ed intermittente, siamo ancora lontani dalla completa comprensione dei fenomeni connessi all'interazione aria-mare. Quindi l'utilizzo oggi possibile delle immagini del SAR sul mare non può essere separato dalla conoscenza dei meccanismi che influenzano le immagini stesse. Occorre destinare ancora risorse alla ricerca scientifica su questo settore.

Il presente progetto è composto di due aspetti separati ma complementari.

1.  ricerca di base sui meccanismi fisici che influenzano l’eco radar
2. applicazione delle immagini SAR a problemi meteorologici ed oceanografici quali:

1. meteorologia costiera (studio degli effetti orografici sul vento);
2. fenomeni atmosferici di trasporto verticale turbolento o convettivo;
3. studio delle proprietà direzionali del moto ondoso.
4. inquinamento.

Per raggiungere gli scopi sopra elencati è necessario compiere un esperimento in mare aperto durante la missione SRTM.

Piattaforma petrolifera dell'AGIP "Barbara C" posizionata su un fondale
di circa 100 m.nell'Adriatico centrale al largo di Ancona

L’esperimento di interazione aria-mare-onde e.m. sarà effettuato a bordo della piattaforma dell’AGIP "Barbara C" nel mare Adriatico, ove saranno installati radar scattereometrici operanti alle bande S, L, C  e Ku, anemometri triassiali ultrasonici e Sodar Doppler phased array.

Durante la missione dello Shuttle, saranno contemporaneamente misurati il backscatter radar da satellite e da piattaforma, la direzione del vento, lo stress del vento e le temperature del mare e dell’aria.I dati ottenuti forniranno serie temporali di eco radar, di frequenza Doppler del radar, di vento, di wind stress e di flussi di calore. Dalla frequenza Doppler del radar si otterranno gli spettri di frequenza delle onde che saranno confrontati con quelli ottenuti dalle immagini del SAR. Saranno, inoltre, raccolti le proprietà direzionali del moto ondoso al largo di Lampedusa per studiare le proprietà delle funzioni di trasferimento che modulano l'eco radar del SAR in funzione della polarizzazione e della frequenza.

Dettaglio di immagine SAR in banda C.
Si tratta di 1024 x 1024 byte con interpixel di circa 4.3 m.
L'intensità di bianco è proporzionale alla "Radar Cross Section".
Al centro è ripresa la piattaforma Acqua Alta (zona chiara);
le due macchie scure sono slick artificiali (versamento di due litri di alcool oleico).

Esempio di serie temporali ottenute da misure da piattaforma
In alto: serie temporale di radar backscattering in banda C.
In mezzo: frequenza Doppler radar.
In basso: velocità del vento. (ISDGM-CNR)

Secondo le condizioni ambientali che si verificheranno durante l’esperimento, si studieranno le seguenti tematiche

1. struttura spaziale dei sistemi atmosferici convettivi sul mare (risoluzione > 25m);
2. struttura spaziale del wind stress in qualsiasi regime di vento (risoluzione > 25 m);
3. proprietà spaziali del vento derivate da misurazioni SAR con circa 1 km di risoluzione: il campo di vorticità atmosferico e i campi di velocità verticale atmosferica (Ekman pumping);
4. validazione di modelli elettromagnetici e statistici atti a descrivere l’eco radar della superficie del mare;
5. influenza dell’età dell’onda sul wind stress e sull’eco radar, in acque più o meno profonde;
6. ricostruzione dello spettro bidimensionale del mare tramite dati SAR utilizzando tecniche di inversione implementate dai nostri teams di ricerca.

In relazione a quest'ultimo punto si è interessati al problema del "retrieval" di spettri di onde mediante il metodo dei cross-spectra applicato alle immagini in banda X. La differente lunghezza d'onda utilizzata per l'acquisizione dell'immagine e la differente geometria di acquisizione del sensore sono, infatti, parametri da tenere in considerazione quando si analizza un'immagine SAR. È dunque importante capire come il metodo dei cross-spectra è legato a questi parametri e come i parametri ambientali, primi fra tutti la velocità e la direzione del vento, influenzano la risposta radar.

In previsione della missione SRTM, è stata messa a punto una procedura per effettuare un confronto fra i risultati ottenuti con un metodo classico di inversione (Hasselmann & Hasselmann) e quelli ottenuti con il metodo dei cross-spectra.

E' inoltre prevista un'attività mirata alla verifica di modelli per la descrizione dello scattering elettromagnetico dalla superficie marina. A tal fine risultano di fondamentale importanza i dati di verita' in situ, acquisiti contemporaneamente ai dati SAR. I modelli elettromagnetici verranno utilizzati per la messa a punto, la verifica e l'interpretazione dei risultati ottenuti mediante algoritmi di inversione, per il recupero dello spettro marino da quello dell'immagine SAR.

E' prevista la raccolta di dati satellitari utili a caratterizzare lo stato dell'atmosfera, con particolare riferimento alla temperatura, al contenuto di vapor d'acqua e acqua liquida, alla presenza e alle caratteristiche dei sistemi nuvolosi ed, eventualmente, all'intensità di precipitazione alla superficie. Si prenderanno in considerazione i dati Meteosat (radiometro visibile e infrarosso, risoluzione circa 2 km), DMSP-SSM/I (radiometro a microonde a 7 canali nell'intervallo 19-85 GHz, risoluzione di circa 15 chilometri alla frequenza di 85 GHz), DMSP-SSM/T (radiometro a microonde operante nella banda dell'ossigeno). E' prevista l'analisi dei dati dei radiometri per la generazione di prodotti sullo stato dell'atmosfera utilizzando i dati a mare (vento, temperatura della superficie, onde) per la modellizzazione dell'effetto della superficie sul segnale radiometrico.

Bibliografia