Il radar meteorologico

RADAR sta per “Radio Detection And Ranging” ed indica la capacità di rilevare la presenza di oggetti mediante il rilevamento di echi di onde radio, determinandone distanza e direzione.
Nel campo meteorologico tali oggetti, denominati targets o bersagli, sono rappresentati dalle gocce di pioggia, particelle di ghiaccio, fiocchi di neve, nonchè zone soggette a forti variazioni dell’indice di rifrazione atmosferica.

Un sistema radar è composto da:

• un trasmettitore, che produce una radiazione elettromagnetica con una certa potenza e frequenza stabilite;
• un’antenna, che irradia la potenza generata ed intercetta i segnali riflessi;
• un ricevitore, che rileva, amplifica e trasforma i segnali ricevuti;
• un sistema in grado di visualizzare gli echi rilevati.

Radar di Zaventem (Bruxelles, Belgio)

Il principio di funzionamento si basa sulla propagazione dell’onda che avviene alla velocità della luce, la cui direzione viene focalizzata dall’antenna ricevente; la distanza del target viene calcolata tenendo conto del tempo impiegato per percorrere il tragitto d’andata e ritorno tra il punto d’emissione (l’antenna) e quello di riflessione (l’oggetto).

Mediante il posizionamento dell’antenna, di cui si conosce l’elevazione ed il puntamento, si risale alla localizzazione del target nello spazio tridimensionale tramite i dati d’azimuth (ovvero l’angolo formato dalla retta che congiunge il radar al bersaglio ed il radar con la direzione nord) ed il dato della quota.

La radiazione emessa dal trasmettitore avviene mediante una sequenza di impulsi elettromagnetici, costituita da un fascio di energia discretizzata che si propaga alla velocità della luce.
La frequenza di ripetizione dell’impulso, denominata PRF (Pulse Repetition Frequency), definisce la massima distanza teorica entro cui il sistema radar può rilevare un target; tale distanza R è data dalla formula:

dove c è la velocità della luce.

Un altro parametro di cui tener conto in un sistema radar è la lunghezza d’onda della radiazione emessa, vi sono differenti tipi di banda utilizzati in vari ambiti, nel campo meteorologico:

• banda X, lunghezza d’onda di 3 cm, utilizzata in ambito marino e aeronautico per il monitoraggio di aree limitate di territorio, costi modesti;
• banda C, lunghezza d’onda di 5,5 cm, la più utilizzata in Europa per il monitoraggio delle precipitazioni, costo di alcuni milioni di euro;
• banda S, lunghezza d’onda di 10 cm, adatta in aree caratterizzate da precipitazioni molto intense in quanto non vi è il problema dell’attenuazione del segnale; esempi di radar che operano con questa banda sono quelli della rete NEXRAD degli Stati Uniti.

La scelta della lunghezza d’onda deve essere strettamente correlata alla dimensione dell’oggetto che si vuole monitorare; più piccolo è il target, più piccola dovrà essere la lunghezza d’onda adottata.

Accenniamo alla presenza dell’equazione fondamentale del radar che definisce la correlazione tra la quantità di energia diffusa all’indietro dalle particelle e le caratteristiche fisiche del radar e dei targets (equazione di Probert-Jones), le variabili in gioco sono:

• potenza massima trasmessa;
• lunghezza d’onda;
• lunghezza dell’impulso;
• guadagno dell’antenna;
• ampiezza del fascio;
• perdita di segnale per attenuazioni varie;
• distanza dai targets r;
• riflettività dei targets;
• sezione d’urto di backscattering, ovvero la superficie del targets che intercetta e diffonde isoentropicamente (ovvero in modo analogo in tutte le direzioni), una quantità di radiazione pari a quella ricevuta dal ricevitore;
• indice di rifrazione complesso k;
• fattore di riflettività Z.