EUROPEAN SPACE AGENCY – PROGRAMMA COPERNICUS Informazioni su dati e analisi

L imponente sviluppo scientifico e tecnico avvenuto nell’ultimo secolo ha fatto sì che venissero sviluppate delle tecnologie che fino a pochi decenni fa erano inimmaginabili. Certamente la ricerca spaziale rappresenta una delle più importanti avanguardie della tecnica e dell’Ingegneria e più in generale della Scienza. In suddetto contesto si collocano le tecnologie e la Scienza del Telerilevamento satellitare o Remote Sensing. Con il termine telerilevamento si indica “una scienza che permette di ottenere informazioni qualitative e quantitative da un oggetto, un’area o un fenomeno tramite l’analisi di dati acquisiti da un dispositivo a distanza che non è in contatto con l’oggetto, l’area o il fenomeno investigato” (Papale e Barbati, 2005). Il telerilevamento satellitare permette così l’acquisizione di dati, sottoforma di
immagini, su vaste aree di superficie terrestre in tempi relativamente brevi. Con il tempo le tecniche di acquisizione dei dati e le tecnologie costruttive dei sensori sono state perfezionate ed ora è possibile accedere a dati con diverse risoluzioni geometriche, spettrali, temporali e radiometriche. Ad oggi sono disponibili immagini satellitari multispettrali con risoluzione geometrica dell’ordine del decimetro. Tutte queste peculiarità del telerilevamento lo rendono un valido supporto sia per attività scientifiche sia commerciali od amministrative. A livello scientifico le tecniche di Remote Sensing si applicano a numerosi campi tra cui la geologia, la climatologia, la meteorologia, l’oceanografia e l’idrologia. Il dato satellitare risulta molto utile per la cartografia di aree remote o paesi in via di sviluppo;in queste zone le tecniche tradizionali con misurazioni sul campo o rilievi fotogrammetrici sono di difficile applicazione. Dal punto di vista commerciale la possibilità di accedere a dati su vastissime aree può essere importante per applicazioni in campo agro-forestale e per la pesca, oltre che per le attività di ricerca delle materie prime. Le immagini telerilevate forniscono un importante strumento di pianificazione e monitoraggio nell’ambito dell’amministrazione del territorio. Sono presenti in letteratura numerosi studi a riguardo, sia sull’ambiente urbano che naturale. Una delle più interessanti applicazioni del telerilevamento satellitare è quella relativa al risk management e la gestione dei disastri naturali; in questo filone si inseriscono diversi progetti e organizzazioni come ITHACA (Information for Humanitarian Assistance, Cooperation and Action) oppure GDACS (Global Disaster Alert and Coordination System), organizzazioni rivolte al miglioramento dei sistemi di allerta (Early Warning), valutazione dei danni nelle prime fasi delle emergenze (Early Impact), di condivisione di informazioni georeferenziate e coordinamento nelle prime fasi delle emergenze. L’Agenzia Spaziale Europea ha lanciato il programma Copernicus, il quale tramite dati satellitari fornisce una serie di prodotti e servizi a supporto di studi scientifici e gestione delle emergenze. All’interno di tale programma si trovano progetti come EMS (Emergency Management Service) che è costituito da tre moduli: mapping, EFAS (European Flood Awareness System) e EFFIS (European Forest Fire Information System). Un altro programma europeo è G-MOSAIC (GMES services for Management of Operations, Situation Awareness and Intelligence for regional Crises) che produce informazioni di supporto con attenzione particolare alle crisi esterne all’UE. Accanto a questi progetti sono inoltre presenti numerose realtà di crowdmapping a cui è possibile partecipare on-line. Recentemente l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) ha dato inizio alla missione Sentinel, all’interno del programma Copernicus,con il lancio di una nuova serie di satelliti per l’osservazione terreste. Alcuni di questi sono già operativi e sono disponibili, open source, immagini radar e multispettrali
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Copernicus è attualmente il più ambizioso programma di osservazione terrestre al mondo ed è costituito da differenti sistemi (satelliti, stazioni terrestri, sensori aerei e marini) che acquisiscono dati sulla Terra, come riportato sul sito internet di ESA (http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/Copernicus/Overview3). Sul medesimo sito web si riporta che Copernicus è un programma che darà forma al futuro del nostro pianeta per il beneficio di tutti, ESA mette a disposizione la sua esperienza trentennale in programmi spaziali per contribuire al programma. Questo programma fornisce informazioni accurate, tempestive e facilmente accessibili per migliorare la gestione ambientale, comprendere e mitigare gli effetti dei cambiamenti climatici ed assicurare la sicurezza civile. Il programma è coordinato e gestito dalla Commissione Europea, mentre lo sviluppo delle infrastrutture avviene sotto il controllo di ESA per quanto riguarda le componenti spaziali. Le aree tematiche in cui si inseriscono i servizi legati al programma Copernicus sono sei:

  • territorio,
  • mare,
  • atmosfera,
  • cambiamento climatico,
  • gestione emergenze,
  • sicurezza.
    Questi servizi sono a supporto di una infinità di applicazioni che includono la protezione ambientale, la gestione delle aree urbane, la pianificazione territoriale, l’agricoltura, la gestione delle foreste, la pesca, i trasporti, lo sviluppo sostenibile, la protezione civile e il turismo. La varietà di applicazioni fa sì che i maggiori utilizzatori dei servizi Copernicus siano le pubbliche autorità, specialmente per la definizione di politiche ambientali e la gestione delle emergenze.
  • l’utilizzo dei dati Sentinel è rivolto allo studio del territorio, per cui particolare attenzione va concessa al tema dei servizi terrestri, i quali sono a loro volta suddivisi in quattro aree (http://land.copernicus.eu/):
  • Globali, questi servizi forniscono una serie di prodotti per lo studio della superficie terrestre a livello globale (con risoluzioni spaziali medie e basse), i prodotti sono usati per il monitoraggio della vegetazione, il ciclo dell’acqua e altre applicazioni.
  • Pan-Europei, servizi rivolti allo studio della copertura e dell’uso del suolo europeo e del loro cambiamento negli anni (corpi idrici, suolo nudo, foreste, aree impermeabilizzate…).
  • Locali, servizi relativi a specifiche aree nelle quali vengono riscontrate peculiarità (coste, grandi città, reti idriche).
  • In-sito, tutti i servizi hanno bisogno di dati presi nelle zone di studio per supportare i prodotti satellitari.
  • Un importante prodotto Pan-Europeo è CORINE Land Cover (CLC), che consiste in uno studio delle coperture del suolo (land cover) nel territorio europeo. I prodotti pan-europei sono coordinati dalla European Environment Agency (EEA). Per le specifiche esigenze del programma è stato sviluppato il progetto Sentinel, che prevede il lancio in orbita di 12 satelliti che formeranno la componente spaziale del programma Copernicus.

Bollettino climatico – Informazioni sui dati e sull’analisi

Il seguente paragrafo descrive i dati e l’analisi dei “Bollettini climatici” mensili su temperatura, ghiaccio marino e variabili idrologiche. Si applica ai bollettini che coprono da aprile 2019 in poi, che si basano principalmente sulla rianalisi ERA5.

Le mappe e i grafici riportati nel presente bollettino ,sono basati sulla versione ERA5T della rianalisi C3S/ECMWF ERA5 dal 1979 a oggi. Sono soggetti a modifiche nel caso in cui venisse riscontrato un problema rilevante a livello di produzione. Il rilascio delle mappe e dei grafici avviene di solito pochi giorni dopo che sono state fatte le ultime osservazioni di ogni mese. I dati finali dell’ERA5 vengono rilasciati circa due mesi dopo il tempo reale e differiscono dai dati in tempo quasi reale, solo se si verifica un problema di produzione rilevante e facilmente risolvibile. Il set di dati ERA5 in tempo quasi reale (ERA5T) è disponibile per il download presso il Climate Data Store (CDS https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/search?text=ERA5T ) a complemento della fornitura esistente della versione finale dei prodotti ERA5.

I bollettini precedenti ad aprile 2019 si basavano sulla rianalisi ERA-Interim. Le sezioni sui dati per questi bollettini, così come i confronti tra ERA-Interim e altri set di dati possono essere trovati qui: temperatura https://climate.copernicus.eu/node/74 , ghiaccio marino https://climate.copernicus.eu/node/8 e variabili idrologiche https://climate.copernicus.eu/node/181.

Le principali differenze tra ERA5 e ERA-Interim sono descritte qui https://climate.copernicus.eu/era5-new-dataset-monthly-climate-bulletin.

Definizioni

Definizioni delle regioni
Le regioni europee vengono così definite.

Europa: 25W-40E, 34N-72N
Europa sud-occidentale: 25W-15E, 34N-45N
Europa nord-occidentale: 25W-15E, 45N-72N
Europa sudorientale: 15E-40E, 34N-45N
Europa nord-orientale: 15E-40E, 45N-72N
Europa centrale: 2E – 24E, 45N – 55N
Artico europeo: 25W-60E, 66N-90N

Medie di zona
Le temperature medie sulle regioni europee si riferiscono esclusivamente alla terraferma, a meno che non sia indicato diversamente. Tutte le altre medie d’area, riguardano i domini in cui viene definita la variabile media. Le maschere terra-mare vengono invece definite in base alla griglia nativa del set di dati utilizzato.

Definizione delle stagioni

Le stagioni vengono così definite:
Di seguito le stagioni 2018: inverno, dicembre 2017 – febbraio 2018 (DJF); primavera, marzo 2018 – maggio 2018 (MAM); estate, giugno 2018 – agosto 2018 (JJA); autunno, settembre 2018 – novembre 2018 (SON). Per i grafici relativi alle serie storiche, viene utilizzata la stessa analogia per gli anni precedenti.

Periodi di riferimento e anomalie
Da gennaio 2021 in poi, il periodo di riferimento usato principalmente è quello del 1991-2020. Per un periodo di transizione, i grafici e i dati relativi al periodo di riferimento precedente (1981-2010) possono essere trovati utilizzando la funzione tab sopra ogni grafico. Per gli indicatori chiave, il valore 1981-2010 è incluso quando si passa sopra il valore 1991-2020. Per quanto riguarda le anomalie per una particolare variabile e mese, quest ultime rappresentano la differenza tra il valore della variabile per quel mese e il valore medio della variabile dal 1991 al 2020 per quel mese dell’anno.

Set di dati

ERA5
Dati (medie mensili dei campi originali) | Documentazione

ERA5 è una rianalisi atmosferica globale realizzata a partire dal 1979. La risoluzione è oraria, ma per questo rapporto vengono utilizzate le “medie mensili delle medie giornaliere”. La griglia orizzontale nativa è di ~31 km (griglia gaussiana ridotta N320), ma i dati possono essere scaricati su una griglia lat/lon regolare di 0,25 gradi. I dati ERA5 sono utilizzati per la temperatura dell’aria di superficie, le precipitazioni, l’umidità del suolo e il ghiaccio marino. Le serie storiche contenute nel bollettino sono calcolate dalla griglia nativa, le mappe sono prodotte dalla griglia regolare di 0,25 gradi lat/lon. Attualmente è possibile scaricare campi medi orari e mensili per ERA5. Le anomalie mensili grigliate e le climatologie (compresi eventuali aggiustamenti) utilizzate per il Climate Bulletin sono anche disponibili per il download presso il Climate Data Store (CDS).https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/ecv-for-climate-change?tab=overview

ERA5 temperatura dell’aria di superficie
La temperatura dell’aria superficiale ERA5 è determinata su tutto il dominio globale e su tutte le superfici, tutti i valori sono riportati. Per le serie storiche la temperatura dell’aria superficiale ERA è basata sulla versione originale dei dati.Per le mappe e i campi grigliati, i dati della temperatura dell’aria di superficie ERA sono basati su una versione personalizzata dei dati. In questa versione, le temperature dell’aria superficiale sono state corrette per il periodo 1979-2013 per compensare un errore di produzione involontario utilizzando analisi basate su osservazioni delle temperature dell’acqua dei Grandi Laghi. Poiché tali dati sono stati utilizzati nella precedente rianalisi ECMWF ERA-Interim, le temperature medie mensili dell’aria superficiale sui Grandi Laghi da ERA5, sono state corrette in base alla media delle differenze tra le temperature ERA-Interim (corrette come segue) e ERA5 nel periodo 1981-2010 per il mese interessato. Queste analisi corrette sono utilizzate per calcolare i campi climatologici mensili necessari per definire le anomalie. L’aggiustamento è applicato solo sui Grandi Laghi; altrove, le temperature medie mensili e le corrispondenti climatologie sono derivate interamente dalle analisi ERA5. La serie storica globale non ha quasi nessun effetto su questo aggiustamento, quindi non viene applicato alla serie temporale globale.

Le sintesi pubblicate per i mesi precedenti a marzo 2019 erano basate sui dati ERA-Interim aggiustati per compensare due problemi di produzione: I valori sul mare sono stati presi dal modello di previsione di fondo e non dall’analisi per evitare un effetto dannoso dell’analisi delle osservazioni distorte delle temperature dell’aria dalle navi.
I valori d’oltremare precedenti al 2002 sono stati ulteriormente corretti sottraendo 0,1°C. Questo ha tenuto conto di un cambiamento nella distorsione causata dal cambiamento della fonte dell’analisi della temperatura della superficie del mare. Utilizzato per la temperatura, il ghiaccio marino e le panoramiche idrologiche.

Era 5 precipitazioni

I valori delle precipitazioni provengono da una sequenza di previsioni di fondo di 12 ore. Queste previsioni devono la loro efficienza a molti tipi di dati, i più direttamente legati alle precipitazioni sono quelli provenienti dal telerilevamento satellitare nelle microonde a partire dal 1987 e i totali compositi di precipitazione radar a terra assimilati dal 2009. Le osservazioni dei pluviometri non sono assimilate, ma le loro stime a griglia, che possono soffrire di lacune di copertura e di errori di misurazione, forniscono serie di dati indipendenti per la valutazione.

ERA5 umidità relativa dell’aria prossima alla superficie

Sulla terraferma, i valori di umidità relativa dell’aria superficiale sono determinati in modo relativamente diretto dalle registrazioni osservative nelle aree in cui è stato fatto un gran numero di osservazioni dell’umidità dell’aria superficiale. Altrove, il modello di previsione di fondo gioca un ruolo più grande, permettendo ai valori di umidità relativa vicino alla superficie di essere dedotti meno direttamente da altri tipi di osservazioni assimilate. Come mostrato di seguito, i valori sono meno affidabili dove le osservazioni dell’umidità superficiale sono scarse e dove le previsioni delle variabili correlate, come le precipitazioni, sono distorte nel modello di fondo.

ERA5 umidità del suolo

I valori dell’umidità del suolo si riferiscono ai primi 7 cm del suolo come descritto dal Hydrology Tiled ECMWF Scheme for Surface Exchanges over Land (H-TESSEL). HTESSEL utilizza diverse classi di struttura del suolo con proprietà specifiche come la capacità di infiltrazione e il punto di essiccazione.

I calcoli delle serie temporali per l’umidità del suolo di ERA5 tengono conto dei valori frazionari nella maschera terra-mare. Per tutti i calcoli dell’umidità del suolo , viene applicata una maschera per le regioni che hanno una copertura di ghiaccio permanente (incluso l’Antartide e gran parte della Groenlandia) o nessuna vegetazione, o che altrimenti hanno un tasso medio climatologico di precipitazione annuale inferiore a 0,3 mm/giorno. Queste regioni sono visualizzate in grigio sulle mappe. Inoltre, per le mappe dell’umidità del suolo, dove alcuni punti di terra risultano indefiniti a causa della mancata corrispondenza tra il dataset e la risoluzione mappa-costa, questi punti di terra vengono reimpostati utilizzando l’interpolazione con i valori del mare limitrofo e sovrapponendo successivamente la maschera terra-mare.

L’umidità del suolo da ERA5 è inclusa nello Stato europeo del clima 2018 per fornire un quadro qualitativo delle principali anomalie e per mostrare la sua coerenza con le altre variabili.

ERA5 ghiaccio marino
ERA5 al momento non analizza direttamente le osservazioni del ghiaccio marino. Invece, incorpora analisi di frazioni di copertura (o concentrazione) di ghiaccio marino prodotte altrove, con ulteriori fasi di elaborazione per garantire una certa coerenza nell’intero periodo di tempo. Maggiori dettagli possono essere trovati in questo rapporto (sezione 3.6.2 Condizioni limite della superficie del mare).

I valori medi mensili della copertura del ghiaccio marino dell’ERA5 sono interpolati in una griglia regolare di 1°x1° che viene utilizzata per tracciare le mappe. I dati ERA5 sono definiti solo per i punti della griglia del modello che sono designati come punti mare o lago. Una risoluzione molto più alta è usata per definire le linee di costa usate per tracciare le mappe. I valori costieri che sono indefiniti sulla griglia 1°x1° sono reimpostati usando i valori immediatamente vicini della copertura di ghiaccio. Altri valori indefiniti sono impostati su una copertura di ghiaccio pari a zero. Le mappe della copertura media del ghiaccio marino per un particolare mese, includono un bordo di ghiaccio climatologico per quel mese. Questo bordo di ghiaccio è definito dalla posizione del valore del 15% della copertura media per il 1981-2010.

Le serie temporali riguardanti il ghiaccio marino sono riportate come valori mensili per l’area del ghiaccio marino o l’estensione del ghiaccio marino per l’Artico e l’Antartico, che sono calcolati dalla variabile originale ERA5 della copertura del ghiaccio marino come segue:

Sia per l’area di ghiaccio marino che per l’estensione del ghiaccio marino viene applicato un limite, con le concentrazioni di ghiaccio marino impostate su 0 per tutti i valori inferiori al 15%.
Il ghiaccio di lago non è preso in considerazione nei calcoli, ma è anch’esso impostato su 0.
L’area di ghiaccio marino mensile è derivata dalla media mensile della copertura di ghiaccio marino.
L’estensione giornaliera del ghiaccio marino è derivata dalla copertura giornaliera del ghiaccio marino, impostando tutti i valori maggiori o uguali al 15% a 1.
L’estensione mensile del ghiaccio marino è quindi calcolata a partire dall’estensione giornaliera del ghiaccio marino.
L’area e l’estensione del ghiaccio marino “Artico” e “Antartico” mostrati nei grafici, consistono nella somma della risultante copertura frazionaria del ghiaccio di ogni casella della griglia moltiplicata per l’area della casella della griglia, presa su tutte le caselle della griglia a nord di 20°N e a sud di 20°S.

EUMETSAT OSI SAF Sea Ice Index v2.1
Dati e documentazione

Le serie temporali mensili dell’estensione del ghiaccio marino e le anomalie dell’area del ghiaccio marino, sono basate sul prodotto EUMETSAT OSI SAF Sea Ice Index v2.1 (OSI-420). Questo prodotto fornisce serie temporali dell’estensione del ghiaccio marino e dell’area con frequenza giornaliera e mensile. E’ derivato dai prodotti giornalieri OSI SAF Sea Ice Concentration v2.0 (OSI-450 e OSI-430-b) e copre il periodo dal 1979 in poi. I dati OSI-450 e OSI-430-b sono prodotti da EUMETSAT OSI SAF con il contributo di R&S dell’ESA Climate Change Initiative. Per il C3S Climate Bulletin, un’ulteriore elaborazione viene fatta da C3S per ricavare le climatologie per i periodi di riferimento 1981-2010 e 1991-2020, così come le anomalie mensili rispetto a questi due periodi.

Temperatura della bassa troposfera UAH dell’Università dell’Alabama per il mese di giugno 2021

Il Telerilevamento, chiamato in letteratura anglosassone Remote Sensing, è la disciplina tecnico – scientifica che permette di ricavare informazioni sull’ambiente e su oggetti posti a distanza, mediante misure di radiazione elettromagnetica emessa, riflessa o trasmessa dalle superfici in esame. Misurare l’energia elettromagnetica significa quantificare le alterazioni che la superficie impone alla radiazione, ovvero alle sue caratteristiche di intensità, frequenza e polarizzazione; tale processo si traduce nella conoscenza fisica dell’oggetto in studio. Le misurazioni della radiazione elettromagnetica, che interagisce con le superfici fisiche d’interesse, vengono fornite sotto forma di immagini, risultanti dall’elaborazione di dati numerici e sono rilevate da appositi sensori remoti. Tali dispositivi, collocati su diverse tipologie di piattaforme quali aerei, satelliti o sonde spaziali, permettono di rilevare l’energia elettromagnetica proveniente dalla scena in esame e di convertirla in valori numerici positivi. Il Telerilevamento è quindi una scienza applicata con finalità diagnostico – investigative che permette di identificare, misurare ed analizzare le caratteristiche qualitative e quantitative di un determinato oggetto, area o fenomeno, senza entrarne in contatto diretto, offrendo un’informazione globale sull’ambiente e sul territorio.

Con la messa in orbita dei satelliti meteorologici a partire dagli anni sessanta e la conseguente nascita della meteorologia satellitare la bancai dati dei principali parametri meteorologici, oggi, si `e ampliata notevolmente. L’elaborazione dei dati misurati dai satelliti fornisce una vasta gamma di informazioni correlate sia alla struttura e composizione degli strati atmosferici, che alla superficie terrestre. I satelliti, in base alla loro orbita intorno alla terra, possono essere classificati in due tipologie: satelliti geostazionari e satelliti polari.

Il dataset di temperatura satellitare UAH, sviluppato presso l’Università dell’Alabama a Huntsville, deduce la temperatura di vari strati atmosferici dalle misure satellitari della radianza dell’ossigeno nella banda delle microonde. utilizzando i dati misurati dal sensore Microwave Sounding Unit temperature measurements.

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È stato il primo set di dati sulla temperatura globale sviluppato a partire da informazioni satellitari ed è stato utilizzato come strumento di ricerca sui cambiamenti della temperatura superficiale e atmosferica. Il set di dati è pubblicato da John Christy et al. e in precedenza insieme a Roy Spencer. I satelliti non misurano direttamente la temperatura. Misurano la radianza in varie bande di lunghezza d’onda, che corrisponde alla luminosità in una certa direzione verso il sensore e da cui si può dedurre la temperatura.I profili di temperatura che ne derivano dipendono dalle caratteristiche dei metodi utilizzati per ottenere la temperatura dalla radianza.Di conseguenza, diversi gruppi che hanno analizzato i dati satellitari hanno ottenuto dati di temperatura differenti(vedi le misurazioni della temperatura tramite sensori a microonde Microwave Sounding Unit temperature measurements .Tra questi gruppi ci sono il Remote Sensing Systems (RSS) e l’Università dell’Alabama di Huntsville (UAH).

I satelliti alle microonde: quadro storico

Il primo satellite meteorologico risale al primo aprile 1960 e fu messo in orbita dagli Stati Uniti d’America: chiamato Television and Infra-Red Observation Satellite (Tiros-1) era attrezzato con una semplice strumentazione costituita da due telecamere per la ripresa di immagini nel visibile che inviarono per la prima volta delle immagini della Terra vista dallo spazio. Il suo successore, TIROS-2, lanciato nel novembre 1960, fu equipaggiato con un prototipo di radiometro
all’infrarosso per l’osservazione notturna e la stima del tasso d’umidità atmosferica. Con il satellite Tiros-8 nel 1963, le immagini vengono trasmesse in tempo reale e le informazioni poterono essere ritrasmesse più rapidamente ai servizi meteorologici. La radiometria alle microonde spaziale nasce con il lancio della sonda Marinar 2 verso Venere nel 1962 (Barath et al., 1964). È necessario però attendere il Cosmos 243 e il successivo Cosmos 348 rispettivamente nel 1968 e del 1970 per avere le prime osservazioni alle microonde della Terra: i due satelliti sono infatti equipaggiati per misurare quattro frequenze comprese tra 3.5 e 37 GHz per la stima del contenuto di vapor d’acqua nell’atmosfera, della temperatura superficiale e della copertura di neve e ghiaccio (Basharinov et al., 1969). Gli anni ‘70 vedono gli Stati Uniti inviare numerosi radiometri per coprire l’intervallo di frequenze (3÷60) GHz: radiometri imbarcati sui satelliti Nimbus della National Aeronautics and Space Administration (NASA), a partire dal Nimbus-5 equipaggiato con il radiometro Electrically Scanning Microwave Radiometer (ESMR-5) nel 1972. Il radiometro ESMR-5 mostrò l’utilità delle frequenze alle microonde (19.35 GHz) per misurare l’emissione di celle precipitanti su sfondo marino a debole emissività (Wilheit ed al., 1977). Sullo stesso satellite venne installato anche il primo radiometro per il sondaggio di temperatura Nimbus-E Microwave Spectrometer (NEMS) per misurare l’emissione dell’ossigeno su tre frequenze intorno a 60 GHz (Staelin ed al., 1973). A partire dal successo dei sensori Microwave Sounding Unit (MSU, primo lancio nel 1978) a bordo prima dei satelliti meteorologici della serie TIROS e poi dei satelliti National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), diviene possibile ricavare i profili verticali di umidità e temperatura, utilizzando le frequenze centrate a 50.3, 53.74, 54.96 e 57.95 GHz sensibili alle temperature atmosferiche che vanno dalla superficie terrestre fino alla bassa stratosfera. A partire dal 1987 il radiometro Special Sensor Microwave imager (SSM/I) a bordo del satellite militare Defense Military Satellite Program (DMSP F8) permette di stimare anche il tasso di precipitazione su terra e su mare, la velocità del vento su mare, il tipo di ghiaccio e l’umidità su terra. Questo strumento ha svolto (e svolge tuttora) un ruolo chiave nello studio delle dinamiche atmosferiche e climatologiche. Sempre a bordo dei satelliti DMSP esiste anche una serie di radiometri per il sondaggio: si tratta degli Special Sensor Microwave Temperature (SSM/T) in attività dal 1979 e degli Special Sensor Microwave Imager/Sounder (SSMIS) in attività dal 1987. Infine, a partire dal 1998 la generazione dei sensori MSU viene sostituita dalla più avanzata generazione di sensori a 20 canali Advanced Microwave Sounding Unit/Microwave Humidity Sounder (AMSU/MHS), installati a bordo dei satelliti NOAA.

Descrizione dei dati
Il set di dati UAH è prodotto da uno dei gruppi che ricostruiscono la temperatura dalla radianza.

UAH fornisce dati su tre ampi livelli dell’atmosfera.

La bassa troposfera – TLT (originariamente chiamata T2LT).
La troposfera media – TMT
La stratosfera inferiore – TLS

I dati vengono forniti come anomalie di temperatura rispetto alla media stagionale su un periodo di base passato, così come in valori assoluti di temperatura. Tutti i dati elaborati possono essere scaricati dal server UAH http://vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/

La radianza rappresenta la grandezza fondamentale nel telerilevamento ed è molto utile per quantificare la luce riflessa da un oggetto che viene ricevuta da un sensore rivolto verso di essa. Questa quantità fisica è legata sia alla geometria dell’osservazione, sia alle caratteristiche del sensore e permette di descrivere come la radiazione si distribuisce nello spazio.
La radianza è definita dalla seguente relazione:
radianza La Riflettività e i Sensori Multispettrali
dove:
L è la radianza (W·m-2·sr-1);
Φ è la potenza (W);
θ è l’angolo compreso tra la normale alla superficie e la direzione specificata;
A è la superficie emittente (m2);
Ω è l’angolo solido (sr).
Quando la radiazione elettromagnetica colpisce una superficie qualsiasi sono possibili tre meccanismi di interazione: riflessione, assorbimento, trasmissione. Una parte del flusso radiante incidente Φi viene riflessa Φr, una parte viene assorbita Φa, e la restante viene trasmessa Φt.
Per il principio di conservazione dell’energia si avrà quindi: Φi = Φr + Φa + Φt.
Si definiscono i tre coefficienti seguenti:
– coefficiente di riflessione o riflettività, ρ = Φr/Φi
– coefficiente di assorbimento o assorbività, α = Φa/Φi
– coefficiente di trasmissione o trasmissività, τ= Φt/Φi
I valori che tali coefficienti possono assumere dipendono dalla lunghezza d’onda, dal materiale e dalla rugosità della superficie radiante. Riscrivendo il principio della conservazione dell’energia con i coefficienti adimensionali di cui sopra, si ha: ρ + α + τ = 1.
Ogni oggetto è caratterizzato da una propria capacità di riflessione, assorbimento e trasmissione delle onde elettromagnetiche. Tuttavia, la gran parte delle superfici risulta opaca o caratterizzata da valori di trasmissività τ pressoché trascurabili.
Per un corpo opaco si ha: ρ + α = 1.
Considerando che un corpo con un’alta assorbività avrà anche un’alta emissività (legge di Kirchhoff α = ε), la relazione precedente può essere riscritta così: ρ + ε = 1.
Per le superfici reali, poichè hanno una forte dipendenza dalla lunghezza d’onda considerata, l’equazione diventa: ρλ + ελ = 1.
In definitiva, possiamo affermare che il flusso radiante proveniente da una qualsiasi superficie sarà dato principalmente dal contributo dell’energia riflessa ed emessa.

Il telerilevamento passivo alle microonde
Per microonde si intende la regione dello spettro elettromagnetico compresa tra 1 GHz e 300 GHz, corrispondenti rispettivamente a lunghezze d’onde di 30 cm e di 1 mm. In linea di principio questa porzione dello spettro elettromagnetico ha nell’atmosfera terrestre, a differenza del visibile, una diffusione trascurabile, se si eccettua quella prodotta dalla precipitazione e, a differenza dell’infrarosso, non è quasi mai sensibile alla presenza di cirri e soltanto moderatamente sensibile alla presenza di strutture nuvolose più spesse quando a questo non sia associata della precipitazione (Petty, 1990). Queste caratteristiche rendono le microonde particolarmente indicate per specifiche applicazioni nel telerilevamento, fra le quali è opportuno citare, per le applicazioni meteorologiche la stima di
precipitazioni e la stima dei profili verticali di umidità e temperatura in condizioni di cielo non chiaro, per l’idrologia la stima dell’umidità del suolo e per l’oceanografia la stima dei venti, delle correnti superficiali, del ghiaccio e degli inquinanti del mare. Un radiometro passivo alle microonde misura l’energia, nella relativa porzione dello spettro
elettromagnetico, emessa naturalmente nel suo campo di vista istantaneo (instantaneous field-ofview – IFOV) sia dalla superficie terrestre che dall’atmosfera. Così come accade per l’infrarosso, anche per il telerilevamento alle microonde si sfrutta il fatto che qualsiasi corpo emette energia in questo intervallo dello spettro, ma a differenza dell’infrarosso, l’energia emessa nelle MW è generalmente più bassa. Il grande vantaggio del telerilevamento alle microonde rispetto a quello infrarosso è da ricercarsi nel fatto che le idrometeore che costituiscono le nubi hanno generalmente dimensioni comparabili con le lunghezze d’onda infrarosse, portando quindi la radiazione IR rapidamente all’estinzione per fenomeni di scattering. Ciò comporta che in presenza di campi nuvolosi il telerilevamento IR sia in grado di osservare solamente gli strati superiori della nube senza poter osservare gli strati sottostanti mentre le MW consentono di osservare anche le zone sottostanti la nube, giungendo fino alla superficie terrestre, almeno finché alle nubi non sia
associata alcuna precipitazione. Questa è la caratteristica più importante che rende il telerilevamento alle microonde uno strumento molto utile per l’analisi meteorologica in condizione di cielo non chiaro.
Rispetto all’infrarosso però, le immagini telerilevate alle microonde hanno lo svantaggio di avere una bassa risoluzione spaziale 1, definita dal relativo IFOV, questo perché il campo di vista di un radiometro è direttamente proporzionale alla lunghezza d’onda osservata λ, all’altitudine del satellite H ed inversamente proporzionale al diametro dell’antenna d:


Per via della dipendenza della risoluzione spaziale dalla lunghezza d’onda, e visto che generalmente un satellite utilizza una sola antenna per diverse frequenze, le risoluzioni variano in funzione della frequenza osservata e sono generalmente dell’ordine di qualche decina di chilometri contro i 3 km dell’infrarosso e 1 km del visibile raggiunti dal sensore Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI) a bordo del Meteosat Second Generation (MSG). Questa è la causa che finora ha impedito l’installazione di radiometri alle microonde sui satelliti geostazionari relegando questi strumenti ai soli satelliti ad orbita bassa. Per completezza conviene citare un’importante componente del telerilevamento alle microonde: la polarizzazione. Se l’onda elettromagnetica misurata dal radiometro è polarizzata linearmente in modo che la sua componente elettrica è contenuto in un piano definito dalla direzione d’osservazione del radiometro e dalla normale alla superficie nel punto d’osservazione, la polarizzazione è definita verticale. Se la componente elettrica invece è perpendicolare a questo piano, la polarizzazione è definita orizzontale. Le differenze di polarizzazioni può essere utilizzata per ricavare informazioni utili sia sull’atmosfera che sulla superficie terrestre.

Disponibili i dati UAH Università dell’Alabama a Huntsville riguardanti l anomalia della temperatura della  bassa troposfera (LT)   registrata nel mese di giugno 2021. L’anomalia media globale della temperatura della bassa troposfera (LT) riscontrata nel mese di giugno 2021 è stata di   -0.01°C  rispetto alla media del periodo 1991/2020, in calo rispetto al valore registrato nel mese precedente di maggio di  +0.08°C

Bassa troposfera: http://vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/v6.0/tlt/uahncdc_lt_6.0.txt
Media troposfera: http://vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/v6.0/tmt/uahncdc_mt_6.0.txt
Tropopausa: http://vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/v6.0/ttp/uahncdc_tp_6.0.txt
Stratosfera inferiore: http://vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/v6.0/tls/uahncdc_ls_6.0.txt