#Step11 - I costruttori del radar meteorologico.

I primi radar meteorologici furono realizzati dalla compagnia Weather Bureau che a seguito dei primi esperimenti effettuati sui radar durante la Seconda Guerra Mondiale e dopo aver rilevato l'utilità di tali tecnologie in ambito meteorologico, iniziò a sperimentare e commissionare la progettazione dei primi radar meteo.

L'agenzia Weather Bureau fu fondata da Ulysses S. Grant e nel 1970 è stata poi ribattezzata National Weather Service quando è entrata a far parte della neonata National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) all'interno del Dipartimento del Commercio.

Nel1940, il Weather Bureau gestiva 35 stazioni radiosonde, consentendo la misurazione di routine di pressione atmosferica, temperatura, umidità, direzione del vento e velocità. Nel 1942, il Weather Bureau ricevette 25 radar in eccedenza dai militari, sui quali iniziò sperimentazioni per l'applicazione in ambito meteorologico.

National Oceanic and Atmospheric Administration

Ad oggi le principali aziende che si sono affermate sul mercato per l'ingegnerizzazione di radar meteorologici sono:

Leonardo S.p.A è un'azienda italiana attiva nei settori della difesa, dell'aerospazio e della sicurezza.

ARC è stata fondata nel 2006 dalla Fondazione UCAR per commercializzare una nuova generazione di radar meteo e soluzioni avanzate.

Edles fornisce soluzioni nel campo dei sistemi radar e componenti radar per la meteorologia. Gli innovativi X - Band WR - 10X e Dual Pol e Doppler WR - 25XP.

Vaisala è un'azienda leader che propone soluzioni a singola e a doppia polarizzazione.

Milano System è stata creata nel 1989 e si occupa anche di ingegnerizzazione e produzione di radar doppler.

#Step10 - I libri sul radar meteorologico.

Louis J. BATTAN, Il radar esplora l’atmosfera, Bologna: Zanichelli, 1965.

Louis J. BATTAN, Radarmeteorologia, Bologna: Zanichelli, 1970.

Giuseppe CENA, Il radar meteorologico. Caratteristiche, principi di funzionamento, impiego, Roma: I.T.A.V, 1970.

Giuseppe CENA, Meteorologia per i piloti, in ‹‹ Quaderno dello stato maggiore aeronautica militare ››, 1955, fasc. 41.

Herbert G. MENDE, Radar. In natura, nella tecnica, nella scienza, 1957.

Ronald E. RINEHART, Radar for meteorologists, Stati Uniti: Rinehart Pub, 1991.

#Step09 - Gli inventori del radar meteorologico.

Durante la Seconda Guerra Mondiale, gli operatori militari scoprirono che il rumore negli echi di ritorno era dovuto a pioggia, neve e turbolenze atmosferiche. Al termine del conflitto molti scienziati militari continuarono il loro studio relativo agli echi. Negli Stati Uniti, David Atlas, meteorologo, sviluppò i primi radar meteorologici e fu definito come "uno dei padri fondatori della radar meteorologia".

David Atlas entrò a far parte dell'Esercito Air Corps, facendo domanda per l'addestramento premeteorologico nel 1941. Diventò primo della classe e fu nominato sottotenente nel 1944. Operò poi per la Weather Instrument Training School e a partire dal 1955 come capo del "Weather Radar Branch" presso l' AFCRL /Air Force Cambridge Research Laboratory). Tra i suoi primi e significativi risultati c'è stata la sua invenzione del concetto di mappatura del  isoecho contour nel 1947. 

Tale metodo fu usato per garantire la sicurezza aerea, introducendo un dispositivo per il rilevamento di forti tempeste e basato sull'effetto doppler. Ciò permetteva inoltre il tracciamento automatico di velocità del vento e livello di altitudine. Successivamente il suo riconoscimento delle riflessioni radar ricevute dai chicchi di grandine, ha permesso ai piloti di rilevare in anticipo le condizioni di grandine, evitandole. Un brevetto è stato concesso nel 1953 relativamente al metodo isoecho contour per quantificare le informazioni sulla riflettività del radar meteorologico; tale concetto usato ampliamente su aerei commerciali, è stato poi applicato sui radar meteorologici operativi a terra.

David Atlas

#Step08 - I materiali del radar meteorologico.

Nel radar meteorologico gli impulsi di microonde vengono inviati tramite un trasmettitore, costituito da un doppio comparto rimovibile e un alloggiamento realizzato in alluminio poliuretano o acciaio inox.

L’acciaio inox si contraddistingue per le sue caratteristiche di resistenza al calore, riciclabilità, facilità di pulizia, ottimo rapporto resistenza/peso. L’alluminio poliuretano mostra in più un’elevata resistenza ad alte temperature, isolamento termico e acustico.

Acciaio inox

Alluminio poliuretano

Al trasmettitore è collegata un’antenna parabolica, tramite il klystron che è un tubo a vuoto di elettroni, realizzato principalmente in rame. L’antenna utilizza un riflettore parabolico che ha una superficie curva o “piatto”, realizzata in lamiera e materiale conduttivo, tale da favorire una elevata direttività. 

Se l’antenna è prevalentemente in acciaio, il quale ha un elevato coefficiente di dilatazione termica, il “piatto” può facilmente deformarsi se sottoposto a forte e continuo irraggiamento solare.

Se è prevalentemente in poliestere rinforzato da fibra di vetro (vetroresina/ SMC) con all’interno una struttura metallica, allora l’antenna resiste meglio sia agli urti sia agli agenti atmosferici.

Tubi in poliestere rinforzato da fibre di vetro

( Caratteristiche tecniche radar meteorologico Monte Rasu: file:///C:/Users/utente/AppData/Local/Microsoft/Windows/INetCache/IE/7WE2YYSW/1_46_20180412130803.pdf )

#Step07 - Il mito sul radar meteorologico.

Glide Path è un romanzo di Arthur C. Clarke in cui, l'ingegnere radar Alan Bishop è affascinato dalla scienza e dalle tecnologie avanzate che consentono di far progredire il mondo dei radar e del weather forecast, evitando le situazioni disperate in cui gli aerei non sono in grado di atterrare a causa delle cattive condizioni meteorologiche. L’esperienza romanzata dell’ingegnere non è altro che l’eredità rilasciata da Clarke, che mira ad indicare quale sia la strada per scienziati ed ingegneri verso quel futuro definito “magico”. Difatti i personaggi in Glide Path, si spingono oltre i limiti della conoscenza di tali nuove tecnologie e sistemi radar, ricordando la curiositas di Ulisse e trasmettendo le sensazioni di un libro di fantascienza.

 Una delle frasi più celebri di A. C. Clarke: 

"L'unico modo per scoprire i limiti del possibile è avventurarsi un po' oltre, nell'impossibile."

Bibliografia: Clarke A., Glide Path, San Diego, Harcourt Brace, 1963.

#Step06 - Il simbolo del radar meteorologico.

Ad oggi la presenza dei radar meteorologici viene indicata tramite l'uso di segnali di pericolo, a fondo giallo, come quelli in figura:

Fonti: https://www.ecommercepolimark.org/index.php?route=product/product&product_id=298

#Step05 - Il principio fisico di funzionamento del radar meteorologico.

Il principio di funzionamento del radar meteorologico si basa sulla propagazione di brevi impulsi di onde elettromagnetiche attraverso l’antenna nell’atmosfera circostante. Il segnale interagisce con le idrometeore, generando una retrodiffusione verso il punto di emissione. Dalla posizione dell’antenna, di cui si conosce l’elevazione ed il puntamento, si risale alla localizzazione del target nello spazio tramite:

- i dati d’azimuth, ovvero l’angolo formato dalla retta che congiunge il radar al bersaglio ed il radar con la direzione nord;

- il dato della quota.

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; mentre 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.

L'analisi del segnale di ritorno, che prende il nome di riflettività, è effettuata nel sistema di ricezione del RADAR e permette di ottenere l'intensità della precipitazione, mentre la direzione di puntamento dell'antenna e il tempo impiegato dal segnale nel percorso andata-ritorno consentono di localizzare le idrometeore in termini di direzione e distanza. Inoltre piccole variazioni nella frequenza dell'eco di ritorno permettono, attraverso l'effetto Doppler, di misurare la velocità radiale e di stimare la direzione di spostamento dell'evento meteorologico.

Il valore di riflettività può essere convertito in quantità di pioggia tramite la relazione:

Z = a R^(b)

dove R è la precipitazione in mm/h, Z la riflettività, a e b sono costanti il cui valore dipende dal tipo di precipitazione.

Tale relazione è soggetta ad incertezze dipendenti soprattutto dalla distribuzione delle dimensioni delle gocce nel volume in esame e dalla durata temporale della misura. Per migliorare il grado di precisione vengono usati i cosiddetti sistemi a doppia polarizzazione (https://it.wikipedia.org/wiki/Interferometria_a_doppia_polarizzazione) dove la riflettività viene valutata su due piani tra loro ortogonali.

( immagini: https://www.meteosvizzera.admin.ch/home/sistemi-di-rilevamento-e-previsione/atmosfera/la-rete-svizzera-di-radar-meteorologici/come-funziona-un-radar-meteorologico.html )

#Step04 - La scienza del radar meteorologico.

Il radar meteorologico è fonte di informazioni ed oggetto di studio della meteorologia (weather radar and his applications in meteorology).

La meteorologia è il ramo delle scienze dell’atmosfera (atmospheric sciences) che cerca di comprendere i meccanismi alla base delle osservazioni e del comportamento della troposfera (troposphere); con l’obiettivo di riuscire a prevedere, partendo dallo stato attuale dell’atmosfera, quale sarà il suo stato fra un dato intervallo di tempo.

Il termine “meteorologia” deriva dal greco “μετεωρολογία”, che significa “discorso razionale intorno agli oggetti altri”. Dopo le prime intuizioni dei greci si è dovuto attendere fino ai primi anni del ‘700 affinché la meteorologia si affermasse come una vera scienza. Con i primi “voli statici” di mongolfiere e palloni, furono raccolti i primi dati e avanzati i primi modelli e teorie; inoltre si cominciarono a rilevare quotidianamente dati meteorologici e si abbozzarono le prime previsioni meteo. 

A partire dal ‘900 tali informazioni e studi, permisero il volo di macchine più pesanti nell’aria ed è in questo periodo che la meteorologia elaborò un modello meteorologico (meteorological model), permettendo lo sviluppo di radar, satelliti, calcolatori veloci, previsioni a medio e lungo tempo e studio del clima. 

Dunque il radar meteorologico trova applicazione nella previsione meteorologica (weather forecast), permettendo di monitorare in tempo reale la presenza e lo spostamento sul territorio delle aree di precipitazioni.

 ( Bibliografia: http://www.altabrianza.org/storiameteo.html, https://it.wikipedia.org/wiki/Meteorologia )

#Step03 - Glossario del radar meteorologico.

Radar meteorologico: radar utile alla rilevazione delle idrometeore e usato in meteorologia per calcolarne il moto, il tipo, la posizione e l’intensità. Il suo utilizzo si rivela fondamentale nelle previsioni nowcasting, ovvero a breve termine e scadenza.

Radar doppler: è un particolare radar meteorologico che, sfruttando l’effetto doppler, consente di calcolare la componente radiale della velocità del segnale e la varianza; stimando anche la direzione e la velocità delle aree di precipitazione.

Radar Doppler in Mid - Missouri.

( Radar doppler: https://it.wikipedia.org/wiki/Radar_Doppler; effetto doppler: https://doc.studenti.it/riassunto/fisica/effetto-dopler.html )

Radar polarimetrico: è uno strumento che essendo sensibile a diverse proprietà fisiche delle idrometeore, stima accuratamente l’intensità della precipitazione. Il suo funzionamento si basa sull’invio di onde elettromagnetiche polarizzate e sulla ricezione delle componenti retrodiffuse.

X - Band Polarimetric radar 

( Radar polarimetrico: https://iris.uniroma1.it/retrieve/handle/11573/918002/328251/Giovanni%20Botta%20Tesi%20di%20Dottorato.pdf )

Trasmettitore: componente del radar che produce una radiazione elettromagnetica con una certa potenza e frequenza stabile.

Antenna: componente che irradia la potenza generata ed intercetta i segnali riflessi.

Ricevitore: parte del radar che ha la funzione di rilevare, amplificare e trasformare i segnali ricevuti.

Sistema di elaborazione: costituente in grado di visualizzare gli echi radar (impulsi) e di assegnare un'intensità alle precipitazioni, tale che il meteorologo possa determinare l'aerea su cui si distribuisce la precipitazione.

( Approfondimenti componenti: https://www.meteotrecate.it/radar.html )

#Step02 - Immagine storica di un radar meteorologico.

In figura, il WSR-57 che è stato il primo radar scelto per la rete operativa di radar meteorologici del  National Weather Service. Il primo WSR-57 è stato installato nel centro di previsione degli uragani di Miami nel 1959.

Antenna radar WSR-57 della NOOA

 https://en.wikipedia.org/wiki/WSR-57

#Step01 - Il radar meteorologico.

Il radar meteorologico è uno strumento per l’osservazione e la rilevazione delle idrometeore: precipitazioni, neve o grandine. In grado di determinare il tipo di pioggia, l'intensità, il moto e la posizione anche futura, sfruttando gli impulsi di onde elettromagnetiche.

Il termine RADAR è l’acronimo di “RAdio Detection And Ranging”, ovvero “individuazione tramite onde radio e misura della distanza”. Il termine risale alla Seconda Guerra Mondiale in quanto fu impiegato per la prima volta a scopo difensivo per l’individuazione di aerei nemici, dapprima si notò però come questo strumento fosse “sensibile e accecato” dalle precipitazioni, tale da risultare valido anche nel rilevare la presenza di pioggia. Difatti quando la Seconda Guerra Mondiale si concluse, alcuni radar che erano stati usati durante la guerra furono modificati per uso meteorologico.

Alcune traduzioni del nome dello strumento in altre lingue sono: “weather radar” in inglese, “radar meteorológico” in spagnolo, “radar météorologique” in francese, “wetterradar” in tedesco, “meteorologický radar” in slovacco e “天气雷达” in cinese.

 

Foto: http://www.meteoweb.eu/radar-meteo-italia/