Il valore nascosto delle immagini da satellite

A chiunque è capitato di vedere, in tv o sul web, affascinanti immagini della terra da una prospettiva particolarmente insolita, dall’alto e da grande distanza: sono le immagini da satellite. Si tratta di semplici “fotografie”, utili per monitorare la situazione, ad esempio meteorologica, da una prospettiva di favore, o queste immagini rappresentano qualcosa di più?

La risposta è, ovviamente, la seconda: gli strumenti a bordo dei satelliti non sono semplici macchine fotografiche ma sensori in grado di raccogliere dati riguardanti l’oceano, l’atmosfera e la superficie terrestre punto per punto, coprendo contemporaneamente una vasta area.

Variabilità spaziale e temporale

L’uso dei satelliti ci permette innanzitutto di risolvere uno dei principali problemi delle scienze della Terra: la variabilità spaziale dei dati. Un satellite è in grado di fare le veci di milioni di stazioni meteorologiche che dovrebbero essere poste ogni qualche km quadrato o meno, comprese le cime dei monti e il mare aperto.

Un satellite insomma è una stazione meteorologica, una boa (almeno rispetto alle proprietà della superficie del mare), uno strumento per la misura della qualità dell’aria o della condizione della vegetazione. Ovviamente non sostituisce completamente gli strumenti a terra: questi infatti forniscono innanzitutto una migliore qualità del dato, delle informazioni aggiuntive (ovviamente non si può misurare tutto da remoto) e, infine, una maggiore copertura temporale. La stazione a terra fornisce dati relativi a un preciso luogo in modo continuo; il satellite, invece, fornisce dati rispetto a un’ampia area ma solamente ad intervalli di tempo ben definiti: sono, insomma, complementari.

Proprio la necessità di bilanciare il monitoraggio della variazione temporale con quella spaziale delle caratteristiche dell’ambiente in cui viviamo ha portato all’ideazione di satelliti con caratteristiche differenti: esistono satelliti che osservano sempre la stessa regione del globo e offrono immagini molto frequenti, ad esempio ogni pochi minuti, e satelliti che invece osservano tutto il globo, ma impiegano uno o due giorni ad osservarlo tutto. Se i primi vengono utilizzati per monitorare l’evoluzione dei fenomeni, ad esempio nella meteorologia, i secondi permettono di studiare processi che coinvolgono l’intero pianeta: sono utilissimi nello studio del clima.

Misurare da remoto

Torniamo però all’affermazione precedente: un satellite è un valido sostituto di molti strumenti in loco. Come è possibile?

La risposta sta nell’enorme quantità di informazioni ricavabili dalla misura della radiazione elettromagnetica: essa infatti interagisce con la materia e viene modificata da tale interazione, “portandosi via” – letteralmente – informazioni riguardo alla stessa. Niente paura, a discapito dei paroloni complessi, la “radiazione elettromagnetica” non è altro che la luce, o meglio, la luce è un sottoinsieme di essa.

Per capire di cosa stiamo parlando è sufficiente sapere che la radiazione può essere considerata (anche) un’onda, esattamente come quelle che increspano la superficie di uno stagno quando vi lanciamo un sasso. Le onde hanno una caratteristica fondamentale: la lunghezza d’onda. La lunghezza d’onda è la distanza fra due creste consecutive:

L’onda sopra ha lunghezza d’onda maggiore di quella sottostante.

Ebbene, il nostro occhio è in grado di osservare solo un sottoinsieme della radiazione, la luce appunto, che presenta lunghezze d’onda in un intervallo ben definito (il “visibile”).

Non siamo invece in grado di osservare la radiazione a lunghezze d’onda maggiori, ad esempio l’infrarosso e le onde radio, o minori, ad esempio l’ultravioletto e i raggi X.

Gli strumenti presenti sui satelliti, invece, lo sono: in particolare sono in grado di misurare quanta radiazione proviene da un determinato luogo (pensate a una lampada più o meno luminosa) a una determinata lunghezza d’onda (un intervallo di lunghezze d’onda in realtà). In particolare, misurano la radiazione in diverse lunghezza d’onda – i cosiddetti canali. Questo, insieme al fatto che a seconda della lunghezza d’onda la radiazione interagisce in modo differente con la materia, fa sì che la combinazione dei diversi canali permetta di riconoscere non solo cosa si sta osservando, ma anche alcune proprietà dell’oggetto.

Così, è possibile capire se una nube contiene goccioline di acqua liquide o ghiacciate, grandi o piccole, se la vegetazione è florida o morente; si può misurare la quantità di fitoplancton nella superficie degli oceani, distinguere gli incendi, rilevare la presenza di determinate sostanze nell’aria – quali la CO2, il vapore acqueo, sostanze inquinanti, la sabbia sollevatasi dai deserti, le polveri liberate da eruzioni vulcaniche…

I colori

L’utilizzo delle misure sopra descritte non è diverso da quello che avviene quando riconosciamo un oggetto in base al suo colore: la radiazione proveniente da una superficie vegetata sarà in prevalenza verde, da un terreno brullo in prevalenza rossa. La luce rossa ha lunghezza d’onda maggiore della verde: se il satellite osserva maggiore radiazione nella lunghezza d’onda del verde piuttosto che del rosso, si potrà concludere che sta osservando della vegetazione e viceversa per il terreno brullo. Esattamente come noi distinguiamo gli oggetti in base al loro colore, cioè in base alla lunghezza d’onda della radiazione visibile che da essi proviene, così il satellite è in grado di misurare la prevalenza di un colore piuttosto che di un altro e di attribuire di conseguenza diverse proprietà all’oggetto osservato. Per il satellite però i colori non sono solo quelli che può osservare il nostro occhio ma molti di più: lunghezze d’onda molto più piccole o molto più grandi di quelle visibili.

Non solo, il satellite è in grado di misurare quantitativamente la radiazione di un “colore” piuttosto che di un altro. Questo permette di ricavare ad esempio misure quantitative dello stato di salute di una pianta, piuttosto che della temperatura di un oggetto (la radiazione proveniente da un oggetto dipende anche dalla sua temperatura: è il principio su cui si basano i termometri infrarossi).

Oltre al punto di osservazione di favore, insomma, i satelliti forniscono dei nuovi occhi molto più potenti dei nostri: per questo le informazioni che possiamo ricavare sono molto di più di una semplice fotografia osservabile ad occhio nudo.

Come sono ricavate le immagini da satellite

Oltre ad analizzare il dato con strumenti matematici, spesso i meteorologi utilizzano un trucco per avvicinare queste “immagini potenziate” alla nostra capacità di visione, creando figure che possano sintetizzare a colpo d’occhio alcune proprietà della situazione meteorologica in corso. Il trucco è assegnare colori visibili a diversi canali del satellite, così che a una certa lunghezza d’onda osservata dal satellite corrisponda il colore rosso, a un’altra il verde e a un’altra il blu. L’intensità di ciascun colore in un certo punto della figura dipenderà dall’intensità della radiazione della lunghezza d’onda assegnata a quel colore proveniente dal luogo corrispondente a tale punto. Il risultato sarà un’immagine con una scala di colori ben precisa, data dal fondersi di rosso, verde e blu di diverse intensità: nubi gialle (verde e rosso intensi, blu fioco) avranno determinate proprietà, nubi viola (rosso e blu intensi, verde fioco) altre, nubi bianche (verde, rosso e blu intensi) altre ancora e così via per le diverse combinazioni.

Anche le immagini che all’apparenza sembrano fotografie sono in realtà combinazioni di canali del satellite relativi a lunghezze d’onda nel visibile, assegnati al colore reale corrispondente. Ecco un esempio:

Fonte: Meteo Expert

Le nubi di ghiaccio sono azzurre, quelle di acqua liquida bianche. I colori, tranne le nubi e la neve azzurre, sono quelli che vedremmo con i nostri occhi se fossimo al posto del satellite.

Di seguito altri esempi:

questa immagine permette di osservare i vari tipi di nubi di notte, anche in assenza della radiazione solare riflessa, sfruttando la radiazione infrarossa emessa dalle stesse

Fonte: Eumetsat

queste permettono di distinguere in giallo i temporali più violenti (in base alle caratteristiche della nube: ad esempio le goccioline rispondono a una determinata lunghezza d’onda in base alle dimensioni e alla fase – liquide o ghiacciate)

Ciclone al largo delle coste africane. Fonte: Eumetsat

Fonte: Eumetsat

questa evidenzia in violetto la sabbia del deserto trasportata nell’atmosfera

Egitto e Penisola arabica. Fonte: EumetSat

Applicazioni pratiche

Osservare l’evoluzione di temporali violenti e distinguerli da altri meno violenti può permettere di prevedere quali territori saranno a breve colpiti: è chiaro quindi quanto possa essere determinante l’utilizzo dei satelliti, soprattutto alla luce della crescente violenza dei fenomeni meteorologici che colpiscono il nostro fragile territorio. Non solo, è possibile anche monitorare l’espansione dei deserti, piuttosto che lo stato di salute degli ecosistemi marini, con tutte le conseguenze che ne derivano, fra cui l’abbondanza del pescato. È possibile monitorare gli incendi e tracciarne la propagazione, così da diramare allarmi e coordinare le attività di contenimento, è possibile scoprire attività illecite di disboscamento nelle foreste amazzoniche, monitorare i vulcani…

… da ultimo ma non di minore importanza, osservare la bellezza del nostro pianeta ed acquisire consapevolezza della sua fragilità:

Ghiaccio formatosi nellOceano Artico si sposta centinaia di km a Sud, spinto e modellato dalla East Greenland Current. Fonte: Nasa Visible Earth

Incendi individuati in una parte del Sud America, Ottobre 2020. Fonte: Nasa Visible Earth

Artico con estensione minima record del ghiaccio marino, Luglio 2020. Fonte: Nasa Visible Earth

Mar Glaciale Artico, Russia: un misto multicolore di materia organica e sedimenti aiuta a tracciare correnti e vortici marini altrimenti invisibili. Fonte: Nasa Visible Earth

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