Assorbimento e attenuazione
Figura 1: Assorbimento di un’onda elettromagnetica da parte dell’atmosfera e dei suoi componenti, ① pioggia intensa, ② nebbia, nuvole, ③ pioggia moderata, ④ dispersione molecolare
Figura 1: Assorbimento di un’onda elettromagnetica da parte dell’atmosfera e dei suoi componenti.
Assorbimento e attenuazione
Un’onda elettromagnetica che attraversa l’atmosfera viene parzialmente assorbita dai suoi componenti; in alcuni casi l’assorbimento può anche essere totale. L’energia così trasferita al mezzo assorbente provoca vari effetti, tra cui il riscaldamento e la riemissione di parte dell’energia a una diversa lunghezza d’onda.
L’assorbimento dipende dalla frequenza (inversa della lunghezza d’onda) utilizzata. L’ossigeno, il vapore acqueo e le precipitazioni hanno tutti una frequenza di risonanza che dipende dalle loro dimensioni. Quando la lunghezza d’onda utilizzata è uguale alla frequenza di risonanza di queste due molecole, gran parte dell’energia del fascio viene utilizzata per farle vibrare.
Il grafico mostra che l’assorbimento varia in funzione del mezzo assorbente. L’ossigeno ha un basso tasso di assorbimento fino a quando la sua zona di risonanza si trova al di sopra dei 60 GHz. L’assorbimento del vapore acqueo è intorno ai 20-30 GHz. L’assorbimento dell’acqua liquida è significativo al di sotto dei 10 GHz. L’assorbimento legato alle precipitazioni dipende anche dalla loro intensità.
L’attenuazione del segnale dipende quindi dalla frequenza utilizzata e dalla lunghezza del percorso attraverso il mezzo assorbente. Questo può anche variare con la temperatura del mezzo.
Figura 2: Attenuazione nella pioggia per diverse lunghezze d’onda
Attenuazione nella pioggia
Qualsiasi onda elettromagnetica può essere assorbita quando attraversa un mezzo, perché eccita le molecole che lo compongono. Questo può rimuovere alcuni fotoni e modificare il livello energetico del mezzo. L’aria non è molto assorbente, ma le molecole d’acqua lo sono. Più la lunghezza d’onda portante del fascio radar è vicina a quella delle gocce d’acqua (da 0,1 a 7 millimetri), più il dipolo di queste molecole sarà eccitato e più l’onda sarà attenuata dalle precipitazioni incontrate.
Questo diagramma mostra l’effetto della pioggia sull’attenuazione del segnale radar a diverse lunghezze d’onda. Il caso utilizzato è quello di un temporale di 20 chilometri di diametro, il cui tasso di precipitazione aumenta linearmente verso il centro, a 100 mm/h, per poi diminuire linearmente dall’altra parte.
La linea blu rappresenta la curva teorica normalizzata del segnale non attenuato che viaggia avanti e indietro attraverso il temporale. La curva viola è quella osservata con un radar che utilizza la banda S (10 cm). Le curve successive, in giallo e ciano, rappresentano il segnale di ritorno rispettivamente per i radar in banda C (5 cm) e in banda X (3 cm). La differenza con il segnale teorico diventa sempre maggiore con l’accorciarsi della lunghezza d’onda, a causa dell’assorbimento di una quantità sempre maggiore di energia da parte delle molecole d’acqua.
Il diagramma mostra anche che l’attenuazione varia con il tasso di precipitazione: il fascio in banda X è totalmente assorbito a partire da 20 mm/h, quello in banda C da 60 mm/h, ma la perdita è trascurabile per il fascio in banda S, anche al picco di precipitazione.
L’attenuazione è quindi generalmente minima sulla neve, anche per la banda X. In caso di pioggia leggera o moderata, la banda X è significativamente influenzata, ma la banda C è ancora solo leggermente influenzata. In caso di pioggia intensa, invece, solo la banda S subisce una perdita minima. Per questo motivo, i radar meteorologici in banda S, più costosi, vengono utilizzati nelle regioni in cui si verificano temporali e precipitazioni intense per gran parte dell’anno: i tropici, il sud degli Stati Uniti o l’Europa, ecc. I radar in banda C sono un buon compromesso per le regioni temperate dove i livelli di precipitazione sono generalmente bassi o moderati. I radar in banda X sono adatti solo per l’uso a corto raggio a causa della forte attenuazione del loro segnale.
Lettura consigliata Recommendation ITU-R P.676-10 “Attenuation by atmospheric gases” (en anglais)