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ANDREA VUOLO

5^B TECNICO DEL TRASPORTO AEREO

LA METEOROLOGIA

AERONAUTICA

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La meteorologia è una branca della fisica dell'atmosfera che studia i fenomeni fisici responsabili del tempo atmosferico. Essa si basa sull'osservazione e sulla misurazione delle variabili atmosferiche misurabili ad essa legate come la temperatura dell'aria, l'umidità atmosferica, la pressione atmosferica, la radiazione solare, la velocità e direzione del vento, per ottenere eventualmente come risultato finale una previsione futura dei fenomeni atmosferici quali nubi, fronti, vento, precipitazioni su un dato territorio,rilevati al suolo da una stazione meteorologica

.

Qui sopra le stazioni meteorologiche di Ciriè (TO) e dell’Istituto Tecnico Aeronautico C.Grassi di Torino.

In ambito aeronautico,la meteorologia è importantissima,relativamente alla sicurezza e alla regolarità del volo. Le misurazioni dei parametri meteorologici sono effettuate dalle stazioni meteorologiche site negli aeroporti e gestite direttamente dall’Aeronautica Militare. Le precipitazioni invece sono rilevate dai radar meteorologici.

IL RADAR METEOROLOGICO La misura dell'intensità di precipitazione su un'ampia area è uno dei prodotti di maggior di

La misura dell'intensità di precipitazione su un'ampia area è uno dei prodotti di maggior interesse di un sistema radar meteorologico. Tale misura, in particolari situazioni meteorologiche, o in determinati ambiti territoriali, può essere soggetta ad errori anche notevoli. Il primo passo per la calibrazione del radar meteorologico è la comparazione tra la stima di pioggia fornita dal radar e la corrispondente quantità di precipitazione misurata dal pluviometro.

La rilevazione della precipitazione atmosferica a mezzo di osservazioni radar avviene secondo le seguenti modalità: un impulso elettromagnetico di opportuna lunghezza d'onda, altamente focalizzato, viene emesso nella direzione della precipitazione da rilevare; l'interazione di tale impulso con le meteore costituenti la precipitazione provoca la diffusione verso il radar di una seppur piccola frazione dell'energia trasportata dall'impulso (eco). L'entità di tale frazione è legata al valore di una particolare grandezza caratterizzante la precipitazione che genera l'eco: la riflettività.

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Ecco una foto relativa ad un radar Doppler:

La rilevazione della precipitazione atmosferica a mezzo di osservazioni radar avviene secondo le seguenti modalità: un impulso elettromagnetico di opportuna lunghezza d'onda, altamente focalizzato, viene emesso nella direzione della precipitazione da rilevare; l'interazione di tale impulso con le meteore costituenti la precipitazione provoca la diffusione verso il radar di una seppur piccola frazione dell'energia trasportata dall'impulso (eco). L'entità di tale frazione è legata al valore di una particolare grandezza caratterizzante la precipitazione che genera l'eco: la riflettività.

Un radar meteorologico è un tipo di radar che consente di rilevare le idrometeore

quali pioggia, neve, grandine o pioggia ghiacciata, calcolandone il moto, valutandone il tipo e

prevedendone la posizione futura e l'intensità.

I radar meteorologici moderni sono soprattutto del tipo radar doppler, in grado di rilevare il

moto delle goccioline di pioggia e determinare l'intensità della precipitazione. Entrambi i tipi di

dati possono essere analizzati per determinare la struttura dei temporali e la loro capacità di

creare tempo fortemente perturbato o addirittura pericolo per la navigazione aerea.

I Radar Meteo inviano impulsi direzionali di radiazione a microonde, per la lunghezza di un

microsecondo, utilizzando un klystron, tubo collegato da una guida d'onda a una antenna

parabolica. Le lunghezze d'onda di 1 a 10 cm sono circa dieci volte il diametro delle particelle

di ghiaccio o goccioline di interesse, perché Rayleigh scattering si verifica a queste frequenze.

Ciò significa che la parte di energia di ogni impulso di rimbalzo fuori queste piccole particelle,

torna in direzione della stazione radar.

Il radar Doppler è un particolare tipo di radar che si basa sull'effetto di slittamento in

frequenza, detto, appunto, effetto Doppler.

Questo slittamento viene definito come la differenza tra la frequenza ricevuta e quella

trasmessa, cioè:

fD = fR − fT

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La frequenza Doppler è legata alla distanza del bersaglio R secondo la legge

dove la lunghezza d’onda λ è data da

Lo slittamento doppler causato da oggetti in movimento, permette di distinguere questi ultimi

dai bersagli fissi, ma questa complicazione non sarebbe necessaria nei radar ad impulsi, perché

sono in grado di compiere questa funzione semplicemente confrontando le diverse rilevazioni di

scansioni successive. L’effetto Doppler, però, offre un altro notevole vantaggio: esso permette

al radar di distinguere bersagli in movimento anche in presenza di oggetti fissi, i cui segnali

d’eco siano notevolmente maggiori rispetto a quelli dovuti ai primi, poiché essi hanno eco in

movimento con velocità relativa v, che subisce uno slittamento in frequenza , dove λ

è la lunghezza d’onda del segnale trasmesso (tale tecnica è chiamata MTD). I bersagli fissi,

invece, vengono chiamati clutter La differenza con il radar a onda continua consiste nella

presenza di un amplificatore di potenza e un modulatore che generi gli impulsi; una piccola

parte della potenza di questo segnale, poi, è deviata nell’oscillatore per sostituire l’oscillatore

locale. Sempre la medesima parte di segnale, inoltre, assume altre funzioni, agendo da

riferimento coerente necessario a rivelare lo slittamento doppler; con il termine coerente si

intende che si è mantenuta, nel segnale di riferimento, la stessa fase del segnale trasmesso.

Dunque si può notare che la presenza di questo segnale sia la caratteristica più peculiare di

questo tipo di radar.

Mediante il radar meteorologico,si possono rilevare i fenomeni meteo più pericolosi per il

volo,come ad esempio le celle temporalesche (cella singola,multicella,supercella).

Analizziamo i vari tipi di cella temporalesca:

TEMPORALE A CELLA SINGOLA

La cella singola è la forma più semplice di temporale e si sviluppa indipendentemente da altri cumulonembi, per cui attraversa gli stadi di sviluppo, maturazione e dissolvimento senza creare altre celle. Si nota ad occhio nudo come un singolo cumulonembo dotato di un'unica e grossa protuberanza. Tuttavia una vera cella singola è alquanto rara, perchè anche con un debole wind shear il gust front spesso innesca la crescita di un'altra cella poco distante mediante il sollevamento dell'aria caldo umida stagnante in loco (mini fronte freddo). E' difficile prevedere l'insorgenza di una cella singola, perchè queste si sviluppano in momenti e luoghi apparentemente casuali; inoltre sono disorganizzate e con scarso wind shear durano mezz'ora circa (a volte anche un'ora, ma sono casi insoliti) perchè downdraft ed updraft interferiscono fra di loro; inoltre l'outflow ben presto isolerà la sorgente caldo umida che manteneva in vita il cumulonembo il quale al termine del suo ciclo vitale mostrerà solo un'incudine sospesa nell'aria (cirri falsi).

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Sebbene la maggior parte delle celle singole non siano intense, alcune di queste possono originare brevi episodi di forte maltempo specialmente nella fase di collasso: questi temporali si chiamano pulse storm e ovviamente si formano in ambienti più instabili rispetto alle normali celle singole.

Le pulse storm (tempeste pulsanti) sono dotate di updraft leggermente più intensi e veloci, quindi esiste il rischio di brevi grandinate, brevi downburst e occasionalmente deboli tornado.

Uno dei fenomeni meteorologici pericolosi per il volo è il cosiddetto microburst: esso è un tipo particolare di wind shear (o turbolenza dinamica) e si manifesta come improvviso e violento colpo di vento che sembra divergere a partire da un punto centrale al suolo. Trae origine da un’intensa corrente discensionale proveniente da un cumulo congestus o da un cumulonembo. Si presenta in due forme: umida e secca. La prima si produce con tempo secco, quando una colonna di pioggia cade attraverso uno strato d'aria asciutta sotto la nube, ed inizia ad evaporare rapidamente. L'evaporazione provoca il raffreddamento dell'aria che accelera ulteriormente il movimento discendente della corrente, creando una violenta raffica che si espande in tutte le direzioni in prossimità del suolo. Dal momento che la precipitazione evapora quasi completamente, i soli segni visibili di questa turbolenza secca, sono una virga alla base della nube e un violento sollevamento di polvere o sabbia al suolo. La raffica discendente di tipo umido si produce durante un rovescio (anche in questo caso è l'evaporazione ad alimentare l'intensità del vento), solo che la pioggia riesce a raggiungere il suolo. In questo caso capita spesso che le gocce vengano proiettate verso terra dalla raffica discendente con una tale forza da creare una sorta di ricciolo che si espande in tutte le direzioni. Le raffiche discendenti soprattutto quelle secche e invisibili, rappresentano un insidioso pericolo per il traffico aereo soprattutto nelle fasi di decollo e di atterraggio. Nel caso di microburst secchi la base della nube raggiunge i 1500 metri; nei microburst umidi non va oltre i 750.

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LINEA DI MULTICELLE (SQUALL LINE, LINEA DI GROPPO)

La linea di groppo,conosciuta anche come squall line,è l’originaria denominazione del fronte freddo e consiste in una ristretta fascia di temporali con un continuo e ben sviluppato gust front sul bordo principale della linea. Il gust front, avanzando verso E, irrompe con potenti outflow e forma una piccola cella di alta pressione, un "mesohigh" largo 20-30 km. Quest'aria densa solleva l'aria caldo umida nel suo percorso e può iniziare l'ampliamento (convezione complessa) in cui celle fra loro vicine si consolidano dentro una torreggiante squall line di larghi temporali allineati secondo la direzione dei venti prevalenti. La convezione complessa libera un'enorme quantità di calore latente e di umidità che può essere sufficiente a generare un mesociclone a "cuore caldo" in grado di durare parecchi giorni.

Lo sviluppo della squall line è l'effetto di una linea che separa aria caldo umida che verrà sollevata da aria più fredda e pesante: l'allineamento dei Cb è favorito dal fronte freddo avanzante ed questi ne seguono fedelmente l'orientamento. Ciò accade comunque se il cuneo freddo è ben definito e giovane: in caso di fronti freddi in incipiente frontolisi o fronti freddi secondari la disposizione dei Cb assume una linearità molto meno netta. In genere il downdraft nella squall line si colloca subito dietro l'updraft, per cui è frequente osservare nella zona di contatto tra queste due correnti un'imponente shelf cloud (specie in estate), prodotta dall'aria fredda discendente che condensa parte del vapor d'acqua contenuto nell'updraft. La shelf cloud tende a rimanere adiacente ai Cb, poichè sovente si innesca per motivi sinottici: essa è molto probabile che viaggi assieme alla discontinuità frontale e difficilmente sfugge avanti ad essa, a differenza della roll cloud.

La linea di groppo è sempre seguita da un repentino aumento della pressione, da visibilità in aumento e da consistente calo termico (tipiche condizioni postfrontali fredde), essendo di natura frontale e non necessariamente temporalesca. I downdrafts e gli updrafts sono comunque prerogativa dei sistemi temporaleschi , mentre squall line o linea di groppo rappresentano il salto sinottico di vento al passaggio di un fronte freddo: groppi o squall line si possono avere anche in occasione del passaggio di fronti freddi in tardo autunno o in inverno (specie se intensi) anche senza la formazione di celle temporalesche.

In qualche caso è possibile osservare in associazione col gust front della squall line una roll cloud che in pratica è una debole shelf cloud. Come per il cluster, l'interfaccia tra updraft e downdraft rappresenta la regione in cui l'intensità dei fenomeni è massima. Cosa molto importante, le squall line si muovono ad angolo retto rispetto alla direzione della banda nuvolosa, per cui non c'è rischio di confonderle con il cluster di multicelle.

Dopo il transito del gust front seguono venti molto forti che precedono pioggia e grandine: le precipitazioni sono più intense dietro l'updraft, ovvero ad W dello stesso. Dietro l'attivo bordo della squall line c'è una vasta area in genere non molto spettacolare dalla quale può cadere una leggera pioggia dovuta alle celle più vecchie. Nelle ore di luce la linea di groppo appare come un muro di nubi avanzanti con cirri falsi davanti ai Cb, ricordando un lungo sistema di temporali multicellulari. Lo sviluppo delle celle avviene nell'estremità S della linea, il dissolvimento nell'estremità N e in mezzo a queste due estremità c'è un'enorme incudine che si estende davanti ai corpi verticali dei cumulonembi. Gli effetti di una squall line sono grandine grossa fino a palle da golf, deboli tornado ed eventuali alluvioni lampo nel caso di celle lente e stazionarie per il movimento parallelo alla linea.

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Le squall line sono famose per i frequenti downburst soprattutto quando esse si formano in un ambiente con forti venti alle quote medie; capita che un downburst estremamente intenso accelera una porzione della squall line davanti al resto della linea. Questo produce un "bow echo", ovvero un eco lineare ma curvato verso l'esterno a forma di arco, ben individuabile dal radar mentre impossibile da osservare visivamente. I venti più intensi generalmente interessano la "cresta" o il centro del bow echo, mentre a N dello stesso potrebbe addirittura svilupparsi un debole tornado. Le celle più intense stanno a S o SW della parte terminale della squall line; le celle moderate non pienamente mature sono al centro della linea mentre quelle più deboli e in fase di declino stanno a N o NE della linea. Le celle più intense (S o SW della linea) sono in grado di originare tornado perchè tendono ad assumere le caratteristiche della supercella, in quanto a S di esse non c'è nulla che possa "rubare" l'aria caldo umida a loro destinata. Inoltre nella squall line ci possono essere degli intervalli: per il motivo suddetto, nelle celle a N di queste aperture c'è pericolo di forte maltempo.

La lunghezza di una squall line è variabile, comunque sull'ordine delle centinaia di km: quelle più lunghe si sviluppano in un "canale" prefrontale, disponendosi parallelamente (solitamente secondo un asse N-S) al fronte feddo avanzante e precedendone l'arrivo di 50-300 km. La larghezza della linea varia da 20 a 50 km e si muovono alla tipica velocità di 25 nodi (45 km/h). Questi temporali prefrontali sono potenzialmente molto pericolosi.

LA SUPERCELLA

La supercella è in assoluto il temporale più pericoloso e potente fra tutti quelli esistenti: la caratteristica che lo distingue dagli altri è la presenza di un updraft rotante ovvero di un mesociclone. La sua formazione richiede una particolare concomitanza di eventi: infatti le supercelle sono fenomeni relativamente rari da noi e spesso il loro numero viene sovrastimato qualora si manifestino temporali violenti, tali da destare notevole impressione all'osservatore di turno. Una supercella ha un estensione geografica molto vasta (dell'ordine di centinaia di kmq) ed ha una vita autonoma che talvolta non è coerente con la circolazione nella media troposfera per via della deviazione dalla direttrice di moto standard relativa alla sinottica generale indotta dalla forza di rotazione della supercella stessa.

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La formazione della supercella

All’interno delle celle temporalesche il sistema delle correnti spesso non è ordinato secondo il classico schema della cella convettiva (correnti calde ascendenti e correnti fredde discendenti) a tal punto che ogni cellula temporalesca tende ad interferire con le correnti di una cellula adiacente. In questo caso si può dire che si disturbano a vicenda, impedendo così lo sviluppo di una singola cellula o cella altamente organizzata. Ma se si dovessero creare le condizioni per lo sviluppo di una sola singola cellula, allora il discorso cambierebbe completamente. In questo caso il cumulonembo che si sviluppa prende il nome scientifico di supercella ed è costituito solo da due sistemi di correnti su vasta scala. Le condizioni favorevoli allo sviluppo di supercelle possono essere così semplificate:

1) forte contrasto termico sulla verticale dell’area frontale (gradiente termico verticale), cioè tra la massa d’aria fredda in arrivo e quella caldo umida al suolo in fase di sollevamento. L’aria calda, leggera e umida, si scontra con aria più fredda, più pesante e secca e viene sollevata velocemente verso l’alto tanto più rapidamente quanto maggiore è la differenza di temperatura.

2) notevole riscaldamento del suolo favorito dal clima continentale delle grandi pianure tra le quali, sotto tale aspetto, può essere inclusa la Pianura Padana.

3) forte differenza dei valori igrometrici quota-suolo tra la massa d’aria entrante, costituita da aria secca, e quella in sollevamento, costituita da aria umida.

4) corrente a getto o jet stream in quota o quanto meno ai livelli medio-alti della troposfera, la quale contribuisce alla ciclogenesi nei bassi strati ed accelera la convezione favorendo così l'insorgere di grandinate e tornado.

5) wind shear: osservazioni dal vivo e simulazioni al computer suggeriscono che il cambiamento del vento con la quota (wind shear) nei bassi livelli favorisce la rotazione all'interno del cumulonembo. In particolare, se il vento è sufficientemente forte (almeno 50 km/h) e c'è un sufficiente wind shear verticale, fra i due strati d'aria che scivolano uno sull'altro (da direzioni diverse) si creano delle rotazioni orizzontali a forma cilindrica che di per sè sono innocue. Esse nascono anche quando i venti a diverse quote spirano dalla stessa direzione ma con intensità via via crescente con l'altezza. Tuttavia, l'eventuale comparsa di moti convettivi e successivamente dei temporali possono raddrizzare secondo un asse verticale questi cilindri in rotazione che verranno assorbiti dalla corrente ascensionale del temporale e fanno sì che essa cominci a ruotare minacciosamente. La rotazione si rafforza nel temporale e si organizza divenendo più stretta ma molto più intensa poichè gli updrafts diventano stretti e tesi a causa dall'accelerazione dell'aria ascendente a sua volta indotta dal wind shear. Oltretutto l’improvviso intervento in quota della corrente a getto determina un deciso aumento della convergenza al suolo (incontro di masse d’aria con differenti caratteristiche e provenienza), favorendo così lo sviluppo di un asse di rotazione all’interno del cumulonembo.

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In tal modo l'updraft si trasforma in un mesociclone, alla cui estremità inferiore potrà comparire una minacciosa wall cloud (nube a muro) foriera di tornado. La rotazione del mesociclone quindi deriva dal trasferimento di vorticità positiva (capacità dell'aria a ruotare su un asse) dall'inflow all'updraft. Il potenziale per una rotazione è più alto quando l'aria entrando nel temporale gira nettamente sulla destra con l'altezza: ciò avviene grazie al wind shear positivo, ovvero al fatto che il sistema temporalesco si muove da W con un inflow da SE (tale inflow potrebbe essere anche il conveyor belt, in riferimento al livello medio-basso della troposfera). Abbiamo quindi venti al suolo da SE e venti in quota da W (wind shear positivo). Questi temporali sono più adatti a ruotare rispetto a quelli in cui l'inflow è allineato con la corrente in quota.

La supercella è un sistema autoalimentato poichè la rotazione favorisce la convezione e viceversa; nelle supercelle quindi non è presente la rigenerazione, fenomeno tipico dei precedenti tipi di temporali. Inoltre, per definizione, una supercella non è un temporale multicellulare: tuttavia la stessa supercella può contenere anche due mesocicloni.

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Come riconoscere una supercella

Il riconoscimento di una supercella si esegue in 3 modi a seconda della nostra esperienza e delle risorse a disposizione nel momento dell'analisi: dal vivo, dal satellite e dal radar. La supercella è un'enorme cella dotata di correnti ascendenti e discendenti estese su una scala molto più vasta rispetto alla comune cella singola; inoltre questo temporale ha la corrente ascendente dotata di moto rotatorio (mesociclone) e tale rotazione conferisce a questo tipo di temporale caratteri molto particolari utili per giungere alla sua individuazione. Per esclusione, se mancano tali peculiarità si parlerà di comuni celle temporalesche intese come cella singola, cluster di multicelle, linea di multicelle, MCS-MCC.

Osservazione mediante il radar e radiosonaggi

Al radar le supercelle si riconoscono innanzitutto per la notevole estensione geografica e per la forma rotondeggiante della massa nuvolosa nonchè per la presenza di fasce concentriche all'interno della cella con riflettività a fondoscala. In ogni caso l'aspetto che più le distingue è la grande estensione spaziale, facendo bene attenzione a non fare confusione con formazioni multicellulari a grappolo, che però lasciano brevi spazi sereni o con precipitazioni deboli; nella supercella tutta la massa nuvolosa è compatta e le precipitazioni intense.

a) nelle radarate che mostrano l'intensità di precipitazione, è possibile scorgere un eco ad uncino più o meno definito a seconda dei casi, vicino al quale si trova il settore a "fondoscala" ove l'intensità delle precipitazioni è massima. Nelle mappe Doppler (quelle che mostrano i campi del vento) sarà possibile osservare pixel adiacenti con velocità aventi intensità simili ma direzioniopposte b) poichè è plausibile che i temporali ad asse obliquo evolvano rapidamente in supercelle, le scansioni radar che mostrano una lunga area a bassa reflettività (incudine) con un nocciolo di forti precipitazioni (eventuale futuro mesociclone) all'inizio della stessa vanno monitorate di continuo c) anche al radar (se provvisto di moviola) è possibile individuare la deviazione spiegata al punto 2d)

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Ecco invece le immagini radar e nel dettaglio,la previsione di un forte temporale mediante la lettura di un radiosondaggio del 25 MAGGIO 2001 a Milano,dove vi fù una fortissima grandinata:

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Elementi significativi deducibili dal radiosondaggio:

• Forte riscaldamento vicino al suolo: tipica situazione estiva • Grande contenuto di umidità alle quote medie (500 hPa), identificabile dalla vicinanza

della curva di stato della temperatura di rugiada alla curva di stato della temperatura • Indici di instabilità favorevoli allo sviluppo di temporali:

1. CAPE = 1697 J/Kg 2. L.I. = -5,54 3. K = 26,50 4. TT = 49,20

METEOROLOGY IN AVIATION

VISIBILITY

The horizontal distance at which an objects can be seen, is expressed in kilometers, unless it is so poor that it can be expressed in metres. On a clear day visibility might be almost unlimited. Droplets of moisture in the atmosphere ( cloud, mist, fog) reduce visibility, as do rain, snow and hail. In thick cloud or fog, for instance, visibility might be less than 50m. Particles of solids ( smoke and dust) in the atmosphere also reduce visibility, causing haze. The height of the clouds base is called the ceiling.

CLOUDS

Clouds consist of water droplets suspended in saturated air. They can be broadly divided into two classes: stratiform and cumuliform clouds. The former are generally uniform in their appearance and are associated with stable air. The vertical extent of their layers is normally not very great. The latter have more irregular appearance with well-defined edges. They are associated with less stable air and therefore are usually of greater vertical extent.

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PRECIPITATION The principal forms of precipitation include rain, drizzle, snow, sleet, and hail which can be classified in amount as: light, moderate, or heavy; and in duration as: continuous and intermittent.

Thunderstorms

A thunderstorm is a violent atmospheric disturbance. Unstable air, when lifted, continues to rise of its own accord. If the air is moist enough cumulonimbus cloud will be formed. Showers of heavy rain and hail fall from developed cumulonimbus clouds. The violent up-draughts and downdraughts associated with these clouds result in the air in and around them becoming electrically charged. Lighting and thunder are frequent consequences.

Microbursts

A Microbursts is essentially a shaft of fast-moving cold air that hits the earth from high up in the atmosphere, then explodes upwards and outwards

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NAVIGAZIONE DOPPLER

Relativamente al radar Doppler,in navigazione aerea si usa una tecnica di navigazione,chiamata appunto NAVIGAZIONE DOPPLER.

Il sistema di Navigazione Doppler è utilizzato per la navigazione in aree non coperte da sistemi di radionavigazione. Il principale componente è un radar che sfrutta l’Effetto Doppler.

La funzione di questo radar è di misurare con continuità le componenti del vettore di velocità al suolo dell’aeromobile e di ricavarne le componenti rispetto ad una terna di assi legata alla Terra.

I vantaggi del Sistema Doppler sono:

- la velocità dell’aeromobile è misurata rispetto al suolo

- il sistema è completamente autonomo

- le potenze richeste sono minime

- il sistema opera in qualsiasi condizioni meteorologica (tranne in presenza di forti precipitazioni) e in qualsiasi zona della superficie terrestre (tranne nei casi in cui vengono sorvolate superfici liquide perfettamente speculari).

- l’informazione della velocità media è estremamente accurata

- non è soggetto a particolari procedure

Viceversa, il sistema Doppler,presenta i seguenti limiti:

- richiede un’informazione direzionale

- richiede un’indicazione sulla verticale

- l’informazione di velocità istantanea non è cosi accurata

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- sorvolando masse d’acqua in movimento,la velocità differisce di una quantità uguale alla velocità di tale corrente.

Consideriamo ora un trasmettitore Tr che emette un’onda elettromagnetica a frequenza f, ed un ricevitore R posto ad una certa distanza rispetto a Tr.

Quando la sorgente Tr si avvicina all’osservatore R,con velocità u,l’onda compresa tra Tr e R,risulta accorciata di un tratto pari alla distanza percorsa dalla sorgente in un periodo. Di conseguenza l’onda percepita da R avrà un periodo:

Se anche il ricevitore R è in moto verso T,con velocità v,si ha che:

da cui,tenendo conto dell’espressione di T’:

Effetto doppler: il trasmettitore Tr si avvicina al ricevitore R (b); il trasmettitore T, e il ricevitore R si avvicinano l’uno all’altro (c)

Se da bordo viene emessa un’onda elettromagnetica di frequenza f in una direzione formante con l’asse longitudinale x un angolo γ, l’onda arriva in B con una frequenza f’ e una parte di essa viene re-irradiata verso A con una frequenza f’.

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La velocità relativa fra trasmettitore e ricevitore è uguale a Vcosγ.

Sostituendo tale valore si avrà che:

La differenza di frequenza Doppler al ricevitore è data da:

Sostituendo il valore di f’’ si ricava:

Trascurando a denominatore il termine Vcosγ,si ha:

L’equazione suscritta è l’EQUAZIONE DEL RADAR DOPPLER utilizzato nella NAVIGAZIONE DOPPLER (avendo indicato con λ (lunghezza d’onda) il rapporto tra c e f).

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ELETTRO-RADIO-RADAR-TECNICA

Radar ( RAdio Detection And Ranging)

Antenna radar a lunga portata (diametro 40m) può ruotare per controllare qualsiasi settore nell’intero orizzonte.

Il componente principale di un radar è una base dei tempi, dispositivo simile ad un orologio che permette di misurare intervalli molto piccoli,in modo molto accurato e preciso.

A determinati intervalli regolari, un trasmettitore emette un impulso a radiofrequenza, che

viene trasmesso nello spazio tramite un’antenna fortemente direzionale (almeno nel piano

parallelo al suolo, il cosiddetto piano degli azimuth). Subito dopo l'emissione la stessa antenna

viene collegata a un ricevitore sensibilissimo, che resta in ascolto dell'eco riflessa

(backscattering). Se vi è un bersaglio, l'impulso trasmesso viene riflesso e quindi ritorna

all'antenna e viene elaborato dal ricevitore. Misurando il tempo che intercorre tra la

trasmissione dell'impulso ed il ritorno dell'eco è possibile stabilire la distanza a cui si trova il

bersaglio, dato che la velocità a cui si propaga l'impulso elettromagnetico è nota ed è pari alla

velocità della luce.

In pratica abbiamo:

dove:

� R è la distanza del bersaglio

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� c è la velocità della luce

� T è il tempo impiegato dall'impulso per raggiungere il bersaglio e tornare all'antenna

Il tempo di commutazione dell'antenna deve essere ovviamente il più piccolo possibile, tuttavia

è la durata dell'impulso trasmesso che determina la distanza minima a cui il radar può rilevare

oggetti. Infatti il ricevitore non può essere azionato finché non viene spento il trasmettitore. Gli

intervalli di emissione del trasmettitore determinano la cosiddetta portata strumentale, cioè la

distanza massima a cui un determinato modello di radar può rilevare oggetti. La reale distanza

alla quale è possibile rilevare bersagli è in realtà legata, tramite l'equazione del radar (vedi

oltre), alle potenze in gioco ed a tutta un'altra serie di fattori quali la rumorosità intrinseca del

ricevitore, la sua sensibilità e l'ambiente che disturba la ricezione con il fenomeno del clutter.

I dati combinati dell'orientamento dell'antenna all'atto dell'emissione dell'impulso e del tempo

di eco del segnale forniscono la posizione di un oggetto nel campo di rilevamento del radar; la

differenza fra due rilevamenti successivi (o lo spostamento in frequenza doppler in un singolo

rilevamento, nei modelli più recenti) determina velocità e direzione del moto dell'oggetto

rilevato. Sullo stesso principio applicato in modo diverso (antenna che si muove verticalmente)

si basano i radar di scoperta aerea, mentre i radar per sistemi di guida missili sono quasi

sempre radar Doppler in grado di discriminare, dallo spostamento di frequenza dell'eco, i

bersagli in movimento dal terreno.

EQUAZIONE DEL RADAR

Nel caso di bersaglio singolo, la quantità di potenza Pr che ritorna all'antenna ricevente è data

dall' equazione del radar:

dove

� Pt = potenza del trasmettitore,

� Gt = guadagno dell'antenna del trasmettitore,

� Ar = superficie dell'antenna del ricevitore,

� = superficie equivalente dell'oggetto o funzione trasversa di scattering (RCS); nel

caso di target in moto essa rappresenta il valore medio nel tempo Rt = distanza dal

trasmettitore all'oggetto,

� Rr = distanza dall'oggetto al ricevitore.

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Radar a impulsi

Un tipico radar a impulsi è in grado di localizzare un oggetto attraverso la determinazione della distanza dell'oggetto stesso e della direzione della sua visuale. La distanza dell'oggetto viene ricavata misurando il tempo t impiegato da un impulso di radiofrequenza, emesso dal trasmettitore del radar, ad arrivare all'oggetto, essere riflesso da esso e ritornare al ricevitore dello stesso radar. La direzione della visuale dell'oggetto è ricavabile direttamente dall'orientamento del fascio elettromagnetico emesso dall'antenna. Generalmente si usa una sola antenna con funzione di trasmittente e ricevente, interrompendo temporaneamente la ricezione durante l'emissione del breve impulso e poi riattivandola in tempo utile per la captazione degli echi; il dispositivo in uso per tale scopo è una sorta di interruttore che viene fatto scattare dagli impulsi trasmessi ed è noto col nome di duplexer (duplicatore). L'antenna radar viene normalmente fatta ruotare a velocità costante in senso orizzontale, in modo da esplorare l'intero orizzonte: questo tipo di esplorazione o scansione è detto azimutale perché permette di individuare l'angolo tra la direzione dell'oggetto riflettente e quella del meridiano locale (angolo di azimut). Il radar a impulsi è particolarmente usato per la ricerca e la sorveglianza aerea.

Dispositivi di visualizzazione

Il segnale riflesso (eco ) captato dall'antenna e opportunamente amplificato viene trasformato in un impulso video sullo schermo di un tubo a raggi catodici. Nella presentazione comunemente usata, detta PPI (da Plan Position Indicator, indicatore della posizione del piano), è applicata al pennello elettronico una scansione tale che la distanza fra il centro dello schermo e la traccia ad alta luminosità (corrispondente all'eco) rappresenti in scala la distanza fra il radar (al centro dello schermo) e l'oggetto che ha prodotto l'eco. La direzione angolare secondo cui il pennello elettronico compie la propria scansione corrisponde, istante per istante, alla direzione del fascio elettromagnetico del radar. Si ottiene così, come su una carta, la rappresentazione panoramica delle posizioni dei diversi oggetti che producono gli echi. Uno sviluppo nel campo della visualizzazione è rappresentato dagli schermi ad alta definizione (fino a 2048 linee) gestiti da un computer (consolle intelligenti o stazioni di presentazione). Tali apparati sono in grado di presentare sullo stesso schermo più tipi di informazione: sia il convenzionale eco radar, sia altre informazioni ricostruite dal computer, quali il baricentro dell'eco, storia delle posizioni dell'oggetto rilevato per un certo numero di scansioni, vettore velocità. Ciò permette di prevedere la traiettoria e quindi le posizioni future dell'oggetto ed è molto utile nella navigazione aerea e nei sistemi d'avvistamento militari. Sullo schermo possono essere rappresentate anche mappe geografiche, aerovie, ostacoli fissi, mappe atmosferiche (per esempio, confini di perturbazioni). Gli schermi a colori consentono un'interpretazione più immediata delle informazioni.