Previsioni meteo del signor Doppler

Circa cento anni separano due scoperte, diversissime in natura, i cui ultimi risultati (tra i tantissimi altri) li vediamo ogni giorno nelle carte delle piogge che vengono presentate nelle previsioni meteorologiche. Nel 1842, studiando l'emissione della luce da parte delle stelle, Christian Doppler previde uno spostamento verso il colore rosso della luce emessa da stelle che si allontanano da noi.

Questo effetto Doppler non è, però, caratteristico solo delle onde luminose, ma di qualsiasi tipo di onde, quando la loro sorgente è in movimento rispetto a chi le osserva. L'esempio più comune è quello delle onde acustiche emesse da un treno in corsa in avvicinamento ad una stazione: il fischio emesso dal treno diventa più acuto quando il treno si avvicina alla stazione e più grave quando vi si allontana. L'altezza di una nota (più acuta o più grave) percepita da un ascoltatore corrisponde alla frequenza del segnale sonoro, intesa come il numero di onde sonore che gli arrivano in un certo tempo: ad alte frequenze il suono è più acuto, mentre a basse frequenze esso è più grave.

L'effetto Doppler, allora, si spiega molto intuitivamente: un ascoltatore che si muove avvicinandosi alla sorgente riceve ogni secondo più onde sonore di quante ne riceve uno che sta fermo, e viceversa l'ascoltatore che si allontana ne riceve meno e quindi sente il suono più grave.Lo stesso si ha se l'ascoltatore sta fermo ed è la sorgente sonora a muoversi. Per le onde luminose, studiate inizialmente da Doppler, si ha una situazione analoga: la frequenza della luce determina il suo colore (in luogo dell'altezza di un suono), per alte frequenze la luce tende al blu-violetto, mentre per basse frequenze essa tende al rosso. Lo spostamento verso il rosso della luce delle stelle che si allontanano da noi, allora, è proprio una manifestazione del minore numero di onde luminose che riceviamo nell'unità di tempo.
A cosa è collegato tutto questo con le previsioni meteorologiche?
Circa cento anni dopo la scoperta di Doppler, durante la seconda guerra mondiale, gli operatori addetti ai radar scoprirono che diverse condizioni meteorologiche causavano disturbi sui loro schermi, dovuti, per esempio, agli echi prodotti dalle onde radar riflesse da goccioline di pioggia.  Questi mascheravano dei potenziali bersagli nemici, per cui si incominciò a studiare il fenomeno per sviluppare dei filtri che permettessero di eliminare tali disturbi. Alla fine della guerra, però, tali studi furono poi orientati non ad eliminare tali echi radar, ma piuttosto ad amplificarli per servirsene  per previsioni meteorologiche e, in particolare, per rivelare precipitazioni temporalesche.
Molti radar moderni per uso meteorologico sfruttano l'effetto Doppler, capace di evidenziare il moto delle goccioline di pioggia oltre che l'intensità delle precipitazioni (ossia quanta pioggia cade). Entrambi i tipi di informazione, infatti, sono utili per determinare la struttura delle tempeste e quindi il loro potenziale di causare danni.

Radar meteorologico ad effetto Doppler dell'Università dell'Oklahoma

I radar meteorologici inviano, nel cielo davanti a loro, degli impulsi direzionali di microonde, prodotti da apparecchi in tutto simili a quelli presenti nei forni a microonde domestici, servendosi di antenne paraboliche. Le microonde sono le onde elettromagnetiche con le caratteristiche giuste (ossia la giusta frequenza) per rivelare goccioline di pioggia o piccole particelle di ghiaccio delle dimensioni da 1mm a 1cm. Parte dell'energia di ciascun impulso di microonde viene, infatti, rimandato indietro nello scontro con il loro bersaglio nella direzione della stazione radar (invece di essere totalmente assorbita o trasmessa in avanti), e quindi può essere analizzata dagli strumenti nella stazione. Onde con frequenze maggiori potrebbero essere usate per rivelare particelle più piccole, ma il segnale di andata e di ritorno sarebbe anche più facilmente attenuato nella sua propagazione nell'atmosfera rispetto al caso precedente, e quindi più difficile da analizzare, per cui tali onde vengono utilizzate solo per indagini a breve distanza dalla stazione e su fenomeni che coinvolgono particelle molto piccole, come per esempio foschia e nebbia.
Tra un impulso e un altro inviato dalla stazione, questa funge da ricevitore per “ascoltare” i segnali di ritorno dalle particelle nell'aria. Ogni impulso ha una durata di qualche milionesimo di secondo, mentre la durata di un ciclo di ascolto è circa mille volte più grande, dell'ordine di un millesimo di secondo: ricordando che le microonde, come tutte le onde elettromagnetiche, si muovono alla velocità della luce, questi tempi sono necessari per permettere al segnale di coprire distanze di alcune centinaia di kilometri. Naturalmente, occorre anche inviare un appropriato numero di impulsi al secondo: se gli impulsi fossero emessi troppo frequentemente, il segnale di ritorno da un dato impulso si confonderebbe con quelli da impulsi precedenti, e ciò produrrebbe informazioni non corrette sulla distanza dal temporale. Ora, se le particelle di pioggia si muovono rispetto alla stazione radar (ovvero la tempesta si sta spostando), a causa dell'effetto Doppler si registra una variazione di frequenza nel segnale di ritorno: per dare dei numeri, per velocità di circa 200-250 km/h la frequenza del segnale a microonde cambia di circa il 5-10% (in più o in meno a seconda se la tempesta si sta avvicinando o allontanando). Ma, in più, il segnale di ritorno è anche “spostato” rispetto quello inviato (ossia, per esempio, il massimo o il minimo dell'onda di ritorno non corrisponde più al massimo o minimo dell'onda di ritorno), ed è proprio questa differenza di fase tra un impulso ed un altro che viene rivelata ed analizzata dagli strumenti.

Carta delle previsioni delle precipitazioni per domenica 5 febbraio 2012

Gli usi che si possono fare delle informazioni ottenuti con tali radar sono i più diversi, interessando costruttori di dighe o di bacini idrologici artificiali, agenzie di controllo delle piene di fiumi, ecc. Soprattutto, l'aviazione (civile e militare) è un utilizzatore accanito di informazioni radar, per programmare adeguatamente i voli di velivoli e quindi evitare disastri causati da avverse condizioni meteorologiche.
Il signor Doppler non avrebbe mai immaginato quanta futura gratitudine gliene sarebbe venuta dalle sue osservazioni del cielo. Ovviamente, in assenza di pioggia!

S. Esposito, fisico