Il radar e la geofisica

Tra gli strumenti elettronici moderni, il radar è sicuramente uno di quelli che ha avuto il maggiore impatto sul nostro modo di vivere, pur essendo ancora poco conosciuto.

di Achille Zirizzotti e Cesidio Bianchi

Nell’insieme degli strumenti elettronici che sono entrati prepotentemente nella nostra vita, il RADAR (RAdio Detection And Ranging) è sicuramente uno tra i più diffusi e tra i meno conosciuti.  Associamo i radar al controllo del traffico aereo e navale, ma in realtà questi strumenti sono presenti nella nostra vita quotidiana molto più di quello che pensiamo. Esempi di applicazioni sono alcuni sistemi di sicurezza, come gli autovelox, che determinano la velocità con cui ci muoviamo con le nostre automobili; i radar meteorologici, che indicano le zone in cui sono in corso piogge o temporali. Sono radar anche gli apparati montati sulle nostre auto che ci aiutano nei parcheggi e che rilevano gli ostacoli davanti a noi anche in caso di nebbia. È grazie ad un radar che oggi sappiamo esattamente quanto la Terra disti dalla Luna: trasmettendo un impulso laser dalla Terra su uno specchio posato sulla Luna dagli astronauti dell’Apollo 11, è stato possibile calcolare con estrema precisione questa distanza. E ancora grazie al radar sappiamo che la Luna si allontana dalla Terra 38 mm l’anno. Speciali tipi di radar vengono spediti nello spazio, come RIME (Radar for Icy Moon Exploration) dell’ESA, alla ricerca di tracce di vita tra le lune ghiacciate di Giove. Sono radar gli strumenti montati sui satelliti di COPERNICUS per l’osservazione e il monitoraggio della salute del nostro pianeta.

Ma come è nato il radar? Con che scopo furono costruiti i primi esemplari?

Un primo antenato di radar fu brevettato nel 1904 dall’ingegnere tedesco Christian Hülsmeyer. Anche Guglielmo Marconi lavorò successivamente al suo sviluppo. Il primo radar moderno però realmente affidabile fu brevettato nel 1935 da Sir Robert Alexander Watson-Watt, in Gran Bretagna. Benché utilizzato inizialmente per scopi di ricerca sull’atmosfera, trovò immediatamente applicazioni militari durante la Seconda guerra mondiale. I primi RADAR infatti furono utilizzati dagli inglesi per costruire sulle proprie coste una rete di stazioni per rilevare gli attacchi aerei tedeschi. La nuova strumentazione si rivelò essere molto più efficiente rispetto agli specchi acustici parabolici (enormi riflettori di cemento) o ai localizzatori acustici (grandi trombe acustiche) utilizzati per ascoltare il rumore dei motori dei bombardieri in avvicinamento utilizzati fino a quel momento.

Come funziona un radar?

Il principio di funzionamento del RADAR è piuttosto semplice. E’ un trasmettitore-ricevitore di onde elettromagnetiche e si basa sul calcolo della distanza percorsa da un impulso radio (da cui il nome RADAR). L’impulso emesso dal radar si sposta nello spazio con una certa velocità. Quando incontra un oggetto sul suo cammino viene riflesso e torna, in parte, al radar. La misura del tempo intercorso fra l’emissione e la ricezione dell’impulso permette di calcolare la distanza tra radar e oggetto.

Uno strumento che utilizza tecniche simili al RADAR è il SONAR (SOund Navigation And Ranging), che trasmette e riceve impulsi sonori ed è principalmente utilizzato sui sommergibili. In particolare il SONAR permette alle navi di misurare la profondità del mare, evitando di incagliarsi sul fondo, e ai pescatori di vedere i banchi di pesci. I geologi lo usano per disegnare mappe dettagliate dei fondali marini. Con il SONAR è stato scoperto, vicino le isole Eolie, il Marsili, il vulcano sommerso più esteso d’Europa. La tecnica SONAR è utilizzata anche da alcuni animali (biosonar): i pipistrelli la utilizzano per muoversi nel buio e per localizzare le prede come fanno pure delfini, capidogli e orche.

Sui principi di funzionamento del radar si basa anche il LIDAR (LIgth Detection And Ranging) utilizzando la luce al posto delle onde radio. Viene utilizzato principalmente per scopi geofisici, come il monitoraggio della composizione chimica dell’atmosfera o dello strato di ozono o per effettuare rapidamente rilievi topografici.

Altri tipi di radar (detti ad apertura sintetica, SAR) consentono di ottenere immagini ad alta risoluzione da grande distanza, ad esempio dallo spazio. Permettono di disegnare mappe accurate del suolo, utili a studiare le faglie e la subsidenza del suolo o per studiare la caratteristiche del ghiaccio e della neve, e per valutare i loro cambiamenti nel tempo.

Il radar all’INGV

L’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia fa grande uso di questo tipo di strumenti in molti campi di ricerca. Nei laboratori di elettronica INGV ne sono stati progettati e brevettati diversi tipi, dedicati a studi differenti. In particolare l’utilizzo di uno di questi, il radar RES (Radio Echo Sounding) ha consentito di indagare le calotte glaciali Antartiche. Trasmettendo un impulso radio dalla superficie del ghiaccio fino al fondo roccioso, è stato possibile rilevare il massimo spessore di ghiaccio di quel continente, che è risultato essere 4,7 km. Sempre con la stessa tecnica, è stato possibile scoprire la posizione di alcuni laghi subglaciali, veri e propri laghi sepolti sotto qualche chilometro di ghiaccio.

In alcuni campi di studio il radar è utilizzato dagli esperti INGV per studiare il sottosuolo, alcuni metri sotto la superficie. In questo caso si usa un particolare RADAR, il georadar, che prevede l’uso dell’antenna poggiata direttamente sul terreno. Con il georadar si possono individuare, in modo non invasivo, sottoservizi delle città, strutture murarie archeologiche sepolte e in generale tutto quello che viene sepolto, legalmente o illegalmente, nel terreno fino a una profondità massima di una decina di metri.

Ne è un esempio il lavoro svolto dagli esperti INGV per il ritrovamento della salma di un soldato tedesco descritto in questo post. Passando dalla terra al cielo, anche una Ionosonda è un RADAR ad alta frequenza che consente di effettuare studi sulla propagazione delle onde radio nella ionosfera, misurando continuamente la posizione degli strati ionizzati dell’alta atmosfera, costituiti da elettroni liberi che permettono di  riflettere segnali radio a certe frequenze (vedi anche questo post).

Numerose quindi sono le applicazioni dei radar e vari sono i loro possibili futuri sviluppi. Vengono utilizzati in molteplici campi in modo sempre più consistente, influenzando pesantemente la nostra vita quotidiana, rendendosi sempre più indispensabili e insostituibili.