EarthCARE dirada le nubi sui modelli climatici

Il satellite dell’Agenzia spaziale europea (ESA) EarthCARE sta aiutando gli scienziati a valutare l’impatto che la presenza di nubi e aerosol nell’atmosfera ha sul bilancio energetico della Terra, il quale regola il clima. In questo modo, EarthCARE è pronto ad affinare la precisione dei modelli climatici, che sono a loro volta gli strumenti che guidano le politiche e le azioni globali sul clima.

Benché sia noto che le coperture nuvolose e gli aerosol abbiano in generale un effetto raffreddante, le loro interazioni con l’energia proveniente dal Sole e la radiazione termica che la Terra irradia verso lo spazio, sono molto complesse e non ancora pienamente comprese.

Mentre le emissioni di gas serra continuano a riscaldare il pianeta, non è ancora chiaro il ruolo delle nubi in questo processo. È scontato per esempio che una riduzione della copertura nuvolosa, permetta ai raggi solari di raggiungere la superficie terrestre, amplificandone il riscaldamento.

Anche la presenza di aerosol, la miscela di particelle microscopiche di liquido o solido (vapor d’acqua e pulviscolo) disperse in un gas (atmosfera), va a complicare ulteriormente il quadro di tutte queste interazioni. Infatti oltre a riflettere la luce solare a rinfrescare l’aria, rendono le nubi più riflettenti e durature.

Ciononostante, i recenti cambiamenti a livello globale, come per esempio il forte calo dell’inquinamento industriale e la formazione di enormi colonne di fumo provocate dagli incendi di boschi e foreste, potrebbero alterare in maniera significativa il ruolo primario degli aerosol nel sistema climatico globale. Tuttavia, l’impatto complessivo di tutti questi cambiamenti rimane oscuro.

Le previsioni sul futuro del cambiamento climatico si basano sui modelli matematici che simulano l’atmosfera, gli oceani e tutti sistemi terrestri in scenari differenti. I modelli climatici che rappresentano le nuvole, gli aerosol e le loro interazioni con la luce solare e la radiazione infrarossa, sono basati su descrizioni matematiche semplificate del loro comportamento, le quali spesso si rifanno a misurazioni dirette e anche su numerose ipotesi.

La missione EarthCARE (Earth, Cloud Aerosol and Radiation Explorer), è stata lanciata il 29 maggio 2024 dalla Vandenberg Space Force Base in California, da un vettore Falcon 9 di SpaceX. Si tratta di una missione che l’ESA ha sviluppato con la compartecipazione dell’Agenzia spaziale giapponese (JAXA – Japan Aerospace Exploration Agency) e che trasporta quattro strumenti scientifici specializzati, progettati per effettuare differenti misurazioni simultanee sulle nuvole e sugli aerosol.

Combinando in maniera sinergica queste osservazioni, il satellite può rilevare importanti proprietà delle nubi, come l’ammontare dell’acqua in esse contenuta e le dimensioni delle particelle che le formano. Queste informazioni, a loro volta, possono essere usate per migliorare la loro rappresentazione nei modelli climatici, favorendo di conseguenza proiezioni climatiche più affidabili.

La seguente animazione presenta una sequenza di misurazioni acquisite da EarthCARE sul tifone Ragasa, in prossimità delle Filippine, il 20 settembre 2025. Il video mostra la cosiddetta chiusura radiativa, ossia la coerenza fra le misurazioni dirette del flusso radiativo atmosferico e la sua valutazione quantitativa derivata dai dati di altre proprietà atmosferiche, che è uno degli obiettivi della missione.

Inizialmente l’animazione mostra come i dati provenienti dal Cloud Profiling Radar (CPR), dall’Atmospheric LIDAR (ATLID) e dal Multispectral Imager (MSI) vengono combinati per ottenere delle sezioni verticali di proprietà come il contenuto di acqua nelle nubi e nelle precipitazioni, sottoforma di goccioline liquide oppure di particelle solide nel ghiaccio e nella neve.

Dopodiché, le informazioni provenienti dalle immagini orizzontali vengono impiegate per estrapolare questi profili verticali delle nubi, lungo la traiettoria del satellite. Identificando i pixel con proprietà ottiche simili, il sistema ricostruisce la struttura tridimensionale delle nuvole.

La Radiative Transfer Modelling (RTM) è una tecnica computazionale che simula il meccanismo per cui la radiazione elettromagnetica, la luce e il calore, interagisce con la materia, come l’atmosfera terrestre, le nuvole, la vegetazione e il suolo, al fine di prevedere cosa i sensori (come quelli dei satelliti) effettivamente misurano. Essa risolve equazioni complesse che descrivono l’assorbimento, la diffusione e la trasmissione della radiazione, che sono caratteristiche essenziali per l’interpretazione dei dati dei sensori al fine di ottenere le proprietà atmosferiche e quindi di comprendere il clima nella sua complessità.

Applicando questa tecnica analitica alle rappresentazioni tridimensionali delle nuvole, è possibile stimare come la luce solare in arrivo viene diffusa dalle particelle delle nuvole e dalla superficie terrestre, e di conseguenza, quanta di questa luce viene riflessa nello spazio.

Nell’animazione, la luce solare riflessa calcolata è rappresentata dalla striscia orizzontale ombreggiata blu e la linea rossa in alto. Questa viene poi comparata con le misurazioni indipendenti del radiometro in banda larga di EarthCARE, mostrate dalla linea gialla in alto, e la concordanza è davvero buona.

Robin Hogan, scienziato principale presso l’European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) ha spiegato:

Ci siamo sempre aspettati che EarthCARE mantenesse le sue promesse e questi risultati dimostrano senza dubbio che è proprio così. Possiamo vedere come il satellite sia in grado di elaborare le proprietà dettagliate delle nubi e degli aerosol nell’atmosfera, e quindi di verificare immediatamente che i loro impatti radiativi previsti siano coerenti con i flussi di energia solare e infrarossa, anch’essi misurati da EarthCARE. Questa validazione dei dati che avviene a bordo dell’orbiter, fornisce ulteriore confidenza nell’impiego delle proprietà di nubi e aerosol per testare e migliorare i modelli climatici.

Facendo parte del programma dell’ESA Earth Explorer, per lo studio del nostro pianeta a livello globale, anche la missione EarthCARE è da considerarsi una missione di ricerca, anche se di fatto, i suoi dati sono così affidabili che verranno presto utilizzati nelle previsioni meteorologiche quotidiane.

Il professor Hogan ha poi proseguito e concluso:

Presso l’ECMWF vogliamo assimilare in tempo reale i dati di EarthCARE nel nostro modello climatico: fornendo un’immagine più accurata delle posizioni delle nuvole all’inizio di una previsione, questi dati potranno aiutare il modello a catturare meglio l’evoluzione dei sistemi climatici fornendo predizioni più affidabili. Il lavoro per l’integrazione dei flussi di dati provenienti da EarthCARE sta progredendo con rapidità, e il sistema è sulla buona strada per divenire operativo presto. Pertanto EarthCARE non solo sta facendo avanzare la nostra comprensione del clima, ma sta anche fornendo benefici immediati per i servizi quotidiani di previsioni meteorologiche e climatiche.

Lo scorso 1^o dicembre, durante il secondo seminario congiunto fra scienziati europei, canadesi e giapponesi, è stata rilasciata per la prima volta al pubblico la suite completa di dati di EarthCARE di Livello 2. L’insieme di dati di Livello 1 era stato rilasciato lo scorso gennaio, mentre una prima parte dei dati di Livello 2 era stata pubblicata a marzo.

I dati appena pubblicati includono quelli relativi alla chiusura radiativa, che collegano direttamente le misurazioni fatte sulle nuvole e sugli aerosol con i flussi di energia osservati, offrendo una visione senza precedenti dei processi che modellano il clima del nostro pianeta.

Rendere disponibile in maniera completa tutta la serie di dati forniti da EarthCARE, implica il fatto che i ricercatori di tutto il mondo possano ora mettere alla prova nuove ipotesi, validare i modelli meteorologici e climatici, oltre che studiare come i recenti cambiamenti atmosferici (dai fumi provenienti dagli incendi forestali ai cambiamenti negli inquinanti atmosferici) stanno influenzando il bilancio energetico del Pianeta. La diffusione dei dati rafforza inoltre la cooperazione internazionale: tramite lo scambio di strumenti ed esperienza fra le agenzie e i vari continenti, la comunità scientifica di EarthCARE sta accelerando il progresso e sta espandendo la portata della missione.

Il satellite EarthCARE aveva una massa al lancio di 2.350 kg, è largo 2,5 m e lungo 19 m e opera su di un’orbita polare eliosincrona a una quota di 393 km con un’inclinazione di 97,1° un periodo di 92,5 minuti e ha un tempo minimo di operatività di tre anni.

Fonte: ESA