Radar a banda P e biomassa: come il satellite Biomass stima il carbonio delle foreste

🔍 Cos’è BIOMASS e cosa misura

Questo articolo è un approfondimento tecnico di 👉 BIOMASS e la lotta contro il cambiamento climatico, che consigliamo di leggere prima per comprendere il contesto scientifico e ambientale della missione. Qui esploriamo in dettaglio come il radar a banda P del satellite BIOMASS permette di stimare la biomassa forestale e il contenuto di carbonio, attraverso formule, fisica radar e tecniche interferometriche. 📡

Radar a banda P: come funziona

Il cuore della missione BIOMASS è il suo radar a banda P, sviluppato dall’ESA. Si tratta di un radar che opera a circa 435 MHz, con lunghezza d’onda di 70 cm, capace di penetrare il fogliame e raggiungere i tronchi degli alberi, anche nelle foreste più fitte. Questo rende il radar in banda P ideale per misurare la biomassa.

Distanza e polarizzazione del radar

Il principio fisico alla base del funzionamento del radar a banda P è semplice: si invia un impulso di onde elettromagnetiche verso la superficie terrestre, e si misura il tempo che impiega il segnale a tornare indietro dopo essere stato riflesso. La distanza dell’oggetto rilevato si ottiene con la formula:

$ R = \frac{c \cdot \Delta t}{2}​ $

dove:

• $\Delta t$ è il tempo impiegato dal segnale per andare e tornare.
• R è la distanza tra satellite e punto riflettente (in metri),
• c è la velocità della luce (circa $3 \times 10^8$ m/s)

Polarizzazione e analisi del segnale

Il radar di BIOMASS è un SAR (Synthetic Aperture Radar), cioè un radar ad apertura sintetica: invece di usare un’antenna fisica enorme, sfrutta il movimento del satellite lungo la sua orbita per raccogliere eco successivi dello stesso punto, e li combina digitalmente per ottenere immagini ad alta risoluzione.

Ma non basta sapere dove il segnale è stato riflesso: per capire cosa ha riflesso l’onda, BIOMASS usa la polarimetria radar. Le onde radar possono essere trasmesse e ricevute con diverse polarizzazioni: orizzontale (H) o verticale (V). Le combinazioni più comuni sono:

• HV (trasmesso H, ricevuto V)
• HH (trasmesso H, ricevuto H)
• VV (trasmesso V, ricevuto V)

La polarizzazione è l’orientamento del campo elettrico dell’onda radar rispetto al piano orizzontale o verticale, indipendente dalla direzione di propagazione.

Scattering volumetrico e vegetazione

Le piante, a causa della loro struttura disordinata e tridimensionale (foglie, rami, tronchi), generano un tipo di riflessione chiamata scattering volumetrico, che produce un ritorno forte nella polarizzazione HV. Al contrario, edifici o rocce tendono a riflettere in modo ordinato, con segnali forti in HH o VV, ma deboli in HV. Analizzando queste differenze, il satellite può distinguere la vegetazione da altri oggetti artificiali o naturali.

Come si calcola la biomassa e la CO₂

La vera potenza di BIOMASS si manifesta attraverso la tecnica POLinSAR (Polarimetric Interferometric SAR): confrontando due acquisizioni radar effettuate con polarizzazioni diverse e da angolazioni leggermente diverse, si può stimare l’altezza del volume di dispersione, cioè l’altezza media della vegetazione. In pratica, BIOMASS costruisce mappe tridimensionali della foresta.

Una volta stimata l’altezza della vegetazione (h) e la sua densità volumetrica (ρₛ), si può calcolare la biomassa secca per unità di superficie (B) con un’integrazione:

$B = \int_0^h \rho_s(z) \, dz $

Dove:

• h è l’altezza della chioma forestale
• $\rho_s(z)$ è la densità di biomassa secca in funzione dell’altezza z

In assenza di profili dettagliati, si può anche usare una stima empirica semplificata, in cui la biomassa secca è proporzionale all’altezza:

$B \approx k \cdot h $

con k costante dipendente dal tipo di vegetazione (valori tipici tra 5 e 20 t/ha per metro di altezza).

Sapendo che in media circa il 50% della biomassa secca è carbonio, si ha:

$C = 0.5 \cdot B$

Infine, per convertire il carbonio stoccato (C) in CO₂ equivalente, si usa la proporzione tra le masse molecolari:

$\text{CO}_2 = C \cdot \frac{44}{12}$

Questo perché una molecola di CO₂ (massa molare = 44 g/mol) contiene un atomo di carbonio (12 g/mol). In altre parole, ogni tonnellata di carbonio corrisponde a 3.67 tonnellate di CO₂ sottratte all’atmosfera.

Validazione e applicazioni globali

Tutti questi calcoli vengono fatti su immagini radar ad alta risoluzione (fino a 200 m), ogni sei mesi, su scala globale. Le stime del radar a banda P sono comunque validate confrontando i dati con rilievi terrestri, modelli forestali e immagini ottiche (es. Sentinel-2). BIOMASS riesce così a trasformare un segnale elettromagnetico riflesso in una misura fisica reale del carbonio presente negli ecosistemi forestali del pianeta, contribuendo alla quantificazione scientifica del ruolo delle foreste nella regolazione del clima globale.

📚 Glossario

• Radar (Radio Detection and Ranging): strumento che invia onde elettromagnetiche e misura il tempo impiegato da queste onde per tornare indietro, dopo aver colpito un oggetto, così da calcolarne la distanza.
• SAR (Synthetic Aperture Radar): tecnologia radar che, sfruttando il movimento del satellite, simula un’antenna più grande per ottenere immagini ad alta risoluzione.
• Banda P: intervallo di frequenze radio usate dal radar, in questo caso attorno ai 435 MHz, con onde lunghe circa 70 cm, in grado di penetrare il fogliame.
• Scattering volumetrico: tipo di riflessione del segnale radar che avviene all’interno di un mezzo complesso (come una foresta), dove le onde rimbalzano più volte tra foglie, rami e tronchi.
• Polarizzazione (HH, HV, VV): modo in cui oscilla il campo elettrico delle onde radar. Le diverse polarizzazioni aiutano a distinguere vegetazione, edifici o suolo.
• Interferometria (InSAR, POLinSAR): tecnica che confronta due segnali radar ricevuti in tempi o polarizzazioni diverse per calcolare l’altezza e la struttura degli oggetti osservati.
• Biomassa secca: massa totale della parte organica (non contenente acqua) di piante e alberi.
• Carbonio organico: quantità di carbonio contenuto nella biomassa, derivato dalla CO₂ atmosferica assorbita dalle piante durante la fotosintesi.
• CO₂ equivalente: quantità di anidride carbonica atmosferica che corrisponde al carbonio stoccato nella biomassa, calcolata con un fattore stechiometrico (44/12).
• Sentinel-2 è una missione dell’ESA che fornisce immagini multispettrali ad alta risoluzione per monitorare vegetazione, suolo, acque e cambiamenti ambientali. È parte del programma Copernicus.