MTG-I1: una nuova era per la meteorologia

Il 13 dicembre alle 21:30 italiane (le 20:30 UTC), è decollata con successo la missione Galaxy 35-36 e MTG-I1 a bordo di un razzo Ariane 5 ECA+ dalla rampa Ariane Launch Area 3 del centro spaziale di Kourou, in Guyana Francese.

Di seguito è disponibile la copertura del lancio offerta da Arianespace; oppure si può recuperare l’intera diretta fornita da ESA, che comprende interviste con esperti del settore industriale e scientifico.

Come ISAA eravamo presenti all’evento mediatico organizzato da ESA e EUMETSAT presso le strutture di ESTEC, a Noordwijk (Paesi Bassi): tra le varie attività era previsto un tour del complesso e l’incontro con alcuni esperti e scienziati assieme ad altri divulgatori scientifici di tutta Europa. Parte dei contenuti di questo articolo provengono dall’incontro con esperti e dal materiale fornito e in particolare da Paolo Ruti, chief scientist a EUMETSAT, che abbiamo avuto la possibilità di intervistare brevemente.

La missione

A bordo del razzo, uno degli ultimi a volare in attesa del debutto di Ariane 6, erano presenti anche due satelliti commerciali di Intelsat costruiti da Maxar Technologies: il peso complessivo dei tre carichi era di 10.972 kg, molto vicino alla capacità massima del vettore.

Le separazioni previste sono avvenute senza problemi e hanno riguardato nell’ordine i booster laterali (a 67 km di quota), le ogive (a 110 km) e il primo stadio (a 165 km e 9 minuti di volo). A mezz’ora dal decollo sono stati rilasciati i due satelliti di Maxar e cinque minuti dopo MTG-I1. L’apertura dei pannelli solari è avvenuta nominalmente dopo un’altra mezz’ora e ha dato inizio alla fase di LEOP (Launch and Early Orbit Phase) che sarà gestita da Telespazio per un paio di settimane. Il satellite ha comunicato una prima volta con un’antenna situata all’interno della base di San Marco a Malindi (Kenya), confermando lo stato di salute e iniziando le operazioni di innalzamento dell’orbita attraverso quattro distinte accensioni dei motori. La destinazione finale è un’orbita geostazionaria situata a 0° di longitudine, dalla quale il satellite opererà per circa 10 anni: il rilascio dei primi dati è previsti intorno a marzo.

Il programma Meteosat e i dati sulla meteorologia

Il primo lancio di un satellite Meteosat avvenne da Cape Canaveral, in Florida, nel 1977, a bordo di un Delta II 2459. All’epoca EUMETSAT non era ancora stata fondata (la sua costituzione risale al 1986) e i programmi di osservazione meteorologica erano ancora alle fasi iniziali. Si trattò della prima missione di osservazione terrestre di ESA, creata solamente due anni prima. Oggi le due agenzie, pur essendo indipendenti, accolgono gran parte dei paesi europei e collaborano attivamente da oltre trent’anni.

La prima generazione di satelliti era in grado di fornire immagini della Terra e dell’atmosfera ogni 30 minuti in tre diversi canali spettrali (visibile, infrarosso termico e nella banda di assorbimento del vapore acqueo). La risoluzione disponibile era di 2,5 km × 2,5 km nel visibile e di 5 km × 5 km nell’infrarosso. In totale furono lanciati sette satelliti nel corso di 20 anni: il secondo venne lanciato con un Ariane 1 e i restanti con un Ariane 4, tutti dallo spazioporto di Kourou. La vita operativa è progressivamente aumentata, passando da circa 5–7 anni dei primi cinque esemplari, a circa 15 o 20 degli ultimi tre. Meteosat-7, l’ultimo della prima generazione, è stato infatti spostato in un’orbita cimitero nell’aprile 2017, dopo aver inviato l’ultima immagine pochi giorni prima.

Nonostante il lancio e la corretta operatività di molti satelliti, EUMETSAT iniziò fin da subito il processo di design e costruzione della seconda generazione di satelliti. A differenza della prima venne integrato uno scanner multispettrale operante in due bande del visibile e nove nell’infrarosso (con una risoluzione di 3 km × 3 km) e uno in pancromatico (risoluzione 1 km × 1 km), per un totale di 12 bande coperte. Venne inoltre raddoppiata la frequenza di cattura dei dati, da 30 a 15 minuti. Il primo lancio di un satellite della seconda generazione (Meteosat-8/MSG-1) avvenne nel 2002, a bordo di un Ariane 5, a cui seguirono Meteosat-9 nel 2005, Meteosat-10 nel 2012 e Meteosat-11 nel 2015. Tutti i satelliti hanno una vita prevista intorno ai 20 anni e solo il primo è stato effettivamente ritirato dal servizio, il 1º luglio 2022.

Similarmente a quanto accaduto in precedenza, già a inizio anni 2000 gli scienziati iniziarono a sviluppare la terza generazione di satelliti, in modo da garantire una continuità nella fornitura di dati scientifici alle istituzioni meteorologiche mondiali. La flotta della terza generazione è composta da 6 satelliti, 4 dotati di imager (costruiti da Thales Alenia Space) e due chiamati sounder (costruiti da OHB). Il primo esemplare, MTG-I1 è stato lanciato appunto il 13 dicembre 2022 da Kouoru a bordo di un Ariane 5, mentre la generazione successiva decollerà a bordo del nuovo vettore di Arianespace Ariane 6.

Il progetto prevede di lanciare due satelliti imager e un satellite sounder e verso il termine della vita prevista di 10 anni (oppure in caso di necessità) immettere in orbita gli altri tre esemplari, assicurando così una copertura di venti anni complessivi. I due satelliti imager opereranno in tandem, uno osservando l’Europa e l’Africa ogni 10 minuti e l’altro la sola Europa ogni 2,5 minuti, mentre MTG-S scansionerà l’intero disco terrestre ogni 60 minuti per fornire copertura a livello locale, con un ciclo di ripetizione ogni 15 minuti.

Come già detto in precedenza, i satelliti operano e opereranno in orbita geostazionaria, a 36.000 km di altezza dalla superficie: la caratteristica di quest’orbita, come dice il nome stesso, consente al satellite di rimanere fermo relativamente a un punto sulla superficie della Terra e quindi osservare la stessa zona continuamente. A questa altitudine infatti il periodo dell’orbita coincide con quello della rotazione della Terra.

Nonostante le innovazioni tecnologiche e le richieste, la dimensione dei satelliti non è variata significativamente tra una generazione e l’altra, mentre la massa è decuplicata: si è passati dai circa 300 kg della prima generazione ai quasi 4.000 della terza. Un’altra differenza significativa rispetto alle prime due generazioni è la stabilizzazione: i satelliti MTG disporranno di una stabilizzazione su tre assi, che consente l’esposizione continua dei payload verso la superficie terrestre, anziché una giroscopica, che rendeva la Terra visibile ai payload solo per il 5% del tempo. In conseguenza di questo e del sempre maggior numero di canali a disposizione e della loro risoluzione (0,5 km – 2 km anziché 1 km – 3 km), la terza generazione produrrà almeno 50 volte tanto i dati della precedente. La costellazione completa trasferirà ogni giorno i dati alla velocità di 400 Mb/s attraverso la rete EUMETCast, un significativo miglioramento rispetto ai 4 Mb/s della seconda generazione.

MTG-I1

Andando nel dettaglio di MTG-I1 (Meteosat Third Generation - Imager1) è possibile evidenziare i progressi che la nuova generazione ha portato e porterà nei prossimi satelliti.

Il satellite pesa a terra 3.800 kg, di cui 1.900 kg di propellente, è lungo 2,3 m × 2,8 m × 5,2 m nella configurazione richiusa per il lancio. È alimentato da due pannelli solari in grado di produrre 2 kW di potenza elettrica e ha a bordo 2 strumenti principali: il Flexible Combined Imager e il Lightning Detector, e uno secondario di raccolta e ritrasmissione dei segnali di emergenza.

Flexible Combined Imager (FCI)

Il Flexible Combined Imager copre 16 bande spettrali in tutto, dal visibile fino all’infrarosso. Rispetto al predecessore (SEVIRI, Spinning Enhanced Visible and Infared Imager) mostra notevoli miglioramenti nella risoluzione spettrale, spaziale (1 km – 2 km) e radiometrica, permettendo così previsioni più accurate e l’individuazione di eventi meteorologici pericolosi con maggior anticipo; consentirà anche una miglior individuazione di cirri, incendi o aerosol, migliorando i dati a disposizione per le previsioni sulla qualità dell’aria o nell’individuazione di polveri vulcaniche.

Lo strumento può operare in due modalità: Full Disc Scanning Service (FDSS), in grado di scansionare l’intero disco terrestre in 10 minuti, o Rapid Scanning Service (RSS), in grado di scansionare la regione europea ogni 2,5 minuti.

La combinazione di diversi canali permette di ricavare informazioni sulle masse d’aria, sulla convezione, la polvere e caratterizzandone il tipo, le nuvole e la loro altezza, tipo e trasparenza, lo stato dell’acqua nelle nuvole (ghiaccio o in forma liquida), la presenza di incendi e la quantità di ozono.

Lightning Imager (LI)

Un altro innovativo strumento a bordo – e per la prima volta utilizzato in Europa – è il Lightning Imager, in grado di monitorare continuamente l’84% del disco terrestre con una risoluzione di 4,5 kHz e individuare i fulmini che si sviluppano tra due nuvole, all’interno di una nuvola o tra una nuvola e il suolo. Sebbene non sarà possibile capire quale di questi eventi venga registrato, è importante sottolineare come solo il 5% di tutti i fulmini raggiunga il terreno, rendendo il restante 95% molto difficile da monitorare. Una diretta conseguenza dei dati prodotti si avrà nel settore aereo: le torri di controllo e i piloti potranno avere informazioni tempestive e puntuali sul numero di fulmini che si sviluppano lungo il percorso di volo, adottando eventuali correzioni o spostamenti nel decollo. La sensibilità dello strumento è così elevata che sarà in grado di rilevare i fulmini anche durante il giorno, permettendo di ampliare enormemente i dati a disposizione anche per una maggior comprensione del fenomeno.

Su di una struttura comune sono montati quattro identici telescopi, ognuno dei quali osserva un quarto del disco terrestre. La banda spettrale è molto stretta e centrata intorno a 777 nm con una risoluzione di 10 km. Le immagini vengono acquisite con una frequenza di 1 kHz e processate direttamente a bordo per eliminare il rumore di fondo che viene registrato. Lo strumento sarà complementare al Geostationary Lightning Mapper (GLM) del NOAA a bordo di GOES-R e GOES-S e sui Lightning Mapper a bordo della serie FengYun della Cina. Il sensore è stato sviluppato da Leonardo in Italia.

Impatti sull’economia e utilizzo dei satelliti

L’importanza di previsioni più accurate si riflette direttamente anche in termini economici: inondazioni, ondate di calore e temporali violenti hanno causato circa 500 miliardi di euro di danni negli ultimi 40 anni e il trend non pare in diminuzione, a causa della difficoltà nell’affrontare il cambiamento climatico. In questi casi, un’allerta diramata alle autorità con un giorno di preavviso può ridurre i danni economici del 30%.

Da quando le previsioni meteorologiche hanno iniziato a sfruttare i dati scientifici il margine di errore si è ridotto notevolmente, tanto da permettere agli esperti di avere indicazioni sul meteo anche a 4 o 5 giorni. Oggi oltre il 95% delle oltre 40 milioni di osservazioni processate ogni giorno proviene dai satelliti, che complessivamente hanno permesso di ridurre del 64% gli errori nelle previsioni ad un giorno. Il guadagno in termini economici è stimato fino a 61 miliardi di euro ogni anno, dal momento che circa un terzo dell’economia europea è weather-sensitive.

Piani futuri

Nonostante la terza generazione di satelliti sia appena stata messa in orbita e manchino da lanciare ancora 5 esemplari, EUMETSAT è già al lavoro per lo sviluppo della quarta generazione. Come detto in apertura abbiamo avuto la possibilità di intervistare Paolo Ruti, chief scientist di EUMETSAT. Una delle prime cose evidenziate da Ruti è come la progettazione della futura generazione sia già in atto: le previsioni indicano i prossimi lanci intorno al 2040, con la costruzione dei satelliti che inizierà qualche anno prima. Tra i principali fattori di impatto sulle tempistiche figura la prontezza tecnica degli strumenti da installare sui satelliti, meglio conosciuta in ambito tecnico come TRL (technical readiness level): il passaggio da un livello di TRL basso (tecnologia prototipale testata solo su piccole scale) ad uno alto (tecnologia matura e pronta ad essere utilizzata nello spazio) richiede circa 6–7 anni.

Questa difficoltà di natura prettamente tecnica deriva anche dalla necessità di prevedere le necessità del mercato e delle aziende meteorologiche in un orizzonte temporale così lungo. In base all’esperienza di Ruti, questo è un lavoro che viene portato avanti così in sinergia con le parti interessate da essere definito dallo stesso Ruti “scienza ibrida”, ovvero scienza con una particolare attenzione all’operatività. Questo fatto deriva anche dall’enorme ritorno economico che si registra nell’ambito spaziale: per ogni euro speso se ne recuperano sulla Terra ben sette, senza contare i contributi in termini vite salvate. Rimanendo in ambito economico, EUMETSAT ha partecipato economicamente ai primi tre satelliti e al loro mantenimento durante i 10 anni di vita operativa prevista con circa un miliardo di euro.

In termini di ricadute pratiche, uno degli esempi presentati durante la diretta pre lancio ha riguardato i pescatori del Lago Vittoria, in Africa: un sensibile miglioramento delle previsioni a breve termine (nowcasting) porterà a migliori decisioni sui periodi di uscita per la pesca. Il collegamento geografico non è casuale: sempre Ruti continua affermando che MTG-I1 servirà anche le zone dell’Africa, con le quali EUMETSAT ha stretto un accordo di collaborazione.

Fonte: ESA, Wikipedia.