Dopo aver superato di 18 mesi la durata prevista di tre anni, la missione Aeolus dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) giungerà al termine nel corso dei prossimi mesi. La missione aveva lo scopo di raccogliere informazioni sui venti terrestri, per migliorare la precisione dei modelli di previsione meteorologica e aiutare la comprensione delle dinamiche tropicali e dei processi rilevanti per la variabilità climatica.
I due principali fattori che hanno portato a questa scelta sono le scarse riserve di carburante necessarie per il mantenimento dell’assetto, lo svolgimento di manovre di evasione per impedire collisioni con detriti spaziali e l’aumento dell’attività solare, che influendo sulla densità dell’atmosfera causa un aumento dell’attrito e quindi un maggior consumo di combustibile.
Il satellite rientrerà nell’atmosfera seguendo un protocollo studiato da scienziati e ingegneri nel corso degli anni. Non è ancora stata comunicata una data precisa per il rientro, che avverrà comunque sopra aree disabitate. Fino al 30 aprile continueranno però le normali operazioni di raccolta dei dati, che rimarranno poi disponibili a chiunque.
Il satellite
La costruzione del satellite è stata affidata ad Airbus ed è stata segnata da alcune difficoltà relative all’unico strumento in dotazione: un LIDAR. Si trattava infatti di una tecnologia mai applicata prima per lo studio dei venti, un fenomeno altamente dinamico e poco visibile, rendendo necessari diversi anni di studi e progettazioni, oltre che di tentativi falliti.
In generale un lidar sfrutta lo scattering della luce e l’effetto Doppler per ottenere dei dati. Nel caso di Aeolus un breve ma intenso raggio luminoso veniva emesso da un laser verso l’atmosfera, che lo rifletteva nuovamente verso il satellite: tramite l’analisi del tempo impiegato per compiere questo percorso è possibile determinare l’altitudine del satellite al di sopra dell’atmosfera e quindi dalla Terra.
È anche possibile misurare la velocità del vento: il raggio infatti viene diffuso dalle particelle che compongono l’atmosfera e che sono dotate di una propria velocità, che determina quindi un piccolo, ma rilevabile, spostamento nella lunghezza d’onda del segnale ricevuto, il cosiddetto effetto Doppler.
L’unico strumento di Aeolus si chiama Aladin (Atmospheric Laser Doppler Instrument) ed è composto da due laser negli ultravioletti, un telescopio e un sensore per la ricezione del segnale. La scelta della regione ultravioletta, a 355 nm, è dovuta al fatto che le molecole dell’atmosfera che diffondono la luce hanno un picco a questa lunghezza d’onda e conseguentemente un segnale più forte.
Il laser utilizzato è in verità un sistema molto complesso, costituito da due laser per correggere la frequenza dei raggi emessi, uno per la effettiva emissione, due amplificatori e un sistema di cristalli per la selezione della corretta lunghezza d’onda.
Il telescopio in dotazione ad Aeolus è stato puntato a 35° al di fuori del piano orbitale: in questo modo è stato possibile ricevere e trasmettere la luce che proveniva perpendicolarmente alla direzione del moto del satellite e determinare quindi la componente orizzontale est-ovest dell’atmosfera. Ha un diametro di 1,5 m e, nonostante la grandezza non trascurabile, ha un peso di 55 kg, raggiunto grazie all’utilizzo di un particolare materiale ceramico.
La luce raccolta dal telescopio veniva poi inviata a due sensori in grado di misurare lo scattering di Rayleigh, dovuto alle molecole, e lo scattering di Mie, prodotto da aerosol e gocce d’acqua.
Orbita
Il satellite è stato lanciato il 22 agosto 2018 a bordo di un razzo Vega dalla Ariane Launch Area 1 del centro spaziale Kourou, nella Guyana Francese. Il vettore ha immesso Aeolus in un’orbita eliosincrona di tipo tramonto-alba a 320 km di altitudine dalla Terra: questa quota, un centinaio di chilometri inferiore a quella della Stazione Spaziale Internazionale (ISS), è stata scelta come compromesso tra efficacia e qualità nei dati raccolti e utilizzo di combustibile per il mantenimento dell’orbita, a causa del drag atmosferico non trascurabile.
La scelta di un’orbita eliosincrona di tipo tramonto-alba ha permesso di avere stabilità termica per il satellite e la massima illuminazione da parte del Sole sulle aree sorvolate da Aeolus, che attraversava l’equatore alle 06:00 e alle 18:00 locali di ogni giorno.
La mappatura completa della Terra avveniva in una settimana, con i dati scaricati ogni orbita presso una stazione situata nelle isole Svalbard, in Norvegia. Lì venivano analizzati ulteriormente e poi inviati ai principali centri metereologici europei, tra cui l’European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), Météo-France, UK Met Office, Deutscher Wetterdienst (DWD), e il National Centre for Medium Range Weather Forecasting (NCMRWF) indiano.
Contributi
Con un impatto economico stimato in oltre 3,5 miliardi di euro, che hanno spinto ESA a finanziare una seconda missione per il prossimo decennio chiamata Aeolus-2, il satellite si è rivelato fondamentale durante il periodo dei lockdown dovuti alla pandemia da coronavirus. Con i regolari voli di ricognizione e acquisizione dei dati costretti a Terra, Aeolus ha contribuito a fornire informazioni previsioni ai centri meteorologici europei e mondiali, che hanno integrato i dati del satellite dopo due anni di test e calibrazioni.
Nonostante non fosse progettata per studiare in dettaglio uragani e cicloni tropicali, a differenza della costellazione TROPICS della NASA, le osservazioni di Aeolus potrebbero aiutare gli scienziati nelle loro previsioni.
Aeolus si è rivelato fondamentale anche per lo studio delle polveri prodotte dalle eruzioni vulcaniche, come quella di Hunga Tonga nel gennaio 2022 oppure quella di Raikoke del giugno 2019, che permise l’osservazione di un nuovo fenomeno atmosferico. Lo studio del movimento di questi eventi ha anche ripercussioni sulla gestione del traffico aereo, fortemente influenzato dalle eruzioni vulcaniche.
Sul lato prettamente ingegneristico, invece, le conoscenze acquisite nella progettazione, sviluppo e gestione del lidar saranno utilizzate per la missione EarthCARE, collaborazione di ESA e JAXA che avrà a bordo un simile strumento. EarthCARE verrà lanciata non prima del marzo 2024 da un razzo Vega-C, il successore di Vega.
Obiettivi e motivazioni sulla scelta della missione
Il motivo principale per cui è stata progettata Aeolus è stato la necessità per meteorologi e scienziati di disporre di osservazioni dettagliate in tempo quasi reale della situazione globale dei venti a diverse scale. Questa necessità si collega direttamente al miglioramento dei modelli numerici utilizzati per le previsioni meteorologiche.
Aeolus è stato quindi costruito per mappare soprattutto le zone in cui le osservazioni da Terra sono scarse o assenti. Prima di questa missione le osservazioni più dirette possibili erano fornite da radiosonde lanciate quotidianamente dalle stazioni meteorologiche localizzate nell’emisfero boreale, limitando così le informazioni da aree remote come oceani, tropici e in generale l’emisfero australe.
Oltre a sopperire a questa mancanza, Aeolus ha misurato misurato il profilo globale dei venti fino a un’altitudine di 30 km, misurato il vento con una precisione di 1 m/s fino a 2 km di quota e di 2 m/s fino a 16 km, determinato la velocità media su tratti di 100 km di lunghezza e misurato 100 profili dei venti ogni ora.
L’importanza del profilo globale dei venti non aiuta solo le previsioni a corto e medio termine, ma anche a capire come umidità, pressione, temperatura e venti sono collegati tra di loro, oltre che a fornire informazioni su come i venti influenzino lo scambio di calore e umidità tra la superficie e l’atmosfera.
Fonti: ESA, ESA – Lasers in space, ESA – Aeolus satellite, ESA – Measuring winds
