Come dallo spazio si monitorano gli eventi di siccità

Con l'apposizione siccità del suolo si intende la mancanza o scarsezza di acqua negli strati più superficiali del terreno (fino a profondità di circa mezzo metro). Tuttavia, il grado di siccità di un terreno viene misurato indirettamente; si ottiene misurando piuttosto il suo livello di umidità: minore è l'umidità maggiore è il livello di siccità del terreno.

L’umidità del suolo (soil moisture in inglese) è un parametro estremamente importante, tanto da essere stato incluso tra le 55 variabili climatiche essenziali (ECV), cioè tra quelle grandezze che meglio di altre permettono in maniera critica di caratterizzare il clima terrestre.

La conoscenza dell'umidità del suolo è rilevante sia in agricoltura, poiché da essa dipende in maniera critica il benessere delle piante, ma anche in climatologia, poiché essa dà una misura delle conseguenze del cambiamento climatico.

Siccità o umidità del suolo in agricoltura

L’umidità del suolo è rilevante in agricoltura. Infatti, il benessere e la crescita delle piante (e dei loro frutti) dipende in modo critico dalla disponibilità di acqua nel terreno. Più precisamente, il benessere delle piante dipende dal bilancio tra la "domanda evapotraspirativa" e la "disponibilità idrica".

Per domanda evapotraspirativa si intende la quantità di acqua che la pianta perde sotto forma di vapore acqueo per traspirazione durante la giornata. Questa perdita è dovuta all’irraggiamento solare diretto, alla temperatura e umidità dell’aria, al vento, ed essa varia in base alle caratteristiche della pianta. La disponibilità idrica indica la quantità di acqua presente nel terreno.

Quando la domanda evapotraspirativa supera la disponibilità idrica, la pianta va in deficit traspirativo e, per proteggersi da eventuali danni alle proprie cellule, chiude gli stomi. Questi sono i fori nella pagina inferiore della foglia da cui esce il vapore, ma anche da cui entra l’anidride carbonica necessaria per la fotosintesi clorofilliana e quindi per la crescita della pianta e dei suoi frutti. In condizioni di deficit traspirativo la pianta smette di crescere, se non addirittura inizia a deperire.

Sulla base delle condizioni meteorologiche, conoscendo le caratteristiche della pianta, e conoscendo l'umidità del terreno, è possibile sapere se la pianta ha benessere o è in sofferenza, per cui bisogna irrigare.

Si può identificare, per ogni coltura, una “soglia di sicurezza” di umidità del suolo al di sotto della quale la pianta incorre nello stress traspirativo.

Siccità in climatologia

L’umidità del suolo è rilevante anche in meteorologia e climatologia. Infatti, l’umidità del suolo gioca un ruolo chiave negli scambi di acqua e calore tra terra e atmosfera, regolando temperatura ed umidità dell’aria.

Viceversa, l’umidità del suolo dipende dalle precipitazioni, dalla temperatura dell’aria, dal vento, … e quindi viene usata come indicatore climatico. La variazione a lungo termine dell’umidità del suolo, o se vogliamo della siccità, ci indica la direzione del cambiamento climatico. La direzione che si sta osservando è quella per cui vaste aree risultano caratterizzate da fenomeni sempre più frequenti di siccità.

Come si misura l’umidità del terreno

In passato, l’umidità del terreno veniva esclusivamente misurata “in situ” cioè localmente. Soprattutto in agricoltura, si utilizzano i tensiometri, strumenti dotati di una sonda che viene conficcata nel terreno a diverse profondità.

Oggi, alle misurazioni in situ si sono aggiunte quelle in remoto da satellite. Queste, per quanto abbiano una precisione inferiore, offrono il vantaggio di raggiungere tutti i punti della superficie terrestre fornendo dati omogenei e consistenti e quasi in tempo reale. Per la misura dell’umidità del terreno da satellite si sfruttano le microonde.

Che relazione ha l'umidità del terreno con le microonde

Tutti i corpi che ci circondano (pavimento, pareti, tavolo, penna, bicchiere, piante, …) sono visibili poiché riflettono la luce che li illumina. Al buio, quindi in assenza totale di illuminazione, sarebbero non visibili.

Tuttavia, gli stessi corpi emettono proprie radiazioni (elettromagnetiche) che noi non vediamo solo perché essi non sono sufficientemente caldi. A temperatura ambiente i corpi emettono prevalentemente radio e microonde, cioè radiazioni con frequenze comprese tra le decine di MegaHertz (milioni di Hertz) e i GigaHertz (miliardi di Hertz) che sono invisibili all’occhio.

Passando dalla temperatura ambiente a temperature di centinaia di gradi, i corpi iniziano ad emettere radiazione a frequenze sempre più alte fino a quando, a frequenze intorno alle centinaia di teraHertz (mille miliardi di Hertz) questa radiazione inizia ad essere visibile all’occhio (appare di colore rosso, come la lava calda o il ferro rovente, per intenderci).

Quindi, anche il terreno emette radiazione alle frequenze delle microonde. Sebbene queste radiazioni non siano visibili all’occhio, esse sono visibili dai satelliti che hanno a bordo radar per la rilevazione delle microonde.

Le molecole di acqua hanno la capacità di assorbire molto bene le microonde. Quando una microonda colpisce la molecola d’acqua questa viene assorbita dall’acqua la quale, assorbendo l’energia della microonda, si riscalda.

Misurazione "passiva" dell'umidità del terreno

Se il terreno è umido, cioè in esso è presente una certa quantità di acqua, le microonde emesse dal terreno vengono in parte assorbite dall’acqua in esso presente, e quindi un terreno umido emette in atmosfera meno microonde rispetto ad un terreno secco.

Lo strumento capace di misurare le microonde si chiama radiometro. Se con un satellite artificiale munito di radiometro si osserva la superficie terrestre, lì dove il terreno è asciutto il radiometro misurerà un flusso di microonde maggiore rispetto a dove il terreno è umido.

In questo modo, osservando il satellite tutta la superficie terrestre, gli scienziati riescono a misurare l’umidità del terreno in ogni punto della superficie e come questa cambia nel tempo.

Misurazione "attiva" dell'umidità del terreno

Ma esiste anche una tecnica “attiva” per misurare l’umidità del terreno, rispetto a questa “passiva” appena descritta. Nella tecnica “attiva” sul satellite è montato un radar che manda microonde sulla superficie terrestre. Lì dove il terreno è umido queste microonde vengono assorbite dall’acqua presente nel terreno, e quindi non tornano indietro; lì dove il terreno è asciutto, le microonde non vengono assorbite ma riflesse e tornano indietro.

Minore è la frequenza delle microonde più in profondità nel terreno si riesce a sondare. Ad esempio, satelliti con radar che emettono microonde intorno ai GHz riescono a misurare l’umidità entro i 5 cm di profondità; se si usano frequenze inferiori, sulle centinaia di MHz, si scende fino ai 50cm di profondità

Il satellite Sentinel-1 per la misura della siccità

Il satellite dell'ESA (agenzia spaziale europea) Sentinel-1 è costituito da una costellazione di due satelliti: Sentinel-1A e Sentinel-1B. Ciascun satellite compie un’intera mappatura della superficie terrestre mediamente in 12 giorni, ma combinando i dati dei due satelliti si ha una mappatura dell'intera superficie terrestre ogni 6 giorni. Tuttavia, a seconda della latitudine, le regioni più settentrionali vengono osservate con una frequenza maggiore, fino a mappature quotidiane verso i poli, mentre ogni 2 giorno alle latitudini dell’Europa.

Sui satelliti Sentinel-1 sono montati radar per la misura dell'umidità del terreno. I dati raccolti vengono resi pubblici rapidamente e utilizzabili, ad esempio in agricoltura, per valutare il benessere delle coltivazioni e, in caso, intervenire con irrigazioni. Ma questi satelliti permettono anche di mappare le aree inondate da alluvioni, esondazioni, e quindi permettono alle agenzie di protezione civile di poter intervenire nelle zone critiche.