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ECOSTRESS, come si rilevano le isole di calore terrestri

Lo strumento sulla stazione spaziale internazionale ha documentato come le superfici naturali e costruite hanno risposto al caldo record e al cambiamento climatico in maniera differente

Categorie Agenzie spaziali · Come funziona · SpaceMix

Lo strumento di misura della temperatura ECOSTRESS installato sulla Stazione Spaziale Internazionale, ha catturato le recenti temperature estreme della superficie terrestre per alcune città europee, tra cui Milano, Parigi e Praga. I nuovi dati forniscono informazioni geospaziali utili per mitigare gli effetti delle ondate di calore e pianificare la gestione delle risorse idriche in modo più efficiente.

Come nasce ECOSTRESS

Il Jet Propulsion Laboratory della NASA, nel sud della California, ha costruito e gestisce la missione ECOSTRESS per la divisione di scienze della terra nella direzione della missione scientifica presso la sede della NASA a Washington. Lo strumento è stato lanciato sulla stazione spaziale nel 2018. La sua missione principale è identificare le soglie delle piante per l’uso di acqua e stress idrico, fornendo informazioni sulla loro capacità di adattarsi a un clima caldo. Tuttavia, ECOSTRESS è utile anche per documentare altri fenomeni legati al calore, come i modelli di assorbimento e ritenzione del calore.

ECOSTRESS sulla Stazione spaziale internazionale, Credits Nasa

Le questioni scientifiche

La missione cerca di capire se effettivamente

  • Il cambiamento nello stress idrico diurno della vegetazione influisce sul ciclo globale del carbonio
  • Come si comporta la biosfera terrestre nella disponibilità di acqua
  • La vulnerabilità dell’agricoltura può essere ridotta attraverso un monitoraggio avanzato del consumo idrico agricolo e una migliore stima della siccità

Le piante infatti regolano la loro temperatura rilasciando acqua attraverso minuscoli pori delle foglie chiamati stomi. Se hanno acqua a sufficienza possono mantenere la loro temperatura, ma se non c’è acqua sufficiente, la loro temperatura aumenta e questo aumento di temperatura può essere misurato con ECOSTRESS.

ECOSTRESS viene ispezionato dopo l'arrivo al Kennedy Space Center. Immagine completa e didascalia Credit: NASA
ECOSTRESS viene ispezionato dopo l’arrivo al Kennedy Space Center, Credit: NASA

L’indice di stress evaporativo

Uno dei prodotti principali realizzato dal team ECOSTRESS è l’indice di stress evaporativo (ESI). L’ESI è uno degli indicatori di siccità: può indicare che le piante siano stressate e che è probabile che si verifichi una siccità, fornendo la possibilità ai responsabili delle decisioni di agire. Gli scienziati possono calcolare la quantità di acqua che una pianta traspira, o rilascia nell’atmosfera, misurandone la temperatura. Più calda è la pianta, meno traspira e meno anidride carbonica sta digerendo.

ECOSTRESS: una mano all’agricoltura terrestre

La missione spaziale può fornire alle parti interessate dati cruciali per sapere quali colture coltivare in caso di siccità. Una volta che il radiometro inizia a fornire i dati, si possono iniziare ad assegnare alle piante l’indice di stress evaporativo. A volte l’ESI può indicare quanto è probabile che si verifichi una siccità e suggerire agli agricoltori di piantare una varietà più sostanziosa. Avendo dati più accurati possibili solo dallo spazio, gli scienziati sperano di dire quanta acqua è necessaria per tipo di pianta e la quantità di irrigazione necessaria per mantenere le piante sane ed aspirare anidride carbonica.

I risultati attraverso le foto

Le immagini di ECOSTRESS sono le più dettagliate immagini di temperatura della superficie mai acquisite dallo spazio e possono essere utilizzate per misurare la temperatura di un singolo campo di coltivatori! ECOSTRESS sfrutta l’orbita della stazione spaziale per ottenere misurazioni in diversi momenti della giornata, consentendoci di vedere come le piante rispondono allo stress idrico durante il giorno. Le immagini ad alta risoluzione, con una dimensione in pixel di circa 70 per 38 metri, sono un potente strumento per comprendere il nostro ambiente.

ECOSTRESS, Distribuzione temperatura della città di Milano 18 giugno 2022, Credits ESA/NASA/JPL
ECOSTRESS, Distribuzione temperatura della città di Milano 18 giugno 2022, Credits ESA/NASA/JPL
ECOSTRESS, Distribuzione temperatura della città di Parigi, Credits ESA/NASA/JPL
ECOSTRESS, Distribuzione temperatura della città di Parigi, Credits ESA/NASA/JPL

Il radiometro infrarosso termico di ECOSTRESS

L’ ECOSTRESS (ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer on Space Station), è munito di HyspIRI Thermal Infrared Radiometer (PHyTIR) installato sulla Stazione Spaziale Internazionale. Dall’altitudine di circa 400 chilometri, PHyTIR funziona misurando la radiazione emessa dalla superficie della Terra e fornisce dati con una risoluzione spaziale di 38 m in pista per 69 m di cross-track e sensibilità alla temperatura prevista di ≤0,1 K. In un tipico periodo di 24 ore, lo strumento analizza una media di 22 aree bersaglio ciascuna delle quali misura 400 per 400 chilometri per una durata da 1 a 11 minuti ciascuno.

Schema dello strumento ECOSTRESS  installato sulla Stazione Spaziale Internazionale, Credits NASA/JPL-Caltech
Schema dello strumento ECOSTRESS installato sulla Stazione Spaziale Internazionale, Credits NASA/JPL-Caltech

L’apparato ottico

ECOSTRESS utilizza uno specchio di scansione e il segnale ottico viene focalizzato da un telescopio sul piano focale di 65 K. Esso contiene un array di rilevatori a infrarossi personalizzati di mercurio-cadmio-tellururo (MCT). I filtri spettrali sul piano focale definiscono 5 bande spettrali nell’intervallo 8-12,5 μm e una banda aggiuntiva a 1,6 um per la geolocalizzazione e il rilevamento delle nuvole (sei bande in totale). Il piano focale è raffreddato da due criorefrigeratori commerciali Thales.

Apparato ottico ECOSTRESS, specchio di scansione, Credits NASA, JPL, Ecostress
Apparato ottico ECOSTRESS, specchio di scansione, Credits NASA, JPL, Ecostress

La realizzazione delle immagini

Lo specchio quindi si sposta avanti e indietro usando il movimento in avanti di la navicella spaziale per costruire un’immagine. L’immagine è di 400 chilometri di larghezza ad angolo retto rispetto alla direzione di volo. Il campo visivo dello strumento fornisce una copertura da 53,6 gradi sud latitudine a 53,6 gradi di latitudine nord attorno all’intera Terra. ECOSTRESS si trova in un’orbita di precessione, il che significa che acquisisce dati in diversi momenti della giornata consentendo di determinare come le piante rispondono allo stress idrico durante il giorno.

ECOSTRESS, Tir scanning scheme, Credits NASA, JPL, Ecostress
ECOSTRESS, Tir scanning scheme, Credits NASA, JPL, Ecostress

Come si generano i colori delle foto

Il rivelatore separa l’energia da cinque diverse lunghezze d’onda, o bande spettrali. Questo è possibile grazie a filtri all’interno del rivelatore, producendo così cinque colori di immagini separate per ogni punto per terra. I colori rappresentano l’intensità dell’infrarosso termico di radiazione emessa dalla superficie terrestre ad ogni lunghezza d’onda.

I risultati utili anche per l’ESA

Per l’Agenzia spaziale europea (Esa), questo particolare strumento è particolarmente importante perché aiuta nello sviluppo di un nuovo satellite Sentinel del programma Copernicus: la missione Land Surface Temperature Monitoring (Lstm). Esa utilizza di fatto ECOSTRESS per simulare i dati che verranno restituiti da Lstm, aiutando urbanisti e agricoltori. Le agenzie spaziali lavorano in stretto contatto anche per sfruttare al massimo la missione Surface Biology and Geology del Jpl.

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