1 LA LUNA E LE MICROONDE.

Transcript

1 PREFAZIONE. In armonia con gli obiettivi strategici definiti nel Piano Aerospaziale Nazionale (PASN), l ASI ha recentemente avviato la fase di attuazione delle linee programmatiche in esso individuate, rivolgendosi alla comunità scientifica ed industriale nazionale, con particolare riferimento alle PMI, agli enti istituzionali e di ricerca, alle università. A tale scopo ha preparato una richiesta di offerta relativa all affidamento di studi e progetti preliminari. ASI intende affidare studi per la definizione di un programma nazionale di esplorazione lunare mirato al raggiungimento di precisi obiettivi scientifici. Nell ambito dell esplorazione del sistema solare, l ASI intende elaborare una Vision per l esplorazione della Luna a partire dal 2011, quale tassello italiano nel contesto internazionale della Exploration. Tale Vision, denominata Italian Vision for Moon Exploration, è basata su tre obiettivi: 1. Lo studio della Luna; 2. L utilizzo della Luna come piattaforma di osservazione dell Universo; 3. L utilizzo della Luna come piattaforma di osservazione della Terra; Una intensa ricerca bibliografica ha evidenziato come per i primi due punti la letteratura presenti diversi risultati relativi ad esperimenti e speculazioni teoriche, mentre il terzo obiettivo è rimasto finora completamente inesplorato. 4

2 PREFAZIONE Il presente lavoro rappresenta proprio uno studio di tradeoff sull osservazione della Terra nelle microonde da stazioni poste sulla superficie lunare (Moon-based). Obiettivo dello studio è stato evidenziare le prestazioni ottenibili mediante antenne multiple, localizzate in più punti della superficie lunare e puntabili in maniera sincronizzata con la dinamica della Luna rispetto alla Terra, ai fini dell osservazione ad altissima risoluzione della superficie terrestre. Il punto di partenza è stato l analisi del moto relativo Terra-Luna in maniera tale da individuare le caratteristiche della piattaforma Luna nell osservazione della Terra. Si è dunque proposto come strumento di osservazione un radar ad apertura sintetica interferometrico, tale scelta nasce dalla possibilità di sintetizzare antenne molto lunghe a partire dalle caratteristiche del moto relativo Terra-Luna e di fissare sulla superficie lunare baseline di centinaia di chilometri assolutamente stabili e misurabili con precisione non ottenibile in volo, da cui poter ricavare misure di elevatissima accuratezza. Lo studio ha inoltre evidenziato, attraverso una opportuna analisi di sensibilità, come le prestazioni ottenibili, siano migliori di quelle raggiungibili in altro modo (ad esempio attraverso satelliti in LEO/GEO). Particolare attenzione è stata infine rivolta alla stima delle esigenze energetiche, tecnologiche, di processamento del segnale e ai problemi di coerenza. Attraverso una attività di simulazione si è individuata la configurazione migliore per il sistema e si è eseguito un dimensionamento di massima della futura missione, denominata LUNA ROSSA (LUNAR Observatory System for SAr remote sensing), individuandone come migliore applicazione lo studio di complessi processi di dinamica crostale per la previsione e gestione di terremoti e disastri naturali. 5

3 1 LA LUNA E LE MICROONDE. 1.1 Introduzione. Per l osservazione della Luna, sia da Terra che da orbita lunare, si sono storicamente preferiti, per la loro relativa semplicità implementativa, strumenti elettroottici. Anche se diverse sono state le applicazioni di strumenti a microonde per il telerilevamento della Luna [1], si è trattato sempre di esperimenti specifici a copertura temporale e spaziale molto limitata, imbarcati su missioni di carattere molto più generale. Non è mai stata realizzata alcuna missione specificamente rivolta al telerilevamento della Luna, nelle microonde, da orbita lunare, ne tanto meno è stata mai utilizzata la Luna come piattaforma per l osservazione radar della Terra. Studi teorici risalenti agli anni 60 e recentemente rispolverati riguardano inoltre lo sfruttamento del lato oscuro della Luna come finestra privilegiata per l osservazione ottica e radio dell Universo [35]. 1.2 Telerilevamento delle Luna nelle microonde da orbita lunare. La tabella 1.1 riporta i principali esperimenti radar effettuati da orbita lunare [1], di seguito brevemente descritti. 6

4 Missione Ranger 3 (USA ) Lunar Orbiter (USA ) Apollo 14 (USA ) Apollo 15 (USA -1971) Apollo 17 (USA ) Clementine (USA ) Clementine (USA ) Lunar Prospector (USA ) Chang e 1 (Cina - lancio previsto fine 2007) Selene (Giappone - lancio previsto fine 2007) Esperimento Radar altimetro Selenodesia Osservazione radar bistatica Osservazione radar bistatica e Selenodesia Lunar Sounder Osservazione radar bistatica Selenodesia Selenodesia Radiometro nelle microonde Very Long Baseline Interferometry Tabella 1.1 : Esperimenti radar effettuati da orbita lunare (NSSDC Nasa) Ranger 3 Radar altimetro. La sonda era stata progettata per trasmettere immagini (nello spettro visibile) della superficie lunare prima di impattare su di essa. Il radar altimetro avrebbe dovuto controllare l'accensione dei retrorazzi, oltre ad effettuare misure di riflettività radar del suolo. Lo strumento era un pulse radar con una potenza di picco variabile tra 150 e 400 W. La frequenza centrale era 9400 MHz, con una PRF di pulsi per secondo. L ampiezza di banda del ricevitore era compresa tra 12 e 16 MHz. La noise figure del ricevitore era db. L ampiezza del beam d antenna era 4.5 gradi. Una serie di malfunzionamenti ha decretato il fallimento completo della missione. 7

5 Figura 1.1: Ranger 3. Lunar Orbiter Selenodesia. L esperimento aveva come obiettivo lo studio delle caratteristiche del campo gravitazionale lunare attraverso il tracking continuo dell'orbiter da Terra e l'analisi del segnale di ritorno in termini di misure di range e spostamento Doppler. La trasmissione avveniva in banda S (2295 MHz) attraverso una antenna omnidirezionale a basso guadagno e per mezzo di un trasmettitore a 0.5 W. Il tracking ha evidenziato tutta una serie di perturbazioni gravitazionali agenti sull'orbiter, ciò è indice di una distribuzione di massa lunare tutt'altro che uniforme. Figura 1.2: Lunar Orbiter. Apollo 14 e Apollo 15 Osservazione radar bistatica. Il modulo di comando e servizio dell Apollo (CSM) veniva riorientato per dirigere la sua antenna, normalmente usata per le telecomunicazioni, verso un area di circa 5-10 km di diametro sulla superficie della Luna. I segnali riflessi era ricevuti a Terra in maniera tale da preservare informazioni di frequenza, 8

6 fase, polarizzazione e ampiezza, così da ricavare dati sulla costante dielettrica, la pendenza media, la densità, la rugosità su piccola scala e infine su rocce racchiuse fino a 20 metri di profondità. La trasmissione avveniva in banda S (13 cm) per mezzo di una antenna ad alto guadagno consistente in 4 dischi parabolici da 79 cm di diametro montati su un boom fuoriuscente dal modulo di servizio. Figura 1.3: foto dell'apollo 15. Apollo 17 Lunar Sounder. È stato l unico radar ad apertura sintetica applicato al telerilevamento della Luna da orbita lunare. L esperimento aveva i seguenti obiettivi: 1. Mappare la conducibilità elettrica degli strati sottostanti la superficie per ricavare informazioni sulla struttura geologica. 2. Costruire profili di superficie per determinare variazioni topografiche. 3. Produrre immagini della superficie lunare. Il SAR operava a lunghezze d onda di 60 m, 20 m, 2 m (5, 15, 150 MHz). I dati furono registrati in un formato SAR convenzionale e poi processati a Terra. Il sistema HF-1 (5 MHz) era in grado di andare più in profondità rispetto agli altri. Il sistema HF-2 (15 MHz) aveva un parziale overlap con il precedente che consentiva l impiego di tecniche interferometriche. Il sistema VHF (150 MHz) 9

7 infine era utilizzato per sondaggi poco profondi e per ottenere immagini della superficie. I due sistemi HF utilizzavano la stessa antenna, il VHF una distinta. Si ottennero buoni profili di superficie e nuovi dati sulle caratteristiche del sottosuolo. Clementine Osservazione radar bistatica. Si fece uso dell equipaggiamento di trasmissione radio montato a bordo della sonda al fine di ricercare ghiaccio nei crateri polari permanentemente in ombra. Il segnale era trasmesso dalla sonda in direzione di un preciso target e poi i ritorni erano ricevuti a Terra. Dall analisi dei ritorni si poteva risalire a informazioni sul target superficiale. Proprietà del segnale radio riflesso di particolare interesse per la ricerca di ghiaccio d acqua e componenti volatili frozen sono: l ampiezza dell echo e il senso di polarizzazione. Infatti l ampiezza del ritorno è più alta per i componenti volatili frozen rispetto alle tipiche rocce di silicio. Inoltre il ghiaccio volatile tende a preservare l originale senso circolare di polarizzazione nel segnale riflesso. Infine si può valutare il coherent backscatter opposition effect, quando l angolo tra sonda, target e ricevitore tende a zero, al fine di individuare centri di scattering intrappolati nel ghiaccio. Il segnale trasmesso era in banda S per mezzo di un antenna di 1.1 metri ad alto guadagno, non era modulato e aveva polarizzazione circolare righthand. La frequenza era di GHz (13.19 cm) e la potenza di circa 6 Watts. L antenna ad alto guadagno aveva una apertura a 3 db di circa 4. I ritorni furono ricevuti a Terra attraverso le antenne del Deep Space Network (DSN) a Goldstone (USA), Madrid (Spagna) e Canberra (Australia). Esperimenti radar bistatici furono eseguiti sia per il polo nord che per quello sud. I risultati hanno evidenziato un significativo ritorno di polarizzazione right-hand circolare, oltre a coherent backscatter opposition effect in alcune orbite sul polo sud, ciò potrebbe indicare la presenza di ghiaccio d acqua misto a suolo e polveri. 10