Panoramica
Anche se si basano su due tipi fondamentalmente diversi di trasmissione delle onde, Radio Detection And Ranging (RADAR) e Sound Navigation and Ranging (SONAR) sono entrambi sistemi di rilevamento a distanza con importanti applicazioni militari, scientifiche e commerciali. RADAR invia onde elettromagnetiche, mentre SONAR attivo trasmette onde acustiche (cioè, suono). In entrambi i sistemi queste onde restituiscono echi da certe caratteristiche o obiettivi che permettono la determinazione di importanti proprietà e attributi dell’obiettivo (cioè, forma, dimensione, velocità, distanza, ecc.). Poiché le onde elettromagnetiche sono fortemente attenuate (diminuite) in acqua, i segnali RADAR sono per lo più utilizzati per osservazioni a terra o in atmosfera. Poiché i segnali SONAR penetrano facilmente nell’acqua, sono ideali per la navigazione e la misurazione sott’acqua.
Sfondo
Per centinaia di anni, sono stati utilizzati dispositivi di ascolto subacqueo non meccanici (tubi di ascolto) per rilevare il suono in acqua. Già nel 1882, il fisico svizzero Daviel Colladen tentò di calcolare la velocità del suono nelle profondità note del lago di Ginevra.
Sulla base della fisica della trasmissione del suono articolata dal fisico inglese del XIX secolo Lord Rayleigh (1842-1914) e dell’effetto piezoelettrico scoperto dallo scienziato francese Pierre Curie (1509-1906) nel 1915, il fisico francese Paul Langevin (1872-1946) inventò il primo sistema progettato per utilizzare le onde sonore e gli echi acustici in un dispositivo di rilevamento subacqueo. Sulla scia del disastro del Titanic, Langevin e il suo collega Constantin Chilowsky, un ingegnere russo che allora viveva in Svizzera, svilupparono quello che chiamarono un “idrofono” come meccanismo per le navi per rilevare più facilmente gli iceberg (la maggior parte di qualsiasi iceberg rimane sotto la superficie dell’oceano). Sistemi simili vennero immediatamente utilizzati come aiuto alla navigazione subacquea dai sottomarini.
Il miglioramento dell’elettronica permise la produzione di dispositivi di ascolto e di registrazione notevolmente migliorati. Poiché il SONAR passivo non è essenzialmente altro che un elaborato dispositivo di registrazione e amplificazione del suono, questi sistemi soffrivano perché dipendevano dalla forza del segnale sonoro proveniente dall’obiettivo. I segnali o le onde ricevute potevano essere tipizzati (cioè, legati a specifici obiettivi) per identificare le caratteristiche. Anche se nelle mani di un operatore abile ed esperto si potevano avere risultati abbastanza buoni, le stime della distanza, del rilevamento e del movimento relativo dei bersagli erano molto meno precise e accurate dei risultati ottenuti dai sistemi attivi, a meno che i bersagli fossero molto vicini o facessero molto rumore.
La minaccia della guerra sottomarina durante la prima guerra mondiale rese urgente lo sviluppo del SONAR e di altri mezzi di rilevamento dell’eco. Lo sviluppo del trasduttore acustico che converte l’energia elettrica in onde sonore ha permesso i rapidi progressi nel design e nella tecnologia SONAR durante gli ultimi anni della guerra. Anche se il SONAR attivo fu sviluppato troppo tardi per essere messo alla prova durante la prima guerra mondiale, la spinta per il suo sviluppo raccolse enormi dividendi tecnologici. Non tutti i progressi, tuttavia, furono limitati all’uso militare. Dopo la guerra, i dispositivi di eco-suono furono collocati a bordo di molti grandi transatlantici francesi.
Durante le prime battaglie della seconda guerra mondiale, il Comitato britannico di investigazione e rilevamento antisommergibile (il suo acronimo, ASDIC, divenne un nome comunemente applicato ai sistemi SONAR britannici) fece sforzi per equipaggiare ogni nave della flotta britannica con dispositivi di rilevamento avanzati. L’uso dell’ASDIC si rivelò fondamentale nello sforzo britannico di respingere i dannosi attacchi dei sottomarini tedeschi sia contro le navi da guerra britanniche che contro le navi mercantili che mantenevano la nazione insulare rifornita di munizioni e cibo.
Mentre gli sviluppi SONAR del ventesimo secolo procedevano, un altro sistema di telerilevamento fu sviluppato sulla base della migliore comprensione della natura e della propagazione della radiazione elettromagnetica raggiunta dal fisico scozzese James Clerk Maxwell (1831-1879) durante il diciannovesimo secolo.
Negli anni ’20 e nei primi anni ’30, il fisico e meteorologo scozzese Sir Robert Alexander Watson-Watt (1892-1973) utilizzò con successo le trasmissioni radio a onde corte per rilevare la direzione dei temporali in arrivo. Un’altra tecnica usata da Watson-Watt e dai suoi colleghi della British Radio Research Station misurava l’altitudine della ionosfera (uno strato dell’atmosfera superiore che può agire come un riflettore radio) inviando brevi impulsi di onde radio verso l’alto e poi misurando il tempo necessario ai segnali per tornare alla stazione. Poiché la velocità delle onde radio era ben stabilita, le misurazioni fornivano determinazioni molto accurate dell’altezza dello strato riflettente.
Nel 1935, Watson-Watt ebbe l’idea geniale di combinare queste tecniche di rilevamento della direzione e della distanza e, così facendo, inventò il RADAR. Watson-Watt costruì il suo primo dispositivo RADAR pratico a Ditton Park.
Quasi immediatamente, i funzionari del Royal Air Ministry chiesero a Watson-Watt se il suo apparecchio potesse avere il potenziale di danneggiare o abbattere gli aerei nemici. Watson-Watt rispose che le trasmissioni di onde radio erano troppo deboli per raggiungere questo scopo. Nonostante ciò, suggerì ai funzionari del Ministero che il rilevamento radio era fattibile. Nel 1935, Watson-Watt scrisse una lettera intitolata “Detection and Location of Aircraft by Radio Methods”. Watson-Watt espose attentamente che la lettura del debole segnale di ritorno da un aereo avrebbe posto una sfida ingegneristica molto più grande di quella incontrata nei suoi esperimenti meteorologici. Il segnale inviato doveva essere più di cento volte più energico. Inoltre, sarebbe stato necessario fabbricare un ricevitore e un’antenna più sensibili.
Poco tempo dopo, senza il beneficio di una prova, Watson-Watt e gli scienziati del ministero hanno condotto un esperimento per testare la fattibilità del RADAR. L’apparato di Watson-Watts fu trovato in grado di illuminare (cioè, rilevare) gli aerei ad una distanza fino a 8 mi (13 km). Nel giro di un anno, Watson-Watt migliorò i suoi sistemi RADAR in modo da poter rilevare gli aerei a distanze fino a 70 mi (113 km). La Gran Bretagna prima della guerra mise rapidamente l’invenzione di Watson-Watt a uso militare e alla fine del 1938 sistemi RADAR primitivi punteggiavano la costa inglese. Queste stazioni, in grado di rilevare gli aerei indipendentemente dalle nebbie o dalle nuvole, avrebbero giocato un ruolo importante nel rilevamento di aerei nazisti in avvicinamento durante la seconda guerra mondiale.
Lo sviluppo del RADAR non era la provincia esclusiva degli inglesi. Allo scoppio della seconda guerra mondiale tutti i principali combattenti avevano sviluppato una qualche forma di sistema RADAR. Su molti fronti le battaglie erano spesso influenzate da drammatici giochi di superiorità scientifica e tecnica in quella che il primo ministro britannico Sir Winston Churchill chiamò la “guerra dei maghi”. Durante la guerra, Watson-Watt divenne uno di quei maghi, avendo assunto l’incarico di consigliere scientifico del Royal Air Ministry.
Per la fine della guerra le forze britanniche e americane avevano sviluppato un certo numero di tipi di RADAR e applicazioni, tra cui l’intercettazione aerea (AI), l’intercettazione aria-superficie (ASV), l’intercettazione controllata dal suolo (GCI), e vari RADAR per l’avvistamento e l’inseguimento dei cannoni.
A prescindere dalla loro applicazione, entrambi gli obiettivi RADAR e SONAR disperdono, deflettono e riflettono le onde in arrivo. Questa dispersione, tuttavia, non è uniforme – e nella maggior parte dei casi una forte eco dell’immagine si propaga di nuovo al trasmettitore del segnale, proprio come uno specchio liscio può riflettere la luce nella direzione speculare. La forza del segnale di ritorno è anche caratteristica del bersaglio e dell’ambiente in cui i sistemi stanno operando. Poiché sono radiazioni elettromagnetiche, le onde RADAR viaggiano attraverso l’atmosfera alla velocità della luce (in aria). Le onde SONAR (onde di compressione) viaggiano attraverso l’acqua ad una velocità molto più lenta: la velocità del suono. Misurando il tempo che i segnali impiegano per viaggiare verso il bersaglio e ritornare con gli echi, entrambi i sistemi RADAR e SONAR sono in grado di determinare con precisione la distanza dai loro obiettivi.
Nei loro rispettivi domini, sia RADAR che SONAR possono operare in modo affidabile in un’ampia varietà di condizioni avverse per estendere le capacità di rilevamento umano.
Impatto
Come risultato del successo bellico del RADAR, scienziati e ingegneri hanno rapidamente cercato nuove applicazioni per tali sistemi. I benefici per la scienza meteorologica erano evidenti.
La tecnologia RADAR sviluppata durante la prima guerra mondiale ebbe anche un impatto drammatico sulla nascente scienza della radioastronomia. Durante la guerra l’ufficiale britannico J.S. Hey determinò correttamente che il Sole era una potente fonte di trasmissioni radio. Hey lo scoprì mentre indagava sulle cause dell’inceppamento a livello di sistema della rete RADAR britannica che non poteva essere attribuito all’attività nemica (Hey attribuì l’emissione radio all’aumento dell’attività dei brillamenti solari). Sebbene tenute segrete durante la guerra, le installazioni e la tecnologia RADAR britanniche divennero i precursori dei moderni radiotelescopi, poiché registravano il rumore di fondo celeste mentre ascoltavano i segni rivelatori dell’attività nemica (ad esempio, gli attacchi dei razzi V-2).
Il credito storico dato alla risolutezza e all’impatto della guerra guidata da Churchill rimane fortemente dibattuto. Churchill stesso ha descritto la Battaglia d’Inghilterra come una battaglia combattuta e vinta in modo decisivo con “occhi e orecchie”. Indipendentemente da ciò, è indiscutibile che i dispositivi di telerilevamento e le reti RADAR (chiamate Catena Alta e Catena Bassa) impiegate dagli inglesi permisero ai comandanti britannici di concentrare più efficacemente le loro forze con meno armi e più uomini contro l’assalto aereo nazista.
Ironicamente, la seconda guerra mondiale ha indotto miglioramenti nella tecnologia SONAR che ha gettato le basi per lo sviluppo di procedure mediche non invasive come gli ultrasuoni nell’ultima metà del ventesimo secolo. Le tecnologie e le tecniche di telerilevamento basate sui segnali sonori ed elettromagnetici divennero potenti strumenti medici che permisero ai medici di fare diagnosi accurate con una minima invasione del paziente.
Gli strumenti di telerilevamento come RADAR e SONAR permettono anche a scienziati, geologi e archeologi di mappare la topografia e le caratteristiche del sottosuolo sulla Terra e sugli oggetti del sistema solare. Le letture SONAR hanno portato a progressi nella sismografia subacquea che ha permesso la mappatura dei fondali oceanici e l’identificazione di risorse minerali ed energetiche.
I sistemi RADAR sono componenti critici del moderno sistema di navigazione aerea commerciale. Un’invenzione britannica del tempo di guerra, l’Identification Friend or Foe (IFF) RADAR, usato per identificare ed etichettare univocamente gli aerei, rimane una componente importante nel sistema di controllo del traffico aereo.
K. LEE LERNER
Altre letture
Libri
Cox, A.W. Sonar and Underwater Sound. Lexington, MA: Lexington Books, 1974.
Heppenheimer, T.A. Anti-Submarine Warfare: The Threat, The Strategy, The Solution. Arlington, VA: Pasha Publications Inc, 1989.
Holmes, J. Diagnostic Ultrasound: Prospettiva storica. Mosby, 1974.
Comitato di ricerca della difesa nazionale. Principi e applicazioni del suono subacqueo. Washington, D.C., 1976.
Rowe, A. One Story of Radar. Cambridge, Inghilterra: Cambridge University Press, 1948.
Watson-Watt, R.A. Three Steps to Victory. Odhams Press, 1957.