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il legame : Mio altimetro
di venises , Wed 6 June 2007 9:00
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Altimétrie pour pas spécialistes

L'altimètre sur satellite est un radar. À premier vue le radar le plus simple qu'on puisse imaginer, vu qu'il se limite à la mesure de base du radar, celle du temps d’aller-retour de l'écho (il y a des radars qui mesurent la vitesse de la cible et autres choses compliquées).
Où est la complication, alors?
La première consiste dans le fait suivant: au contraire de tous les autres radars sur satellite, qui mesurent en regardant vers le côté, qui observent sans être remarqués, l'altimètre regarde son objet dans les yeux. Et cela change tout: au lieu de la 'réfraction' de son propre signal, l'altimètre récupère le rayon réfléchi. Et alors? Ce qui se passe est que la théorie traditionnelle ne marche plus, mais surtout que pour découvrir les informations recherchées, il ne faut jamais dévier le regard: le moindre mouvement et l'équilibre est rompu, le rayon réfléchi est contaminé par les rayons réfractés, plus forts mais sales et... la mesure échoue.
Combien faut-il être attentif? L’erreur peut atteindre, au maximum, 1 partie sur 900 de l'angle droit. Regarder droit, mais vraiment droit, dans les yeux ce qu'on tâche de découvrir, sans jamais hésiter, sans jamais détourner le regard - c'était la première complication, nous disions; enfin, c’est la complication simple.

La vraie complication consiste en effet dans la précision de la mesure.
L'altimètre mesure un temps, mais il doit y réussir avec une précision très élevée. L'ensemble de toutes les erreurs de mesure ne peut jamais dépasser 3 centièmes d'un milliardième de seconde (3 * 10-11 sec, pour les amateurs des mathématiques). C’est clair? Tout ensemble, ceci est le total.
Dans la conception de ces machines il faut tenir sous contrôle imperfections de l'ordre des millièmes de milliardième de seconde. Et l’histoire n'est pas encore terminée: en fait, combien est-elle précise, l'estimation d'un millième de milliardième de seconde? Comment faisons nous pour être sûrs de la valeur des contributions individuelles à l’erreur globale, comme pouvons-nous garantir, même avant que le satellite soit lancé, que la faute totale ne dépassera pas le seuil fatidique qui rendrait d’un coup le capteur inutile?
Pour dessiner une de ces implacables machines il faut se transformer, il faut accepter l'idée qu’il ne soit pas légitime de se tromper. Absolument pas, absolument jamais, même pas un tout petit peu. Il faut savoir qu'on n'a pas droit au pardon. C'est un peu comme manier la nitroglycérine tout le jour: si la main tremble un instant - peut-être par fatigue – tu sautes en l’air. Une distraction, peut-être une seule en dix ans, et tout part en fumée: rien n’est sauvé. Ce capteur, en fait, ne sert seulement que s'il est précis. Pourquoi ? Car il mesure la hauteur de la surface océanique en deux-points éloignés l’un de l’autre, disons, de 1000 km sur deux orbites consécutives ; chaque mesure est prise à distance d’environ deux heures: tout doit rester stable, absolument identique entre les deux mesures. Si on réussit à contrôler les inévitables imperfections du capteur alors une différence, disons d'un centimètre, entre les deux mesures (les centièmes de milliardième de seconde en temps) devient l’indication d’une masse d'eau gigantesque qui est en train de glisser sur la surface océanique en transportant avec elle une quantité formidable d'énergie – ce qu'en réalité nous voulons connaître et que nous ne pouvons seulement mesurer qu’indirectement.

Maintenant vous connaissez l'altimètre,: la version simple, plate.
Après, il y a la version compliquée, l'altimètre 'on the rocks'.
L’altimètre compliqué cherche à faire deux choses qui ne vont pas du tout ensemble.
Il tâche d’être en même temps précis et rapide. Doux mais énergique, léger mais violent. Il essaie d'ajouter, à la mesure de la surface océanique, la mesure des glaces polaires. Seulement, dans le cas des glaces polaires, la géométrie d’observation n’est pas la bonne, les variations sont violentes (plusieurs mètres au lieu de fractions de centimètre). On ne peut pas mesurer les kilomètres avec le même calibre, bien sûr il faudrait changer d’instrument de mesure, c’est clair. Pas possible: l'orbite de l'altimètre le mène au dessus des glaces, donc au lieu de ne rien lui faire faire, il vaut mieux lui faire mesurer aussi la glace. Et la géométrie, pour optimale ou inadaptée qu’elle soit, il faut s’en accommoder et se débrouiller. Et c’est alors que essayons de l’inventer, ce capteur deux-en-un.
L'altimètre sur satellite - dans la version 'on the rocks' - est le capteur - lui et lui seul - qui nous a permis d'établir si les calottes polaires sont en train de fondre ou pas. On ne sait pas comment les calottes polaires sont en train de se modifier et la transition de l’eau à la glace est justement la plus intéressante. Dommage que ce soit aussi le moment le plus difficile, celui dans lequel le fragile verre de cristal dans nos mains (passez-moi l'exemple un peu élémentaire), que nous ne pouvons pas serrer sans l’écraser, éclabousse sous l'action d'une force violente et soudaine. Mais c’est aussi le moment où notre étreinte doit être assez forte pour ne pas laisser échapper le verre. On ne doit pas se tromper: trop tôt et on brise le verre, on échoue dans la mesure de l'océan, trop tard et le verre c’est enfuit de nos main, on invalide la mesure de la glace. Comment peut-on passer de la douceur extrême à une si extrême violence ?
Comment fait-on? En omettant les détails techniques, la réponse est simple: en se convainquant de n’abandonner la partie pour aucune raison au monde. Même si on est convaincu qu’il n’est pas possible d’y arriver, que le problème est trop difficile, que sa solution n’existe simplement pas. Ne s’octroyer aucune trêve, se promettre qu'on ne lâchera jamais, jamais, jamais. La solution, c’est vrai, on la trouve en étudiant, en travaillant sur l'ordinateur, en utilisant pas mal des mathématiques, peut-être même de l’espèce plutôt compliquée; tout cela est vrai. Mais l'ingrédient essentiel n'est aucun de ces éléments. La solution arrive seule si on se bat au-delà des ses propres forces, seulement si on s'acharne, seulement si on ne s’accorde pas de trêve. C’est celui-là l’élément qui fait la différence – cela seulement.
Et la solution est arrivée, finalement, après un an d’enfer: tout d'un coup, le 25 avril de l'année dans laquelle Lorenzo naquit ; oui, je sais, il ne faudrait pas travailler dans les jours de fête. Mais sentir un intense plaisir est permis, n'est-ce pas?. Et du coup tu sais que tu y es, que ça marchera; et tu le sais parfaitement, tu en es absolument certain, tu le vois clairement devant toi, tu n'as pas besoin de demander à l'ordinateur de te le confirmer. Ce sont tes entrailles qui te le confirment, pas l’ordinateur! C’est le calme qui s'est emparé de toi qui te le dit: le dragon a été écrasé dans un souffle. La fatigue, le désespoir, l'incertitude, la peur de ne pas réussir ont disparu d’un coup; jamais existés: tu n’arrives même pas à t’en rappeler. Très beau, merveilleux, quelle sensation! Et maintenant, à qui vas-tu le dire? Avec qui partages-tu cette sensation? Et qui pourrait te comprendre? Ca se termine que tu l’emmèneras dans toi pour le reste de tes jours et tu le partageras seulement avec tes entrailles ; elles oui, elles comprennent ce que tu as senti, elles oui, elles le comprennent, ton théorème.
Je me rappelle tout de même du jour, il y a plus de vingt ans, quand j’ai présenté l’altimètre ‘on the rocks’ en Angleterre (à l’université où Lorenzo ira bientôt faire ses études). Dans l’audience, un des deux pères historiques de l’altimétrie, le co-concepteur du premier altimètre, l’américain EW qui, une fois la présentation terminée, s’approcha, se présenta ( !) et dit : « Je ne suis pas suffisamment expert dans ce que vous avez présenté ( !). Mais je crois le maîtriser suffisamment pour dire que c’est un travail exceptionnel ». Nous nous sommes serrés la main ; nos chemins ne se sont plus croisés.
Le jour du lancement du satellite, avec au bord mon cher altimètre, j’ai senti le cordon ombilical qui se déroulait en accompagnant la fusée en dehors de l'atmosphère. Quelques jours après, la première mesure de 'mon' altimètre arriva au sol. Un collègue (et ami : un de l’équipe romaine) courus vers moi en hurlant dans le couloir: « ça marche, ça marche très bien, merveilleusement bien, et sur les glaces aussi! » Mais il ne parla pas à moi en réalité, car je le savais déjà, et depuis beaucoup de temps, depuis cet avril. Pour moi c’était clair, j'en étais absolument certain. Je n’ai jamais regardé cette première mesure; j'ai dû en étudier beaucoup d'autres mais la première je ne l’ai jamais regardée. Le vraie première mesure, c’est moi qui l’avais, dans mes entrailles.

Comment l'altimétrie a-t-elle commencé en Italie? Par hasard. Personne ne savait faire des altimètres en Europe, les Américains en étaient seuls capables. C’est en 1981, à peu près. L'Europe décide de s’y essayer, plus par intérêt pour la technologie que pour l'importance des mesures qu’elle aurait produit. C’est le tour de l'Italie. Pourquoi l'Italie? Parce que c'était le dernier bout qu'il restait à assigner à un des partenaires européens qui participaient au projet et personne ne l'avait choisi. L'Italie politique, incapable de se placer en Europe, incapable de choisir, va être choisie. Il restait l'altimètre, il restait l'Italie. Je passais par là à ce moment-là: il me toucha moi, avec un petit groupe de copains.
Beaucoup plus tard, les Français (seuls en Europe) comprennent l'importance et l'intérêt des informations que ce capteur produit et ils décident - une décision politique de longue durée, confirmée par des gouvernements et des présidents de la République de convictions politiques différentes dans l'espace de vingt ans - que la France doit maîtriser cette technologie. Pour y réussir, vu les moyens limités dont la recherche dispose au delà des Alpes aussi, ils concluent un pacte avec le diable. En ayant perdu l'opportunité du projet européen au bénéfice de l'Italie, ils créent un programme national en coopération avec les États-Unis (par qui ils seront toujours traités comme un partenaire inférieur). Ce sera seulement des années plus tard - avec le succès de deux missions - que les Francais se retournent à nouveau vers l’Europe et ils arrachent leur suprématie aux Italiens (qui entre temps avaient réalisé trois missions, la dernière étant une première mondiale: l'altimètre 'on the rocks'). L'Italie politique ne fera rien pour défendre la suprématie italienne dans le secteur. Entre temps l’équipe de Rome, restée sans perspectives, progressivement se désagrége. Quelques années après l'industrie nationale du secteur sera vendue à bon marché aux Français.
En vingt ans, pendant que les Americans (de moins en moins intéressés à contrôler les informations environnementales) abandonnent cette technologie spécifique aux Européens, les italiens, les français et les anglais ensemble (ces derniers pour l’étude des calottes polaires) conquièrent le leadership dans le secteur.
Dans deux ans l’Europe lancera le prochain altimètre, le premier altimètre ‘on the rocks’ réalisé par les français. Il sera plus précis que l’altimètre maintenant en orbite. Les données seront analysées par le University College of London. L’Italie n’a aucun rôle dans la mission.
Pour nous, tout a commencé à l'Italienne, par hasard: et s’est terminé de la même manière. Mais vous savez quoi? Au bout du compte nous avons eu de la chance, nous sommes en de bonnes mains : nos cousins européens ne vont pas l’abandonner, l’altimétrie, ils ne vont pas la trahir. C’est en Europe qu’ est notre avenir.

Un ex-spécialiste en altimétrie par satellite


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Altimetria per non specialisti

L’altimetro da satellite è un radar. A prima vista il radar più semplice che si possa dare, visto che in fondo si limita alla misura base del radar, quella del tempo andata-ritorno dell’eco (ci sono radar che misurano la velocità del bersaglio, e altre cose complicate).

Dov’è la complicazione, allora?
La prima sta nel fatto seguente: al contrario di tutti gli altri radar da satellite, che misurano di sguincio, osservano senza essere notati, l’altimetro guarda il suo oggetto dritto negli occhi. E questo cambia tutto: invece della ‘rifrazione’ del proprio segnale l’altimetro si becca il raggio riflesso. Embè? Succede che la teoria tradizionale viene meno, ma soprattutto che se si vuole scoprire l’informazione che si cerca, bisogna non deviare mai lo sguardo: il minimo movimento e l’equilibrio è rotto, il raggio riflesso viene contaminato dai raggi rifratti, più forti ma sporchi e…. la misura fallisce. Quanto bisogna stare attenti? Il massimo errore tollerabile è pari all’incirca a 1 parte su 900 dell’angolo retto.
Questa – guardare dritto, ma proprio dritto, negli occhi ciò che si cerca di scoprire, senza mai esitare, senza mai distogliere lo sguardo - era la prima complicazione, dicevamo; in fondo, la complicazione semplice.

La vera complicazione consiste infatti nell’accuratezza della misura.
L’altimetro misura un tempo, ma ci deve riuscire con una precisione elevatissima. L’insieme di tutti gli errori della misura non devono mai essere più grandi di 3 centesimi di un miliardesimo di secondo (3 * 10-11 sec, per gli appassionati di matematica). Chiaro? Tutti insieme, quello è il totale.
E così, per progettare una di queste macchine bisogna tenere sotto controllo imperfezioni dell’ordine dei millesimi di miliardesimo di secondo. E non è ancora finita: infatti, quanto è precisa la stima di un millesimo di miliardesimo di secondo? Come facciamo ad essere sicuri del valore dei singoli contributi all’errore totale, come facciamo a garantire (prima che il satellite sia lanciato), a dimostrare che l’errore totale non supererà la soglia fatidica che renderebbe di colpo l’intero sensore inutile?
Per progettare una di queste implacabili macchine bisogna trasformarsi, bisogna accettare l’idea che non sia legittimo sbagliare. Assolutamente no, proprio no, assolutamente mai, nemmeno un po’. Sapere che non si ha diritto alla misericordia. È un po’ come maneggiare nitroglicerina tutto il giorno: se ti trema la mano un istante - magari per fatica - salti in aria. Una distrazione, magari una sola in dieci anni, e va tutto in fumo: tutto, non si salva proprio niente. Questo strumento, infatti, serve solo se è preciso. Perché? Quello che fa è misurare l‘altezza della superficie oceanica in due punti distanti fra loro, diciamo, 1000 km. Questo lo fa su due orbite consecutive, ciascuna misura è presa a distanza di due ore circa: tutto deve restare stabile, assolutamente identico fra le due misure. Se si riesce a controllare le inevitabili imperfezioni dell’apparato di misura (l’altimetro), allora una differenza, diciamo di un centimetro, fra le due misure (i centesimi di miliardesimo di secondo in tempo) corrisponde ad una massa d’acqua gigantesca che sta scivolando sopra la superficie oceanica trasportando con sé un’enorme quantità d’energia, che è poi ciò che in realtà vogliamo conoscere e che possiamo solo indirettamente misurare.

Bene, ora conoscete l’altimetro: quello semplice, liscio.
Poi c’è quello complicato, l’altimetro ‘on the rocks’.
Quello complicato, d’altimetro, infatti cerca di fare due cose che proprio non stanno insieme. Cerca d’essere preciso ma rapido al tempo stesso. Dolce ma energico, lieve ma violento. Cerca di aggiungere, alla misura della superficie oceanica, la misura dei ghiacci polari. Solo che nel caso dei ghiacci polari la geometria è sbagliata (bisognerebbe proprio osservarli di sguincio), le variazioni sono violente (molti metri, non frazioni di centimetro). Non si possono misurare i chilometri con il calibro, bisognerebbe cambiare strumento, è chiaro. E invece non si può: l’orbita dell’altimetro sui ghiacci ci passa, quindi invece di non fargli far nulla, tanto vale fargli misurare anche il ghiaccio. E la geometria, ottimale o inadatta che sia, è quella e arrangiarsi bisogna. E allora proviamoci ad inventare questo sensore due-in-uno. L’altimetro da satellite - nella versione ‘on the rocks’ - è quello strumento (lui e lui solo) che ci ha permesso di stabilire se le calotte polari si stanno sciogliendo, oppure no. Non lo sappiamo come si modificano le calotte polari e la transizione acqua-ghiaccio è proprio quella più interessante. Peccato che sia il momento più difficile, quello in cui il fragile bicchiere di cristallo nelle nostre mani (passatemi l’esempio un po’ rozzo), che non possiamo stringere senza frantumare, schizza via sotto l’azione di una forza violenta e repentina. Quello è il momento in cui la nostra stretta deve essere così forte da non lasciarci scappare il bicchiere. Non si deve sbagliare: troppo presto e si frantuma il bicchiere (si fallisce la misura sull’oceano), troppo tardi ed il bicchiere ci è sfuggito di mano (si fallisce la misura sul ghiaccio). Come si fa a passare dalla dolcezza estrema ad un’altrettanto estrema violenza?
Come si fa? Tralasciando i dettagli tecnici, la risposta è semplice: convincendosi a non abbandonare la partita per nessuna ragione al mondo: nessuna. Nemmeno se si è convinti che non sia possibile farcela, che il problema sia troppo difficile, che la sua soluzione sia semplicemente impossibile. Non darsi tregua, dirsi che non si mollerà mai, mai, mai. È vero, la soluzione la si trova studiando, lavorando al computer, utilizzando molta matematica, magari pure della specie complicatuccia anziché no; tutto vero. Ma l’ingrediente essenziale non è nessuno di quelli summenzionati. La soluzione arriva solo se ci si batte al di là delle proprie forze, solo se ci si accanisce, solo se non ci si dà tregua. È quello che fa la differenza, solo quello.
E la soluzione è arrivata, infine, dopo un anno d’inferno: tutta d’un colpo, il 25 aprile dell’anno in cui poi nacque Lorenzo (si lo so, non si dovrebbe lavorare nei giorni di festa. Ma provare un intenso piacere è concesso, nevvero?). E di colpo sai che ce l’hai fatta, che funzionerà; e lo sai sicuramente, ne sei assolutamente certo, lo vedi chiaramente davanti a te, non hai bisogno di chiedere al computer di confermartelo. Te lo dicono le tue viscere, altro che computer! Te lo dice la calma che si è impadronita di te: il drago è stato debellato in un soffio. La fatica, la disperazione, l’incertezza, la paura di non riuscire sono scomparse di colpo; mai esistite: nemmeno riesci a ricordartene. Bellissimo, meraviglioso, che sensazione! E adesso a chi lo dici? Con chi condividi questa sensazione? E chi ti capisce? Finisce che te la porti dentro per il resto dei tuoi giorni e la condividi solo con le tue viscere, loro si che capiscono cosa hai provato, loro si che lo capiscono il tuo teorema.
Eppure ricordo il giorno, oltre vent’anni fa, in cui presentai l’altimetro ‘on the rocks’ in Inghilterra (all’Università in cui Lorenzo andrà presto a studiare). Fra il pubblico, uno dei due padri storici dell’altimetria, il co-progettista del primo altimetro, lo statunitense EW che, alla fine della presentazione si avvicinò, si presentò (!) e mi disse: “Io non sono abbastanza esperto di quello che lei ha presentato (!). Ma credo di capirne abbastanza per dire che è un lavoro eccezionale”. Ci stringemmo la mano; le nostre strade non s’incrociarono più.
Il giorno del lancio del satellite (con a bordo il mio carissimo altimetro) sentii il cordone ombelicale che si srotolava accompagnando il razzo fuori dell’atmosfera. Qualche giorno dopo, la prima misurazione della ‘mia’ macchina arrivò a Terra. Un collega (e amico: uno del gruppetto romano) corse da me urlando per il corridoio: “funziona, funziona, funziona benissimo, meravigliosamente bene, anche sui ghiacci!” ma non parlò a me in realtà , perché io lo sapevo già, da parecchio, da quell’aprile. Per me era chiaro, ne ero assolutamente certo. Non guardai mai la prima misura del mio altimetro; ne ho dovuto studiare molte altre, ma la prima non l’ho guardata mai. La prima, quella vera, ce l’ho nelle viscere io.

Com’è cominciata l’altimetria in Italia? Per caso. Nessuno sapeva fare gli altimetri in Europa, solo gli Americani ne erano capaci. È il 1981, all’incirca. L’Europa decide di provarci, più per interesse nella tecnologia che per l’importanza delle misurazioni che lo strumento avrebbe prodotto. Tocca all’Italia. Perché all’Italia? Perché era l’ultimo pezzo che restava d’assegnare ad uno dei partner europei che partecipavano al progetto e nessuno l’aveva scelto. L’Italia politica, incapace di stare in Europa, incapace di scegliere, viene scelta. Restava l’altimetro, restava l’Italia. Passavo di là in quel momento: toccò a me, insieme a un minuscolo gruppetto di amici.
Anni dopo, i francesi (soli in Europa) capiscono l’importanza e l’interesse dell’informazione che questo strumento produce e decidono (una decisione politica di lungo respiro, mantenuta stabilmente da governi e presidenti della Repubblica di diversa fede politica nell’arco di vent’anni) che la Francia deve impadronirsi di questa tecnologia. Per riuscirci, visto i mezzi limitati di cui la ricerca dispone anche oltr’alpe, scendono a patti col diavolo. Avendo perduto, anni prima, l’opportunità del progetto europeo a vantaggio dell’Italia, varano un programma nazionale in cooperazione con gli Stati Uniti (da cui saranno sempre trattati come un partner inferiore).
Solo parecchi anni dopo – con il successo di due missioni alle spalle – i francesi tornano in Europa, e strappano la supremazia agli Italiani (che di missioni ne avevano messe insieme tre, l’ultima delle quali unica al mondo: l’altimetro ‘on the rocks’). L’Italia politica non fa nulla per difendere la supremazia italiana nel settore. Nel frattempo il gruppetto di Roma, restato senza prospettive, progressivamente si disgrega. Qualche anno dopo l’industria nazionale del settore viene svenduta ai francesi.
In vent’anni, mentre gli americani (sempre più disinteressati a controllare le informazioni ambientali) abbandonano questa specifica tecnologia agli europei - italiani, francesi ed inglesi insieme (gli inglesi per lo studio delle calotte polari) – conquistano la leadership nel campo dell’altimetria da satellite.
Fra due anni l’Europa lancerà il prossimo altimetro, il primo altimetro ‘on the rocks’ fatto dai francesi. Produrrà misure ancore più precise dell’attuale altimetro. I dati saranno analizzati dall’University College of London. Gli italiani non hanno alcun ruolo nella missione.
Per noi è cominciata all’italiana, per caso: è finita nello stesso modo. Ma sapete cosa? In fondo siamo stati fortunati, siamo in buone mani: i nostri cugini europei non l’abbandoneranno l’altimetria, loro non la tradiranno. È nell’Europa la nostra salvezza.

Un ex-specialista in altimetria da satellite

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