Mappare il calore urbano: che cosa misura davvero una carta termica

Una mappa termica non è una fotografia del calore

Una normale fotografia registra la radiazione visibile riflessa dagli oggetti. Una termocamera opera invece in bande dell’infrarosso nelle quali le superfici terrestri emettono una parte significativa della propria radiazione termica.

Il sensore non percepisce il calore come farebbe una mano appoggiata su una superficie. Misura una quantità di energia radiante che raggiunge ciascun elemento del rilevatore. Un algoritmo trasforma successivamente quel segnale in un valore associato a ogni pixel.

La prima informazione prodotta dallo strumento è quindi una distribuzione di radiazione infrarossa, non una misura diretta e indipendente della temperatura.

La temperatura viene ricavata attraverso un modello fisico che deve considerare le proprietà della superficie e il percorso seguito dalla radiazione prima di raggiungere il sensore.

Che cosa rappresenta ogni pixel

Ogni pixel di una carta termica corrisponde a una porzione della scena osservata.

In una ripresa ravvicinata effettuata con una termocamera, un pixel può rappresentare una parte di una tegola, di una parete o di una foglia. In una ripresa aerea può comprendere una porzione di tetto, strada o prato. In un’immagine satellitare può includere contemporaneamente più edifici, vegetazione, terreno e superfici stradali.

Il valore assegnato al pixel deriva dall’insieme della radiazione ricevuta da quell’area. Non è necessariamente la temperatura di un singolo oggetto ben definito.

Se un pixel comprende metà tetto caldo e metà chioma alberata più fresca, il risultato è un valore radiometrico combinato. Non esiste realmente una superficie uniforme con quella temperatura: il dato è prodotto dalla miscela di elementi differenti.

Questo problema viene chiamato pixel misto ed è particolarmente importante negli ambienti urbani, dove gli oggetti sono piccoli, irregolari e disposti su più livelli.

Temperatura apparente, temperatura di brillanza e temperatura superficiale

Non tutti i prodotti termici rappresentano lo stesso livello di elaborazione.

La temperatura apparente è il valore calcolato dallo strumento a partire dalla radiazione ricevuta, utilizzando i parametri impostati dall’operatore.

La temperatura di brillanza indica la temperatura che avrebbe un corpo nero ideale capace di produrre la stessa radianza osservata nella banda del sensore. È un passaggio radiometrico utile, ma non coincide automaticamente con la temperatura fisica reale della superficie.

La temperatura superficiale, spesso indicata con la sigla LST, Land Surface Temperature, è una stima ottenuta correggendo la misura per l’emissività della superficie e per l’effetto dell’atmosfera.

I prodotti satellitari di temperatura superficiale combinano quindi i dati infrarossi con informazioni sull’emissività, sulla vegetazione e sui profili atmosferici di temperatura e umidità. Il valore finale non deriva dalla semplice conversione del colore di un pixel.

La superficie vista dal satellite non è sempre il suolo

Dal punto di vista di un satellite, la superficie è ciò che risulta visibile nella direzione di osservazione.

In un campo aperto può coincidere con il terreno o con la vegetazione bassa. In un bosco corrisponde soprattutto alla parte superiore delle chiome. In città può essere costituita da tetti, terrazzi, chiome degli alberi, piazzali e porzioni di strade.

Una mappa satellitare urbana non vede quindi la città come una persona che cammina sul marciapiede. Osserva prevalentemente le superfici rivolte verso l’alto e soltanto una parte di quelle verticali.

Le strade strette tra edifici alti possono essere nascoste, completamente o parzialmente, dai tetti. Porticati, cortili coperti, fermate ombreggiate e spazi sotto le chiome non vengono rappresentati direttamente.

L’emissività: materiali alla stessa temperatura possono apparire diversi

L’emissività descrive quanto efficacemente una superficie emette radiazione termica rispetto a un corpo nero ideale alla stessa temperatura.

Una superficie con emissività elevata emette una quota maggiore della radiazione associata alla propria temperatura. Una superficie con emissività bassa emette meno e riflette una parte maggiore della radiazione proveniente dall’ambiente circostante.

Questo significa che due materiali alla stessa temperatura reale possono produrre segnali differenti.

Intonaci, vegetazione, terreno, acqua, asfalto, membrane di copertura, vetro e metalli non possiedono la stessa emissività. Anche rugosità, ossidazione, umidità, verniciatura e angolo di osservazione possono modificarne il comportamento.

Se la termocamera assume un valore di emissività errato, la temperatura calcolata può risultare falsata. L’errore diventa particolarmente importante sui metalli lucidi e sulle superfici riflettenti.

La termocamera può misurare anche una riflessione

Una superficie riflettente nell’infrarosso può rimandare verso la termocamera la radiazione emessa dal cielo, da un edificio vicino, dal Sole, da un’automobile o dallo stesso operatore.

La zona osservata può quindi apparire calda o fredda non perché possieda quella temperatura, ma perché riflette una sorgente termica esterna.

Il problema è evidente sui metalli, ma può interessare anche vetri, superfici bagnate, alcune membrane e rivestimenti lisci.

Una finestra non deve essere interpretata come se permettesse alla termocamera di osservare direttamente l’interno dell’edificio. Il vetro ordinario è generalmente opaco nelle bande termiche usate dalle comuni termocamere a onda lunga. Lo strumento misura soprattutto la temperatura e le riflessioni della superficie del vetro.

Per una misura quantitativa occorre quindi stimare anche la temperatura apparente riflessa, cioè il contributo radiativo dell’ambiente riflesso dall’oggetto verso il sensore.

Anche l’atmosfera modifica la misura

La radiazione infrarossa non attraversa l’atmosfera senza modificazioni.

Vapore acqueo, anidride carbonica, aerosol, nebbia e precipitazioni possono assorbire, emettere o diffondere una parte del segnale. L’effetto aumenta con la distanza tra superficie e sensore.

In una ripresa effettuata da pochi metri, la correzione atmosferica può essere relativamente modesta, anche se non sempre trascurabile. In una misura da aeromobile o satellite diventa essenziale.

I sistemi di elaborazione satellitare utilizzano profili atmosferici di temperatura e umidità per stimare quanta radiazione sia stata assorbita o aggiunta lungo il percorso.

Nelle termocamere radiometriche l’operatore può dover inserire distanza, temperatura atmosferica e umidità relativa. Questi parametri servono a compensare l’assorbimento atmosferico e la radiazione emessa dall’aria tra l’oggetto e lo strumento.

I colori non vengono misurati

Il sensore non registra tetti rossi, strade gialle e parchi blu.

I colori vengono applicati successivamente attraverso una tavolozza grafica. A ogni intervallo di temperatura viene associato un colore scelto dal software o dall’operatore.

La stessa matrice di valori può essere mostrata in scala di grigi, con colori dal blu al rosso, con una tavolozza arcobaleno oppure con una scala concentrata soltanto nell’intervallo più caldo.

La scelta della scala modifica profondamente l’impressione visiva. Una differenza di pochi gradi può sembrare enorme se la tavolozza copre un intervallo molto ristretto. Al contrario, differenze importanti possono apparire quasi invisibili se la scala è troppo ampia.

Due immagini della stessa zona non sono confrontabili soltanto perché usano gli stessi colori. È necessario verificare che abbiano gli stessi limiti minimo e massimo, la stessa unità di misura e lo stesso metodo di elaborazione.

La carta termica scientifica deve quindi riportare la scala numerica. Senza legenda, il colore è decorazione, non misura.

Temperatura superficiale e temperatura dell’aria

La temperatura superficiale descrive lo stato termico del materiale osservato. La temperatura dell’aria descrive lo stato dell’aria che circonda il sensore meteorologico.

Le due grandezze interagiscono, ma non coincidono.

Durante una giornata soleggiata l’asfalto può diventare molto più caldo dell’aria. Una chioma vegetale ben irrigata può invece rimanere relativamente fresca grazie all’evapotraspirazione. A pochi metri di distanza, l’aria sopra entrambe le superfici tende a mescolarsi e presenta differenze generalmente più contenute rispetto a quelle visibili nella mappa superficiale.

Il rapporto tra temperatura superficiale e temperatura dell’aria cambia con radiazione solare, vento, turbolenza, umidità del terreno, ombra, altezza sopra il suolo, geometria degli edifici e momento della giornata.

Una mappa superficiale può mostrare dove vengono assorbite e rilasciate grandi quantità di energia, ma non può essere rinominata automaticamente mappa della temperatura percepita.

Una superficie fredda non garantisce comfort termico

Il comfort e lo stress termico umano dipendono contemporaneamente da temperatura dell’aria, umidità, velocità del vento, radiazione solare diretta, radiazione infrarossa emessa dalle superfici, attività fisica e abbigliamento.

Un prato esposto al Sole può avere una temperatura superficiale inferiore all’asfalto, ma una persona senza ombra può comunque ricevere una quantità elevata di radiazione solare.

Una pavimentazione chiara può risultare più fresca perché riflette più energia, ma una parte della radiazione riflessa può raggiungere i pedoni e le facciate circostanti.

Una carta termica è quindi utile per comprendere il bilancio energetico delle superfici, ma non sostituisce gli indici di stress termico né le misure radiative eseguite all’altezza delle persone.

L’ora della misura cambia completamente la mappa

Le superfici urbane non raggiungono contemporaneamente la temperatura massima.

Una lamiera sottile esposta al Sole si scalda rapidamente e può raffreddarsi altrettanto rapidamente dopo il tramonto. Una struttura massiccia in muratura o calcestruzzo può accumulare energia più lentamente e restituirla per molte ore.

Un prato umido, un terreno asciutto, una copertura bituminosa e uno specchio d’acqua rispondono in modo diverso alla stessa radiazione solare.

Una mappa acquisita al mattino descrive la risposta iniziale delle superfici. Una ripresa pomeridiana evidenzia maggiormente l’assorbimento solare. Una misura serale mostra il rilascio del calore accumulato. Una mappa notturna può mettere in evidenza materiali e quartieri che si raffreddano lentamente.

Non esiste quindi la mappa termica di una città. Esistono mappe riferite a un momento e a condizioni meteorologiche precise.

Ombra e temperatura conservano la storia delle ore precedenti

Un oggetto in ombra non assume immediatamente la temperatura dell’aria.

Una parete appena entrata in ombra può rimanere calda perché ha accumulato energia durante le ore precedenti. Una superficie rimasta ombreggiata per tutta la giornata può invece presentare un comportamento molto diverso.

La mappa registra lo stato termico al momento dell’acquisizione, ma quel valore dipende dalla storia precedente: durata dell’esposizione solare, orientamento, nuvolosità, vento, pioggia recente, umidità, temperatura notturna ed energia accumulata negli strati interni.

Confrontare una facciata orientata a ovest con una facciata orientata a nord senza considerare l’esposizione solare può portare a conclusioni errate sui materiali.

La città è tridimensionale

Una carta satellitare viene spesso rappresentata come una superficie piana, ma la città è composta da tetti, pareti, balconi, strade, cortili e chiome poste a quote differenti.

L’angolo di osservazione determina quali superfici contribuiscono al segnale.

Una ripresa quasi verticale osserva principalmente tetti e superfici orizzontali. Una ripresa obliqua mostra più facciate, ma introduce differenze di distanza e angolo.

Le pareti orientate verso il sensore sono sovrarappresentate rispetto a quelle nascoste. Gli edifici producono occlusioni. Le strade strette possono non essere visibili. Le chiome possono coprire il terreno sottostante.

La temperatura radiometrica urbana è quindi anche una funzione della geometria della scena.

Risoluzione dichiarata e risoluzione reale

Una mappa può essere salvata con milioni di pixel senza possedere realmente quel livello di dettaglio termico.

La risoluzione dipende dal rilevatore, dall’ottica, dalla distanza e dall’elaborazione. In una termocamera, aumentando la distanza cresce l’area rappresentata da ciascun pixel.

Per misurare correttamente un piccolo oggetto non basta che esso sia visibile. Deve occupare un numero sufficiente di elementi del sensore. Se una tegola calda occupa soltanto una frazione di pixel, il valore viene mescolato con quello delle superfici circostanti.

Anche nei dati satellitari occorre distinguere tra risoluzione nativa e griglia di distribuzione. Le bande termiche possono essere ricampionate su celle più piccole per essere allineate con altri prodotti, ma il ricampionamento non crea nuovi dettagli termici realmente osservati.

Una mappa apparentemente molto definita può quindi derivare da un dato fisicamente più grossolano.

Sensibilità termica non significa accuratezza assoluta

La sensibilità termica, spesso indicata come NETD, descrive la minima differenza di temperatura che lo strumento riesce a distinguere dal proprio rumore.

Un valore NETD molto basso permette di vedere variazioni sottili e produrre immagini più uniformi. Non significa però che la temperatura assoluta sia corretta con la stessa precisione.

Una termocamera può distinguere differenze molto piccole pur avendo un’incertezza assoluta sensibilmente maggiore.

Alla misura strumentale si aggiungono poi gli errori prodotti da emissività, riflessioni, distanza, atmosfera, messa a fuoco, dimensione del bersaglio, calibrazione ed elaborazione.

Una carta molto dettagliata non è necessariamente una carta molto accurata.

Satelliti, aeromobili, droni e termocamere da terra

Satelliti

Coprono intere città con procedure ripetibili e permettono confronti nel tempo. Sono adatti allo studio della distribuzione generale delle temperature superficiali e del rapporto con vegetazione, urbanizzazione e uso del suolo.

I limiti principali sono risoluzione, orari di passaggio, presenza di nubi, geometria di osservazione e ridotta rappresentazione delle superfici verticali.

Aeromobili e droni

Permettono rilievi molto più dettagliati e possono essere programmati in orari scelti dall’operatore.

La ridotta distanza migliora il dettaglio spaziale, ma il mosaico finale deve correggere geometria, variazioni dell’angolo di osservazione, deriva del sensore e differenze temporali tra le diverse parti del volo.

Durante un volo la città continua infatti a scaldarsi o raffreddarsi. Due quartieri sorvolati a mezz’ora di distanza non sono stati misurati nello stesso momento.

Termocamere da terra

Sono adatte allo studio di facciate, pavimentazioni, tetti, alberi, impianti e microambienti.

Offrono grande dettaglio, ma coprono aree limitate e osservano le superfici con angoli spesso molto differenti. Richiedono particolare attenzione a emissività, riflessi, distanza e dimensione degli oggetti.

Una termocamera portatile non produce automaticamente una mappa urbana. Produce immagini locali che devono essere georiferite, sincronizzate e integrate in un protocollo di misura.

Le nubi non sono semplicemente zone fredde

Nell’infrarosso termico, una nube può impedire al sensore satellitare di osservare la superficie.

Il valore registrato proviene allora principalmente dalla parte superiore o dagli strati della nube, che si trovano a quote e temperature diverse dal terreno.

Anche nubi sottili, foschia e bordi nuvolosi possono contaminare i pixel senza risultare immediatamente evidenti nell’immagine finale.

Per questo i prodotti satellitari includono maschere di qualità e identificazione delle nubi. Una lacuna nella mappa non significa assenza di calore: significa assenza di una misura superficiale considerata affidabile.

La pioggia può cambiare il risultato in pochi minuti

Una superficie bagnata può raffreddarsi per evaporazione. La sottile pellicola d’acqua modifica inoltre emissività, riflettività e scambio termico.

Dopo un temporale, tetti, asfalto, terreno e vegetazione non rispondono allo stesso modo:

• alcune superfici trattengono acqua;
• altre la drenano rapidamente;
• i materiali porosi si raffreddano anche internamente;
• le foglie possono rimanere bagnate;
• pozzanghere e ristagni introducono nuove superfici radiative.

Una mappa acquisita poco dopo la pioggia non è direttamente confrontabile con una ripresa eseguita durante un periodo asciutto. Lo stesso vale per irrigazione, lavaggio delle strade e funzionamento di fontane o impianti di nebulizzazione.

Come costruire una mappatura attendibile

La prima operazione non consiste nel scegliere la tavolozza, ma nel definire la domanda.

Occorre stabilire se si vuole studiare:

• accumulo solare delle superfici;
• raffreddamento serale;
• differenze tra materiali;
• efficacia dell’ombra;
• comportamento della vegetazione;
• dispersione termica degli edifici;
• temperatura dell’aria nei quartieri;
• esposizione delle persone;
• evoluzione stagionale.

Ogni obiettivo richiede un metodo differente.

Una mappatura quantitativa dovrebbe documentare almeno:

• modello e calibrazione del sensore;
• banda spettrale;
• risoluzione termica e spaziale;
• posizione e altezza;
• angolo di osservazione;
• data e ora;
• nuvolosità e vento;
• temperatura e umidità dell’aria;
• stato di bagnatura;
• emissività assegnate;
• correzioni atmosferiche;
• metodo di georeferenziazione;
• scala cromatica;
• incertezza stimata.

Senza queste informazioni la mappa può rimanere utile come immagine qualitativa, ma non permette confronti rigorosi.

Servono riferimenti al suolo

Un prodotto satellitare o aereo dovrebbe essere confrontato con misure indipendenti.

Per validare la temperatura superficiale si possono utilizzare sensori a contatto, radiometri calibrati o superfici di riferimento dalle proprietà note.

Per collegare la carta al clima urbano servono invece stazioni meteorologiche correttamente schermate e ventilate.

Le misure devono essere sincronizzate con il passaggio del satellite o con il volo. Una temperatura registrata un’ora prima non descrive necessariamente lo stesso stato termico, soprattutto durante mattino e tramonto.

Una singola stazione non è sufficiente a verificare un’intera città. È utile descrivere ogni punto attraverso superficie, vegetazione, altezza degli edifici, densità urbana e ventilazione.

Il confronto deve usare la stessa scala

Per confrontare due date, la scala termica deve essere identica.

Applicare automaticamente il minimo e il massimo di ogni immagine può produrre un’apparente stabilità anche quando la città si è scaldata, oppure creare forti contrasti in una giornata termicamente uniforme.

Devono inoltre rimanere coerenti unità di misura, proiezione geografica, risoluzione, metodo di interpolazione, maschera delle nubi, emissività, ora dell’acquisizione e area analizzata.

Confrontare una scena estiva pomeridiana con una scena primaverile mattutina non permette di misurare direttamente l’effetto di un intervento urbano.

Per valutare un tetto riflettente, una nuova alberatura o la rimozione di un parcheggio servono condizioni comparabili oppure un modello capace di separare l’intervento dalla variabilità meteorologica.

Una sola immagine mostra un episodio, non il clima

Una mappa termica acquisita in un giorno sereno mostra lo stato della città in quel momento.

Può individuare tetti molto caldi, aree vegetate fresche, zone industriali, superfici bagnate e differenze tra materiali. Non dimostra però da sola che quelle differenze si ripetano ogni giorno o durante tutte le stagioni.

Per descrivere il comportamento termico urbano occorrono serie di osservazioni effettuate in più ore della giornata, in giornate con condizioni differenti, durante più stagioni, prima e dopo gli interventi e con scale e metodi coerenti.

Una singola immagine è un’osservazione. Una climatologia richiede ripetizione e continuità.

Che cosa può dire una carta termica

Se costruita correttamente, una carta termica può mostrare:

• quali superfici assorbono molta energia;
• dove l’ombra riduce il riscaldamento;
• quali materiali si raffreddano lentamente;
• dove la vegetazione mantiene temperature superficiali inferiori;
• come tetti, strade e piazzali differiscono tra loro;
• quali zone potrebbero contribuire maggiormente al rilascio di calore;
• dove effettuare misure più dettagliate;
• come cambia la superficie dopo un intervento.

Può inoltre fornire dati utili ai modelli del bilancio energetico urbano, alla gestione dell’acqua, alla progettazione del verde e allo studio dell’isola di calore superficiale.

Che cosa non può dire da sola

Una carta superficiale non permette, da sola, di stabilire:

• la temperatura dell’aria respirata;
• il comfort termico delle persone;
• la temperatura all’interno degli edifici;
• il rischio sanitario di un quartiere;
• il consumo energetico degli immobili;
• l’efficacia annuale di un intervento;
• la causa precisa di ogni area calda;
• la qualità di un materiale;
• l’origine di una differenza senza informazioni sul contesto.

Una zona rossa non è automaticamente pericolosa e una zona blu non è automaticamente confortevole.

La mappa indica un comportamento radiativo della superficie all’interno di una determinata scala. Il significato dipende dalla domanda, dal metodo e dai dati complementari.