RADAR è l'acronimo dell'espressione inglese RAdio Detection And Ranging che potremmo tradurre in italiano con "individuazione e misura della distanza mediante onde radio". Da questo punto di vista un RADAR meteorologico non differisce da un RADAR militare, in quanto serve proprio a individuare la posizione delle nuvole e delle idrometeore e la loro distanza (assieme ad altre importanti proprietà).
Senza entrare troppo nei dettagli tecnici, i RADAR meteorologici basano il loro funzionamento sull'emissione di un impulso elettromagnetico e sulla successiva misura dell'eco di ritorno prodotto dalla riflessione del bersaglio. Conoscendo la direzione nella quale abbiamo emesso l'impulso (e ricevuto l'eco) conosciamo anche la direzione nella quale si trova il bersaglio.
Conoscendo con precisione l'istante in cui l'impulso è stato inviato, misurando l'istante preciso in cui l'eco di ritorno raggiunge il nostro dispositivo e conoscendo la velocità delle onde elettromagnetiche in atmosfera possiamo individuare la distanza del bersaglio, che quindi diventa perfettamente rilevato. In linea di principio tutto è molto semplice, ma nella realtà si presentano sempre dei problemi pratici di difficile risoluzione.
Il primo problema che si pone è relativo all'individuazione della direzione del bersaglio.
I RADAR meteorologici, infatti, hanno delle antenne a forma di parabola che funzionano sia da emettitori che da ricevitori. Queste antenne riescono a far sì che l'impulso venga emesso in una direzione abbastanza precisa che però difficilmente può essere determinata con una precisione inferiore al grado o al mezzo grado. Questo è dovuto al fatto che l'impulso non assomiglia tanto a un raggio laser quanto a un lobo (in realtà la "forma" dell'impulso assomiglia a un insieme di lobi, uno dei quali è molto più pronunciato degli altri).
Per questo motivo la precisione con la quale si riesce a individuare la posizione del bersaglio dipenderà dalla larghezza del lobo (tanto più è stretto tanto più precisa sarà la posizione) ma anche dalla distanza del bersaglio.
Se infatti supponiamo di avere un lobo di 1° di ampiezza, allora a 1 km il lobo avrà un diametro di circa 17 m, a 10 km di 170 m e a 100 km di 1700 m. Questo è il motivo per cui questi dispositivi vengono spesso usati solo fino a portate dell'ordine del centinaio di km. Un altro motivo per cui i RADAR meteorologici non vengono usati oltre al centinaio di km è legato alla curvatura della terra. Mentre le radiazioni elettromagnetiche (il lobo) si propagano (generalmente) in linea retta, la superficie terrestre curvandosi "gli scappa da sotto ai piedi".
In altre parole, anche supponendo di utilizzare un lobo ad alzo zero (puntato esattamente all'orizzonte), mano a mano che ci si allontana dal RADAR s guardano porzioni dell'atmosfera terrestre sempre più distanti dal suolo.
Come ordine di grandezza si pensi che a 100 km di distanza, con alzo zero si guardano porzioni di atmosfera che si trovano a 500 m dal suolo; a 300 km si guardano porzioni di atmosfera che si trovano a 5000 m. Inoltre, proprio per evitare riflessioni del terreno a causa dell'ampiezza del lobo, l'alzo zero non è quasi mai utilizzabile, quindi la situazione diventa ancor più sfavorevole mano a mano che ci si allontano dal RADAR.
Un altro problema che i RADAR meteorologici hanno è quello di avere a che fare non con bersagli "localizzati" ma con bersagli diffusi, composti cioè da innumerevoli parti che si muovono indipendentemente (si pensi alle nuvole con le loro goccioline). Per questo motivo i RADAR meteorologici devono effettuare più campionamenti di uno stesso volume di spazio per ottenere delle misure che siano effettivamente rappresentative di quel volume. Questo viene fatto emettendo non un solo, ma più impulsi in rapida successione e mediando le varie eco di ritorno.
Più impulsi si emettono, migliore sarà la stima dei parametri associati a quel volume. Non si può però campionare troppo uno stesso volume in quanto si rischia di far passare troppo tempo tra un volume e il successivo.
Infatti, soprattutto i fenomeni convettivi, si sviluppano molto rapidamente e il rischio è quello di avere delle singole misure molto buone, ma che si riferiscono a momenti troppo diversi della vita del sistema che vado a osservare. Sarebbe come avere delle foto molto nitide delle singole parti di un corpo umano ma che si riferiscono a età diverse. In questo caso si devono effettuare delle scelte in base al tipo di studi che si vogliono fare (in generale si prediligono molti campionamenti per la stima delle precipitazioni e pochi campionamenti per lo studio dei temporali).
Fino a ora nulla abbiamo detto del tipo di radiazione emessa dai RADAR meteorologici. La lunghezza d'onda alla quale questi dispositivi lavora è molto importante sia per il tipo di bersaglio che vogliamo individuare, sia per l'attenuazione da essa subita nell'atmosfera.
In meteorologia le lunghezze d'onda più utilizzate sono quelle della banda X (3-4 cm), C (8-4 cm), S (8-15 cm) ed L (15-30 cm). In generale le lunghezze d'onda più piccole sono quelle che permettono di rilevare meglio anche i bersagli composti da parti più piccoli ma, proprio per questo motivo, sono anche le più attenuate dall'atmosfera e dalle nubi che attraversano. Come regola generale si utilizza la banda X per i RADAR portatili che, essendo anche meno ingombranti, si possono portare vicino ai bersagli da studiare, mentre si usano la banda C e soprattutto S per la stima delle precipitazioni (le piogge sono composte da gocce abbastanza grandi).
Con il progredire delle conoscenze tecniche, molti RADAR meteorologici permettono di effettuare anche altre misure. Le principali sono quelle dello spostamento Doppler e della polarizzazione differenziale.
La misura della differenza tra la frequenza della radiazione emessa e quella dell'eco di ritorno permette di individuare la velocità con la quale il bersaglio si avvicina o si allontana dal RADAR (effetto Doppler), mentre la misura della polarizzazione differenziale permette di risalire alla forma delle particelle che compongono il bersaglio.
I RADAR meteorologici polarimetrici, infatti, emettono alternativamente degli impulsi di radiazione polarizzata secondo piani ortogonali (il campo elettrico e magnetico che costituiscono la radiazione oscillano lungo dei piani fissati).
In questo modo se l'eco nelle diverse polarizzazioni è grossomodo della stessa ampiezza, si può concludere che le particelle che compongono i bersagli sono grossomodo a simmetria sferica, se invece le eco hanno ampiezze diverse, allora i bersagli saranno composti da particelle più o meno a forma di ciambella. In questo modo, conoscendo un po' di fisica delle nubi, possiamo classificare i costituenti delle nubi stesse.
A titolo di esempio possiamo dire che bersagli mediamente grossi (che riflettono molto) e di forma grossomodo sferica possono essere dei chicchi di grandine mentre bersagli grossi che hanno una forma a ciambella possono essere delle gocce di pioggia (le gocce di pioggia non hanno la forma a "goccia", infatti cadendo si schiacciano per l'attrito con l'aria e assumono una forma a ciambella).
Prima di concludere si deve anche accennare al fatto che, poiché le radiazioni elettromagnetiche subiscono rifrazione non solo da bersagli solidi, ma anche da discontinuità ottiche dell'atmosfera (legate per esempio a sbalzi di temperatura, umidità, ecc.) è possibile utilizzare i RADAR meteorologici per individuare queste discontinuità. Questo modo di utilizzo dei RADAR prende il nome di "riflettività in aria chiara" in quanto si possono ricevere informazioni sullo stato dell'atmosfera anche in assenza di nubi.

Bibliografia:
Ronald E. Rinehart, Radar for Meteorologists
Lou Battan, Radar observations of the atmosphere, University of Chicago Press