RICERCA ITALIANA     

"Caratterizzazione delle proprieta' ottiche e microfisiche degli aerosol mediante differenti tecniche sperimentali e calcolo degli effetti radiativi indotti dagli aerosol: uno strumento chiave per definire una climatologia degli aerosol

Università degli Studi di Lecce

Abstract

Si propone un progetto tra tre Unita' di ricerca, al fine di realizzare misure e studi complementari per caratterizzare le proprieta' ottiche e microfisiche degli aerosol atmosferici e per determinare la forzatura radiativa da essi indotta agli estremi superiore (TOA) ed inferiore (BOA) dell' atmosfera, considerando differenti condizioni di albedo superficiale.

Allo scopo, l' Unita' di Lecce utilizzara' :

a) un sistema lidar di tipo Raman operante a 351 nm, per caratterizzare la distribuzione spaziale degli aerosol, attraverso i profili verticali del coefficiente di estinzione e retrodiffusione aerosolica, del rapporto lidar, della depolarizzazione indotta dagli aerosol e dell' umidita' relativa;

b) un fotometro solare operante ad otto differenti lunghezze d' onda e facente parte della rete mondiale AERONET, per determinare lo spessore ottico aerosolico (AOD) ed alcuni parametri aerosolici quali: la distribuzione dimensionale, l' indice di rifrazione, l' albedo di singolo scattering, il coefficiente di Angstrom;

c) un analizzatore di particolato (FH 95 KF, Thermo ESM Andersen) dotato di 3 differenti teste di misura (PTS, PM10 e PM2.5), per misurare le concentrazioni di particolato al suolo e per caratterizzarne le proprieta' microfisiche (distribuzione dimensionale, composizione elementale, indice di rifrazione complesso) mediante un microscopio elettronico a scansione (SEM) e tecniche spettroscopiche.

L' Unita' dell' Universita' della Basilicata :

a) utilizzera' radiometri ad alta risoluzione ed ampio range spettrale (Mechelle-9000 e Avantes USB-2100) per misurare lo spessore ottico aerosolico in funzione della lunghezza d' onda e quindi ricavare, attraverso tecniche di inversione sviluppate dalla stessa sede, il coefficiente di Angstrom e la distribuzione dimensionale degli aerosol;

b) e si occupera' dell' acquisizione ed analisi di misure satellitari MODIS e TOMS per ricavare dati relativi agli indici e/o spessori ottici aerosolici.

L' Unita' di Ferrara :

a) utilizzera' due separatori inerziali (INSPEC) per raccogliere il particolato al suolo su filtri e separare le particelle raccolte in base al loro diametro aerodinamico, nell' intervallo dimensionale da 0.5 a 6 micron. Tali filtri saranno poi utilizzati per meglio caratterizzare le proprietà microfisiche di aerosol di differente diametro aerodinamico.

b) Si occupera' inoltre della messa a punto di un nefelometro polare per la determinazione di alcune proprieta' radiative e dell' indice di rifrazione delle particelle campionate.

c) Un' altra importante attivita' dell' Unita' e' il calcolo dell' effetto radiativo istantaneo degli aerosol agli estremi superiore (TOA) ed inferiore (BOA) dell' atmosfera utilizzando il codice di trasferimento radiativo 6S per modelli atmosferici con o senza aerosol. La forzatura radiativa indotta dagli aerosol sara' determinata in giorni caratterizzati da differenti pattern di avvezione e nello stesso giorno per differenti valori dell' angolo solare di zenit.

Gli studi e le misure effettuate nell' ambito del progetto saranno relativi solo al sito di LECCE, in quanto si vuole mettere a punto una metodologia di lavoro che possa in futuro essere utilizzata per definire una climatologia aerosolica su larga scala. Allo scopo e' bene osservare che Lecce occupa una posizione cruciale nel centro del Mediterraneo, essendo localizzata su di una stretta penisola piana e pertanto esposta all' avvezione diretta di aerosol provenienti dal Nord Africa, dal Mediterraneo e dall' Atlantico, e dal Nord e Nord-Est dell' EUROPA.

Saranno utilizzate traiettorie analitiche all' indietro ed analisi in "clusters", allo scopo di correlare le proprieta' ottiche e microfisiche degli aerosol e la loro evoluzione spaziale e temporale, all' origine ed alle caratteristiche delle masse d'aria monitorate e quindi ai principali tipi di aerosol (marino, desertico, continentale…). Questa attivita' sara' condotta da tutte le Unita' del Progetto. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Maria Rita PERRONE Università degli Studi di LECCE

Obiettivo del Programma di Ricerca

Le particelle di aerosol interagiscono direttamente e indirettamente con la radiazione solare e terrestre e pertanto, influenzano il bilancio energetico del sistema terra-atmosfera. L'importanza degli aerosol atmosferici sul clima regionale e globale è ben sentita tra scienziati. Essi ritengono che ci sia un urgente bisogno di stimare quantitativamente gli effetti radiativi degli aerosol, e che questa attivita' debba essere realizzata con lo stesso vigore riservato allo studio dei cambiamenti climatici indotti dai gas atmosferici secondari o presenti in tracce.

Oltre all'esigenza di fornire ai modellisti del clima un'appropriata base di dati, ci sono anche altre motivazioni a supporto dell'idea di definire una climatologia globale degli aerosol, come le seguenti:

1) Una climatologia di riferimento è una condizione "sine qua non" per determinare possibili tendenze dovute a processi naturali o antropici, come quella relativa al riscaldamento globale.

2) Radiometri satellitari, fotometri solari e altri sistemi di misura remota, come i lidar elastici, richiedono dati aerosolici attendibili per meglio valutare gli effetti dell'atmosfera o per essere usati in algoritmi per la determinazione di proprietà non aerosoliche, come l'albedo di superficie.

Per contribuire alla definizione di una climatologia aerosolica, si propone un Progetto tra tre Unita' di Ricerca, al fine di realizzare misure e studi complementari volti: a caratterizzare le proprietà ottiche e microfisiche degli aerosol, a determinare la loro evoluzione spaziale e temporale, ed a calcolare la forzatura radiativa da essi indotta, per differenti condizioni di albedo superficiale.

Allo scopo si fara' uso di tecniche numeriche, tecniche di remote sensing e della caratterizzazione del particolato raccolto al suolo.

La misura diretta di diversi parametri aerosolici in funzione dello spazio e del tempo, e la modellizzazione delle proprietà microfisiche degli aerosol, usando dati di tipo e origine differente, con il conseguente calcolo delle loro caratteristiche radiative medie, rappresentano i due approcci che saranno seguiti all'interno del progetto per contribuire alla definizione di un insieme di dati che, in funzione del periodo stagionale e delle condizioni meteorologiche, permetta di parametrizzare in maniera soddisfacente il contributo degli aerosol nei modelli climatici.
In accordo a questo, gli obiettivi principali del progetto sono:

A) fornire una base di dati statisticamente significativa relativa alle proprietà ottiche e microfisiche degli aerosol ed alla loro evoluzione spaziale e temporale, ottenuta:

1) da misure combinate effettuate con un lidar, un fotometro solare CIMEL e due radiometri ad elevata risoluzione ed ampio range spettrale,
2) da dati satellitari (TOMS e MODIS) e
3) da misure effettuate sulle particelle raccolte al suolo con un campionatore di particolato e due separatori inerziali.

B) Investigare la correlazione tra i parametri aerosolici determinati con differenti tecniche sperimentali o ottenuti con l' ausilio di differenti metodi d' inversione, onde evidenziare le caratteristiche principali ed i limiti di ogni tecnica di misura e ricavare informazioni su quante e quali tecniche di misura occorra utilizzare, per poter caratterizzare correttamente le proprietà degli aerosol e ottenere dati statisticamente significativi.

Si ritiene che i risultati di questi studi provvederanno anche delle basi di verita' per le presenti e future missioni satellitari.

C) Collegare le proprietà ottiche e microfisiche degli aerosol alle regioni d'origine delle masse d'aria che li hanno trasportati e quindi ai differenti tipi di aerosol (principalmente marini, desertici e continentali), usando traiettorie analitiche all'indietro ed analisi in cluster ed immagini satellitari fornite da SeaWiFS.

D) Mettere a punto un modello numerico che utilizza dati aerosolici disponibili in letteratura o ricavati nell'ambito del presente progetto, per calcolare le proprieta' radiative e microfisiche medie di alcuni tipi di aerosol (marino, desertico,e continentale), e per studiarne la correlazione con i corrispondenti parametri ottenuti da misure lidar, radiometriche ed analisi del particolato raccolto al suolo. Si ritiene che questi studi numerici possano contribuire a definire una migliore correlazione tra le proprietà degli aerosol determinate sperimentalmente e le proprieta' radiative e microfisiche medie di aerosol di tipo diverso o di diversa origine.

E) Calcolare l'effetto radiativo istantaneo degli aerosol agli estremi superiore (AOT) ed inferiore (BOA) dell'atmosfera, utilizzando il codice di trasferimento radiativo 6S per modelli atmosferici con o senza aerosol ed includendo anche il contributo delle riflessioni multiple tra superficie terrestre e strato di aerosol. In particolare, si vogliono determinare per diverse tipologie di albedo superficiale, ed in condizioni di differente spessore ottico, gli effetti climatici prodotti da particelle di aerosol di diversa origine, come quelle presenti in atmosfera a causa di differenti episodi di trasporto (sabbia desertica, aerosol marino e continentale).

Il monitoraggio degli aerosol sara' effettuato su base regolare in date predeterminate, per poter ridurre la polarizzazione dei risultati a causa della selezione di condizioni meteorologiche particolari e quindi, per ottenere un set di dati statisticamente significativo (Punto A). Sono pianificate 4 misure per settimana in due diversi giorni. Si ritiene che questa scelta possa rappresentare un buon compromesso tra la richiesta di una buona copertura temporale e le risorse umane disponibili.
Dalle misure lidar si vuole ottenere un insieme di profili verticali del coefficiente di estinzione e retrodiffusione aerosolica, del rapporto lidar, del rapporto di depolarizzazione aerosolica e dell' umidita' relativa, che permettano di definire la loro variabilità spazio-temporale ed in particolare, l'evoluzione stagionale, della distribuzione verticale degli aerosol e delle loro proprieta' radiative medie.

Le misure del fotometro Cimel, forniranno importanti parametri aerosolici complementari a quelli lidar, come la distribuzione dimensionale degli aerosol, l'indice di rifrazione reale e complesso, il coefficiente di Angstrom e l'albedo di singolo scattering. Questi dati contribuiranno quindi a definire l'evoluzione stagionale delle proprieta' microfisiche medie degli aerosol monitorati. Mentre, i dati fotometrici di spessore ottico insieme a quelli ottenuti dall' analisi dei dati satellitari MODIS e TOMS permetteranno di definire meglio l'evoluzione stagionale del carico aerosolico e forse, di definire anche lo spessore ottico medio dei vari tipi di aerosol.

Le misure al suolo con un campionatore di particolato e due separatori inerziali, effettuate negli stessi giorni delle misure lidar, permetteranno in primo luogo di studiare la correlazione tra concentrazione di particolato al suolo e spessore ottico aerosolico. Allo scopo, e' bene menzionare che il monitoraggio degli aerosol sara' fatto in un area rurale lontana da centri industriali e traffico urbano. Le caratterizzazioni sulle particelle raccolte, effettuate con il SEM, il nefelometro polare e tecniche spettroscopiche, forniranno invece importanti dati sulle proprieta' microfisiche delle particelle campionate, quali: la distribuzione dimensionale,l'indice di rifrazione e la composizione elementale. Si ritiene che questi ultimi dati permeteranno di studiare le correlazioni con le proprieta' microfisiche degli aerosol campionati in quota.

E' bene infine menzionare che le campagne di misura (4-6) che prevodono l' uso combinato del lidar, del fotometro Cimel e di due radiometri ad elevata risoluzione ed ampio range spettrale, permetteranno una migliore valutazione delle caratteristiche principali ed dei limiti delle diverse tecniche utilizzate. <<<

Risultati parziali attesi

I risultati attesi nei primi 18 mesi del Progetto sono rappresentati dai dati relativi alle proprieta' radiative e microfisiche degli aerosol, ricavati da differenti misure di remote sensing (lidar, fotometriche, radiometriche e satellitari), dal campionamento e caratterizzazione del particolato al suolo e dal modello numerico.

Questi dati saranno costituiti da:

A) I profili verticali del coefficiente di estinzione e di retrodiffusione aerosolica, del rapporto lidar, della depolarizzazione indotta dagli aerosol, del rapporto di mescolamento del vapore acqueo, e dell'umidità relativa, ottenuti da misure lidar effettuate in almeno 100 giorni differenti (circa 2 misure lidar per settimana).

B) I dati ricavati dalle misure del fotometro solare, in particolare per i giorni in cui sono state effettuate le misure lidar e quelle congiunte con le altre 2 Unita' del Progetto. Questi dati saranno: a) distribuzione dimensionale degli aerosol , b) contenuto colonnare del vapore acqueo, c) spessore ottico aerosolico, albedo di singolo scattering, ed indice di rifrazione a diverse lunghezze d'onda.

C) I dati relativi alla caratterizzazione dimensionale degli aerosol ed al coefficiente di Angstrom, ottenuti con differenti tecniche sperimentali e numeriche durante le campagne di misura effettuate con gli spettroradiometri dell' Unita' della Basilicata.

D) I dati relativi alle concentrazioni (PTS, PM10 e PM2.5) del particolato raccolto al suolo, alla determinazione della distribuzione dimensionale delle particelle campionate, alla caratterizzazione della composizione elementale e delle proprieta' chimico-fisiche delle particelle campionate ed infine, alla determinazione dell' indice di rifrazione delle particelle campionate con il metodo di Kubelka-Munch e con il nefelometro polare.

E) I dati relativi alla forzatura radiativa indotta dagli aerosol ed in particolare, quelli relativi:

a) alla valutazione del forcing radiativo diretto prodotto al TOA ed al BOA per differenti condizioni di albedo superficiale;

b) alla caratterizzazione della dipendenza del forcing radiativo dalla concentrazione e dalle caratteristiche delle particelle presenti nella colonna di aerosol considerata.

F) Le relazioni funzionali, ottenute dal modello Monte Carlo, leganti il coefficiente di retrodiffusione aerosolica a 351 nm con il coefficiente di estinzione aerosolica, il rapporto lidar, l'area ed il volume per aerosol di tipo marino, desertico e continentale.Di seguito sono elencati alcuni dei piu' imporanti risultati relativi alla FASE 2 del progetto.

A) Risultati sull' evoluzione stagionale e con la quota dei principali parametri aerosolici determinati da misure lidar come: il coefficiente di estinzione e retrodiffusione aerosolica, il rapporto lidar ed il rapporto di depolarizzazione.

B) Risultati sulla dipendenza dei sopramenzionati parametri lidar dall' umidita' relativa.

C) Risultati sulla dipendenza stagionale e con la quota del rapporto di mescolamento del vapore acqueo e dell' umidita' relativa.

D) Risultati sulla dipendenza stagionale dei principali parametri aerosolici ottenuti dalle misure fotometriche come: lo spessore ottico, il coefficiente di Angstrom, l' albedo di singolo scattering, l' indice di rifrazione reale ed immaginario e la distribuzione dimensionale.

E) Risultati sulla dipendenza stagionale della concentrazione al suolo di PTS, PM10 e PM2.5

F) Risultati sulla correlazione tra gli spessori ottici determinati con il lidar, il fotometro solare, gli spettroradiometri e i dati satellitari (MODIS e TOMS).

G) Risultati sulla dipendenza dall' origine delle masse d' aria monitorate dei principali parametri aerosolici determinati come: lo spessore ottico, il coefficiente di Angstrom, l' albedo di singolo scattering, l' indice di rifrazione reale ed immaginario, la distribuzione dimensionale, il rapporto lidar, il rapporto di depolarizzazione, il contenuto colonnare di vapore acqueo, l' umidita' relativa e la concentrazione del particolato al suolo.

Questi ultimi risultati rappresenteranno un utile contributo per correlare le proprietà ottiche e microfisiche degli aerosol al tipo di aerosol. E' bene menzionare, che il rapporto lidar dipende dalla forma, dalla distribuzione dimensionale e dall' indice di rifrazione degli aerosol monitorati e pertanto, e' generalmente utilizzato per caratterizzare aerosol di tipo diverso.

H) Risultati sulla dipendenza della composizione elementale media delle particelle campionate al suolo dall'origine delle masse d'aria.

I) Risultati sul calcolo dell' effetto radiativo medio degli aerosol agli estremi superiore ed inferiore dell' atmosfera, effetuato per aerosol di diversa origine e tipo, di differente spessore ottico e per differenti condizioni di albedo superficiale.

Questi ultimi risultati rappresenteranno un utile contributo per valurare le tipiche condizioni responsabili di una forzatura aerosolica positiva o negativa.

L) Risultati sulle correlazioni tra i parametri radiativi ottenuti dal modello numerico per aerosol di tipo diverso ed i corrispondenti ottenuti da misure lidar. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il particolato atmosferico, o aerosol, è un costituente atmosferico la cui importanza è aumentata negli ultimi anni a causa del loro ruolo nel bilancio energetico del sistema terra - amosfera. Gli aerosol hanno infatti un ruolo diretto in questo bilancio, in quanto assorbono e diffondono la radiazione solare, e uno indiretto,perché agiscono da centro di nucleazione per il vapore acqueo, contribuendo così alla formazione delle nubi e modificandone le proprietà ottiche. Alcune evidenze sperimentali dell'effetto diretto sono note da tempo, in particolare il raffreddamento dovuto all'aumentata albedo atmosferica [Robock1995], altre sono invece piu' difficili da dimostrare, come il riscaldamento indotto dall'assorbimento di radiazione da parte degli aerosol carbonacei [Jacobson2000]. Ci sono attualmente delle evidenze sperimentali del primo effetto indiretto[Penner2004], cioè l'aumento del numero di gocce d'acqua, e una diminuzione del loro raggio, e del secondo effetto indiretto, ovvero una diminuzione delle precipitazioni [Ramanathan2001]. C'e' un'ampia convergenza nella comunità scientifica sul fatto che il ruolo degli aerosol nei cambiamenti climatici sia importante e sul fatto che lo sforzo futuro debba essere concentrato sulla riduzione dell'incertezza legata alla stima della forzatura radiativa del clima dovuta agli aerosol [Anderson2003]. Il capitolo dedicato agli aerosol del rapporto 2001 del "International Panel on Climate Change" fornisce un resoconto dettagliato dei risultati raggiunti [IPCC2001]

La difficoltà intrinseca nella trattazione degli aerosol è dovuta alla varietà delle sorgenti (naturali e antropiche), alla varietà delle proprietà chimico-fisiche e morfologiche, e alla breve vita media degli aerosol, se confrontata con quella tipica dei gas serra. Tutte queste caratteristiche fanno si che su scala mondiale si
registri una grande variabilità spazio temporale delle proprietà aerosoliche. Di conseguenza, la forzatura radiativa varierà da punto a punto e i modelli per l'evoluzione del clima dovranno tenerne conto.

La tendenza attuale al riscaldamento globale ha stimolato lo sviluppo di modelli climatici sempre più sofisticati; il ruolo degli aerosol è comunque tuttora incerto, e in particolare non si può ancora rispondere con certezza alla domanda se il loro contributo al riscaldamento globale sia positivo o negativo. Questo fatto ha stimolato la creazione di diverse campagne di misura e reti permanenti di misura a livello nazionale, continentale o mondiale, che si avvalgono di diverse tecnologie, con lo scopo di creare una base di dati affidabile che possa vincolare i risultati dei modelli climatici.

Parallelamente, anche l'analisi teorica dell'interazione tra radiazione e particelle, partendo dalla teoria di Mie per particelle sferiche, ha conosciuto un forte sviluppo, insieme con i modelli di trasporto delle polveri.

Esistono quindi gli strumenti sperimentali e teorici per contribuire alla creazione di una climatologia degli aerosol, ovvero di un insieme di dati che, in funzione del periodo stagionale e delle condizioni meteorologiche permetta di parametrizzare in maniera corretta il contributo degli aerosol ai modelli climatici.

Nel seguito verranno descritte le tecnologie di misura più comunemente usate e i principali progetti in corso. Per quanto riguarda le tecnologie di misura, distinguiamo prima di tutto le misure locali dalle misure a distanza. Queste ultime sono basate principalmente sulla misura delle proprietà radiative dell'atmosfera. Poiché la composizione molecolare dell'atmosfera è nota con buona approssimazione, è possibile isolare dalle misure effettuate il contributo molecolare per ottenere informazioni sugli aerosol. Il fatto che le dimensioni lineari degli aerosol atmosferici siano confrontabile con la lunghezza d'onda della radiazioni elettromagnetiche nella regione ottica fa si che esista una dipendenza delle proprietà ottiche dalla lunghezza d'onda, che può quindi essere misurata. Le misure ottiche a distanza per mezzo di sensori passivi vengono effettuate principalmente con radiometri posti al suolo o su satellite, che misurano l'irradianza solare diretta e/o diffusa.
Questi strumenti hanno una scarsa risoluzione spaziale, misurando sostanzialmente delle quantità integrate sul percorso della radiazione solare, ma hanno il vantaggio di essere facilmente trasportabili, e relativamente facili da usare. Il loro funzionamento può essere automatizzato, fornendo cosi' delle misure con una buona risoluzione temporale su tempi lunghi. Inoltre operano su un ampio intervallo di lunghezze d'onda. In particolare presso l'unità di Lecce è in funzione un fotometro Cimel automatico che opera su 8 lunghezze d'onda, mentre l'unità di Potenza opera un radiometro ad alta risoluzione spettrale (0.5 nm). Dalle misure di irradianza alle diverse lunghezze d'onda si ottiene lo spessore ottico dell'atmosfera; attraverso opportuni algoritmi di inversione si possono dedurre le proprietà microfisiche degli aerosol, ovvero l'indice di rifrazione complesso e la distribuzione dimensionale.

Misure di questo genere si ottengono anche con radiometri su satellite. Citiamo qui gli strumenti TOMS e MODIS che permettono un monitoraggio globale del pianeta, anche se con limitata risoluzione spazio-temporale. Gli strumenti attivi per la misura delle proprietà ottiche degli aerosol sono i LIDAR ; è stato dimostrato negli ultimi anni che i sistemi lidar che utilizzano laser ultravioletti o visibili, come gli eccimeri o il le diverse armoniche del Nd:YAG, sono in grado di fornire misure del coefficiente di estinzione e retrodiffusione aerosolica, con elevata risoluzione spaziale e temporale [Whiteman92]. I segnali dovuti alla radiazione retrodiffusa alla stessa lunghezza d'onda della radiazione incidente dipendono dai processi di diffusione con le molecole atmosferiche e con gli aerosol. Mentre i segnali di retrodiffusione anelastica, che hanno origine dai processi di diffusione Raman vibrazionale delle molecole ( azoto, ossigeno,vapore acqueo), dipendendo solo dall'estinzione e dalla densità atmosferica, possono essere utilizzati per ottenere il coefficiente di estinzione aerosolica ed il rapporto di mescolamento del vapor d'acqua [Ansmann1990], dal quale è possibile ottenere il profilo dell'umidità relativa che è un importante parametro per la caratterizzazione degli aerosol, poiche' essi possono assorbire il vapore acqueo aumentando le loro dimensioni lineari. L'uso di più lunghezze d'onda (tipicamente le diverse armoniche di un laser Nd-Yag) permette di ottenere informazioni sui parametri microfisici delle particelle [Bockmann2001b]. La rivelazione della depolarizzazione della luce laser inviata permette di ottenere informazioni sulla simmetria delle particelle.


Le misure locali permettono di ottenere informazioni molto dettagliate sugli aerosol atmosferici. Le analisi sul particolato atmosferico raccolto al suolo permettono di avere informazioni sulla concentrazione, distribuzione dimensionale, struttura morfologica, composizione chimica, e proprieta' ottiche (indice di rifrazione) degli aerosol [Levin1979], utilizzando tecniche SEM, TEM, e spettrofotometriche. Altre proprietà ottiche come l'estinzione, la funzione di fase, il parametro di asimmetria possono essere ottenute direttamente attraverso misure di scattering con strumenti
detti "nefelometri". Le misure locali possono essere, in particolari condizioni, correlate con le misure remote [Smirnow2000]

Queste diverse tecniche di misura vengono, per quanto possibile, utilizzate insieme nelle campagne di misura. Nelle misure coordinate su larga scala si preferisce invece utilizzare strumenti il piu' possibile simili.

La rilevanza internazionale dello studio dell'evoluzione spaziale e temporale degli aerosoli è dimostrata dai numerosi progetti in corso, o già realizzati, inerenti questa attività di ricerca. Sono state realizzate diverse campagne intensive, necessariamente limitate in estensione spazio-temporale. La campagna intensiva denominata "Tropospheric Aerosol Radiative Forcing Observational Experiment" (TARFOX), condotta al largo della costa est degli Stati Uniti tra il 10 ed il 31 Luglio 1996, è stata programmata per ridurre le incertezze nella stima degli effetti sul clima degli aerosol antropici [Ferrare2000]. Tre campagne intensive denominate
"Aerosol Characterization Experiment" (ACE) sono state condotte negli ultimi anni in diversi luoghi per investigare le proprietà degli aerosol con tutti i diversi mezzi possibili [ACE1999, ACEAsia2003].

Le misure globali sono invece essenzialmente di due tipi: le misure da satellite e le misure coordinate su reti di scala mondiale. La dimostrazione della possibilità di un monitoraggio tramite lidar della distribuzione globale degli aerosol è stata effettuata dal "Lidar In-space Technology Experiment" (LITE) della NASA [Winker96] nel 1994, con un lidar imbarcato su uno Space Shuttle. Esperimenti con una maggiore estensione temporale devono ovviamente essere montati su satelliti (o stazioni orbitanti, come e' stato il caso per la stazione russa MIR che ospito' un lidar per lo studio delle nubi) e funzionare in modalità automatica. Tra i progetti in corso ricordiamo il LIDAR spaziale CALIPSO, il cui lancio e' previsto nel 2005, che potrà sondare l'atmosfera a due lunghezze d'onda (1021 e 510 nm) e rivelare la depolarizzazione del segnale a 510 nm. Questo sistema farà parte di una "costellazione" di 5 satelliti che permetterà di avere misure correlate di diverso tipo sull'atmosfera.

La prima rete coordinata di misure lidar è stata istituita nel 1998 in Germania. L'"Aerosol Lidar Network", composto da sei Istituti di ricerca dotati tutti di sistemi lidar, è stato finanziato dal Ministro Federale per l'Educazione e la Ricerca nell'ambito del progetto "Atmospheric Aerosol Research" (AFS) [Boesenberg2001] . E'
importante sottolineare che quest'ultimo progetto ha dato origine successivamente al progetto Europeo EARLINET (Contratto N. EVRI-CT1999-40003) operativo dal 01/02/2000 al 28/02/2003 [Boesenberg2003]. L'obiettivo del progetto EARLINET e'stato quello di
ottenere un "data-base" relativo alla distribuzione orizzontale e verticale degli aerosoli, utilizzando 21 stazioni lidar sparse su tutto il territorio Europeo. L'Unità di Lecce ha partecipato a questo progetto. Nonostante il progetto sia terminato, le singole unità continuano nella presa dati in attesa che questo sia
rifinanziato.


Il più grosso sforzo per il monitoraggio globale degli aerosol con sistemi basati al suolo è attualmente la rete gestita dalla NASA "Aerosol Robotic Network-AERONET [Dubovik2000], che e' una rete mondiale di fotometri solari simili che operano in maniera continua e automatizzata. I risultati delle misure sono disponibili attraverso la rete Internet a tutta la comunità scientifica. L'Unita' di Lecce fa parte di questa rete. Su di un determinato sito è possibile ottenere lo spessore ottico a diverse lunghezze d'onda e l'irradianza diffusa. Sotto l'ipotesi di particelle sferiche e distribuzione omogenea degli aerosol è possibile ottenere la concentrazione, la distribuzione dimensionale e l'indice di rifrazione complesso delle particelle. Gli algoritmi di inversione sono sottoposti a continui
miglioramenti per potere correggere le ipotesi iniziali, quali ad esempio l'assunzione di particelle sferiche.

Si vede quindi come lo sviluppo di modelli numerici per trattare l'interazione tra luce e aerosol debba andare di pari passo con lo sviluppo dei metodi di misura. Dal punto di vista teorico la trattazione degli aerosol atmosferici e della loro interazione con la luce si sviluppa in due parti:

a) lo studio dell'interazione della luce con la singola particella, che viene esteso all'interazione con una popolazione di particelle diverse, da cui è possibile ottenere dei modelli di trasporto radiativo.

b) la modellizzazione delle proprietà fisico-chimiche e morfologiche degli aerosol,la loro produzione, il loro trasporto e le loro trasformazioni. Una buona modellistica permetterebbe quindi di avere una previsione teorica del tipo di aerosol presente in un luogo data la situazione meteorologica e la storia delle masse d'aria.

Nel seguito ci focalizzeremo sul punto a) in quanto il punto b) e' meno rilevante per il presente progetto.

Il punto a) ha la sua base nella teoria di Mie [Bohren83] per particelle sferiche omogenee. Questa, pur essendo una teoria esatta, richiede l'uso di metodi numerici per il calcolo completo delle proprietà ottiche di una popolazione arbitraria di particelle sferiche. Sono stati compiuti recentemente diversi sforzi per la
descrizione dell'interazione con particelle non sferiche o non omogenee. E' stato mostrato in [Bockmann2001] che le proprietà di diffusione di particelle inomogenee e debolmente assorbenti possono essere notevolmente differenti da quelle che caratterizzano le stesse particelle quando sono mescolate omogeneamente o sono considerate non assorbenti. Una trattazione sulle particelle non sferiche può essere
trovata in [Mischenko97]

Uno studio numerico sul "lidar ratio", dato dal rapporto tra il coefficiente di estinzione aerosolica ed il coefficiente di retrodiffusione, è stato effettuato in [Ackermann2000]. Una adeguata stima del "lidar ratio" è importante per risolvere l'equazione lidar e per investigare l'impatto degli aerosol sul clima. Un "data-base" relativo alle proprietà ottiche degli aerosoli (estinzione, scattering, coefficiente di assorbimento, funzione di fase, fattore di asimmetria, e albedo di singolo scattering) è stato presentato in [Levoni97]. In questo lavoro sono stati considerati anche gli effetti dell'umidità relativa (RH) e pertanto il calcolo è stato effettuato in condizioni di clima secco (RH = 0%) e umido (RH = 99%). In [Levoni97] è dimostrato che le proprietà ottiche degli aerosoli, calcolate per mezzo del "data-base", consentono la simulazione della diffusione dello spettro solare dall'atmosfera. Le proprietà di un evento relativo alla presenza di polvere Sahariana sul Mediterraneo sono state investigate in [Gobbi2000]con l' ausilio di un modello numerico, per stimare l'estinzione e la superficie della polvere Sahariana. La polvere desertica assorbe a lunghezze d'onda che cadono nell'UV, nel visibile e nell'infrarosso. Quindi, la sua presenza nell'atmosfera può portare sia ad un effetto di raffreddamento o riscaldamento, in base ad alcune proprietà quali l'albedo di singolo scattering, l'altezza dello strato e l'albedo della superficie inferiore [Liao98]. Un modello numerico che utilizza la tecnica di Monte Carlo, e' stato sviluppato in [Barnaba2001] per determinare le relazioni analitiche che legano il coefficiente di retrodiffusione elastica al coefficiente di estinzione, all' area ed ad volume degli aerosol troposferici di origine marina e desertica. Tale modello è estensibile al caso di particelle non sferiche usando i risultati di [Mischenko97]

Il calcolo della forzatura radiativa si ottiene da misure di irradianza solare diffusa e modelli di trasporto della radiazione come il 6S [Vermote97], che può tenere conto della presenza di aerosol e della albedo superficiale. In vari modelli
radiativi [Hanel1999, Vitale2000] si è visto che una certa quantità colonnare di particelle, comprendenti un contenuto moderato di particelle assorbenti, può produrre il raffreddamento dell'area sottostante se questa ha una bassa riflettività, come una regione oceanica, ma può anche produrre effetti climatici opposti sopra superfici di riflettività superiore a 0.15. Occorre quindi modellizzare anche il comportamento della superficie oltre a quello degli aeorosol. <<<