Bibliografia
[1]. M.Z. Jacobson "Strong radiative heating due to the mixing state of black carbon in atmospheric aerosols", Nature, 409, 695-697 (2001).
[2]. V. Matthias and J. Bosenberg, "Aerosol climatology forthe planetary boundary layer derived from regular lidar measurements”, Atmospheric Res., 63, 221-245, 2002.
[3]. D.N. Whiteman, S.H. Melfi, and R.A. Ferrare, "Raman lidar system for the measurement of water vapor and aerosols in the Earth's atmosphere", Applied Optics, 31, 3068-3082 (1992).
[4]. A. Ansmann, M. Riebesell, and C. Weitkamp, "Measurement of atmospheric aerosol extinction profiles with a Raman lidar", Optics Letters, 15, 746-748 (1990).
[5]. F.G. Fernald, "Analysis of atmospheric lidar observations: some comments", Applied Optics, 23, 652-653 (1984).
[6]. J. D. Klett, "Stable analytical inversion solution for processing lidar returns", Appl. Optics 20, 211-220 (1981).
[7]. V. M. Karyampundi, et al., "Validation of the Sahara dust plume conceptual model using lidar, Meteosat, and ECMWF data", Bull. Am. Meteorol. Soc. 80, 1045-1075 (1999).
[8]. R. M. Hoff and K. B. Strawbridge, 'LITE Observations of anthropogenically produced aerosols", in Advances in Atmospheric remote Sensing with Lidar, edited by A. Ansmann, et al. pp. 145-148, Springer-Verlag, New York, 1977.
[9]. G. S. Kent, C. R. Trepte, K. M. Skeens, and D. M. Winker, "LITE and SAGE II measurements of aerosols in the southern hemisphere upper troposphere", J. Geophys. Res., 103, 19111-19127 (1998).
[10]. S. T. Shipley, D. H. Tracy, E. W. Eloranta, J. T. trauger, J. T. Sroga, F. L. Roesler, and J. A. Weinmann, " A high spectrl resolution lidar to measure optical, scattering properties of atmospheric aerosols. Pat I, Instrumentation and theory", Appl. Optics., 23, 3716-3724 (1983).
[11]. J. Reichardt, U. Wandinger, M.Serwazi, C.Weitkamp, "Combined Raman lidar for aerosols,ozone, and moisture measurements", Opt. Eng. 35, 1457-1465 (1996).
[12]. O. Dubovik, A. Smirnov, B. N. Holben, M. D. King, Y. J. Kaufman, T. F. Eck, and I. Slutsker, "Accuracy assessments of aerosol properties retrieved from Aerosol Robotic Network (AERONET) sun and sky radiance measurements", J. of Geophy. Res., 105, 9791-9806 (2000).
[13] A. Smirnov, B. N. Holben, D. Savoie, J. M. Prospero, Y. J. Kaufman, D. Tanre, " Relationship between column aerosol optical thickness and in situ ground based dust concentrations over Barbados", Geophys. Res. Lett., 27, 1643-1646 (2000).
[14]. T. Takamura, Y. Sasano, and T. Hayasaka, " Tropospheric aerosol optical properties derived from lidar, sun photometer, and optical particle counter measurements," Appl. Optics, 33, 7132-7140 (1994).
[15]. J. Ackermann, "The extinction-to-backscatter ratio of tropospheric aerosol: a numerical study", J. of Atmosph. And Oceanic Techn., 15, 1043-1050 (1998).
[16]. F. Barnaba and G. P. Gobbi, "Lidar estimation of trophospheric aerosol extinction, surface area and volume:Maritime and desert-dust cases", J. of Geophys. Res., 106, 3005-3018 (2001).
[17] M. I. Mishchenko, L. D. Travis, R. A. Kahn, and R. A. West,"Modeling phase function for dustlike tropospheric aerosols using a shape mixture of randomly oriented polydisperse spheroid", J. Geophys. Res., 102, 16831-16847 (1997).
[18] F. Prodi and G. Fea, “A case of transport and deposition of Sahara dust over the Italian Peninsula and Southern Europe, “ J. Geophys. Res., 84C, 6951-6960, 1979.
[19] E. M. Patterson, D. A. Gillette, and B. H. Stockton, “ Complex index of refraction between 300 and 700 nm for Sahara Aerosols, J. Geophys. Res., 82, 3153-3160, 1977.
[20] L. Paoletti, B. De Berardis, and M. Diociaiuti, “ Physico-chemical characterization of the inalable particulate matter (PM10) in an urban area: an analysis of the seasonal trend,” The Science of the total Environment, 292, 265-275, 2002.
[21] C. Kottmeier and B. Fay, "Trajectories in the antarctic lower troposphere", J. Geophys. Res., 105, 10947-10959, 1998
Programma di ricerca
"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 di riferimento
Università degli Studi di LECCE -
FISICA - LECCE(LE)
Responsabile dell'Unità di ricerca
Maria Rita PERRONE
Descrizione
L' 'attività di ricerca che si intende svolgere nell' ambito di questo progetto mira a fornire una base di dati statisticamente significativa, relativa alle proprietà ottiche e microfisiche degli aerosol ed utile al calcolo della forzatura radiativa da essi indotta. Allo scopo saranno usate differenti tecniche di misura e di analisi, e saranno effettuate presso l' Unita' di Lecce, campagne di misura congiunte con l' Unita' di Ricerca dell' Universita' della Basilicata (UniBas) e di Ferrara (UniFe). L'attività di ricerca verrà svolta nell'arco di due anni ed i primi 18 mesi (FASE 1) saranno dedicati: a) a misure lidar, fotometriche e di particolato al suolo effettuare su base regolare, e ad alla determinazione dei corrispondenti parametri aerosolici; b) a campagne di misura congiunte con l' Unita' UniBas ed UniFe, effettuate a Lecce; c) alla messa a punto din un modello numerico [16]che permetta di ottenere a 351 nm (lunghezza d' onda di lavoro del lidar) delle relazioni funzionali relative alle proprieta' radiative medie di diversi tipi di aerosol: marittimi, continentali e desertici. Gli ultimi 6 mesi del progetto (FASE 2) saranno invece principalmente dedicati all'analisi quantitativa e qualitativa, attraverso correlazioni statistiche, di tutti i diversi parametri aerosolici ottenuti sperimentalmente e con il modello numerico, allo scopo di fornire all' Uinta' UniFe dati utili al calcolo della forzatura radiativa aerosolica per i diversi tipi di aerosol: marittimi, continentali e desertici. FASE 1: DESCRIZIONE DELL' ATTIVITA' NEI PRIMI 18 MESI (Supporto finanziario richiesto: ~ 70% del totale). Passiamo ora a descrivere in dettaglio i metodi e gli apparati sperimentali che saranno utilizzati nei primi 18 mesi del progetto. Per la caratterizzazione della distribuzione verticale del contenuto aerosolico sara' utilizzato un sistema lidar del tipo Raman-elastico, che e' operativo sin dal 1999 presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Lecce. La stazione lidar è composta da un laser a eccimeri allo XeF (351 nm), un telescopio Newtoniano con specchio di 30 cm di diametro e 120 cm di focale e quattro canali di acquisizione. Due canali di acquisizione operano alla lunghezza d'onda del laser e vengono utilizzati per il monitoraggio del segnale elastico e la determinazione della depolarizzazione indotta dagli aerosol. Gli altri 2 canali operano alle lunghezze d'onda spostate in frequenza per effetto Raman, delle molecole di N2 ed H2O e vengono utilizzati per ricavare rispettivamente i profili verticali del coefficiente di estinzione aerosolica e del rapporto di mescolamento del vapore acqueo. In ogni canale, la selezione spettrale della radiazione retrodiffusa, è ottenuta con l' ausilio di specchi dicroici, filtri interferenziali o monocromatori. La radiazione retrodiffusa è poi rivelata con dei fotomoltiplicatori. I segnali elastici ed il segnale Raman dell' N2 sono rivelati sia in modo analogico digitale che con conteggio di fotoni, mentre il segnal Raman del vapor acqueo e' rivelato solo in fotoconteggio. Questa configurazione permette attualmente di misurare nelle ore notturne ed in un intervallo di altezza di 600-10000 metri, i profili verticali: a) del coefficiente di retrodiffusione e estinzione aerosolica e del rapporto lidar, b) del rapporto di mescolamento del vapore acqueo e dell' umidita' relativa, c) della depolarizzazzione indotta dagli aerosol. Le misure Raman durante le ore diurne non sono al momento possibili, pertanto, le misure diurne possibili sono quelle di depolarizzazione e del coefficiente di retrodiffusione aerosolica nel range 600-6000 metri. E' ben noto che la depolarizzazione della luce laser inviata in atmosfera e' dovuta alla presenza di particelle non sferiche. Pertanto, i profili vericali di depolarizzazione permetteranno di avere informazioni sulla distribuzione verticale delle particelle non sferiche. Questi dati sono alquanto utili per caratterizzare in modo opportuno le proprieta' radiative degli aerosol e quindi gli effetti di forzatura radiativa da essi indotti. Nell'ambito del progetto sara' anche utilizzato il fotometro solare automatico (CE-318), sviluppato da CIMEL-Electronique, che effettua misure di irradianza solare diretta e diffusa ad 8 differenti lunghezze d'onda: 340, 380, 440, 500, 678, 870, 936,1020 nm. Tale fotometro è operativo presso il Dipartimento di Fisica dal Marzo 2003 ed e' localizzato in prossimita' della stazione lidar. E' bene ricordare che conviene utilizzare tecniche di misura complementari a quelle lidar, per una migliore e piu' completa caratterizzazione delle proprietà ottiche e microfisiche degli aerosol. Il fotometro utilizzato in questo progetto opera nell' ambito della rete AERONET (AErosol RObotic NETwork) [12, 14]: una rete di misure ottiche al suolo che in primo luogo, è stata costituita dalla NASA e successivamente e' stata estesa ad altre istituzioni. Questa rete fornisce dati a differenti lunghezze d' onda ed integrabili con quelli satellitari e con lidar: a) del contenuto colonnare di vapore acqueo, b) dello spessore ottico degli aerosol, c) della distribuzione dimensionale degli aerosol, d) dell' indice di rifrazione reale ed immaginario degli aerosol, e) dell' albedo di singolo scattering e del coefficiente di Angstron. Come si e' detto saranno effettuate a Lecce anche misure con lo spettroradiometro dell' Unita' UniBas ed i separatori inerziali dell' Unita' UniFe. E' bene far notare che per il calcolo dei parametri aerosolici da misure di irradianza solare verranno utilizzati codici di inversione sviluppati rispettivamente presso le Unita' UniBas ed UniFe. Queste attivita' sono di notevole importanza per testare la validita' dei dati forniti dalla rete AERONET. Saranno effettuate inoltre misure di particolato al suolo utilizzando l' analizzatore FH 95 KF (Thermo ESM Andersen) dotato di 3 differenti teste per la misura della concentrazione di PTS, o di PM10 o di PM2.5. Tali dati saranno utilizzati in primo luogo per studiare la correlazione tra la concentrazione del particolato al suolo e lo spessore ottico aerosolico. La caratterizzazione chimico-fisica del particolato raccolto sara' effettuata dall' Unita' di Lecce ed dall' Unita' di Ferrara. In particolare, le caratterizzazioni effettuate dall' Unita' di Lecce prevedono l' utilizzazione di tecniche di Microscopia Elettronica (SEM) e spettroscopiche [18-20]. Infatti, si utilizzara' un SEM per rivelare la morfologia delle particelle e determinare la loro distribuzione dimensionale. Su gruppi caratteristici di particelle verra' anche fatta una caratterizzazione microanalitica mediante spettroscopia di raggi X a dispersione di energia (EDS), per rivelare la composizione in elementi di ciascuna particella e fornire una indicazione più quantitativa dei minerali presenti nell'aerosol. Questa metodica consentira' di individuare le particelle costituite da aggregati di minerali diversi. Particolare attenzione sara' rivolta all' individuazione e caratterizzazione di nanoparticelle. Alcuni campioni di particelle saranno anche mescolati con polvere di bromuro di potassio per ottenere pasticche adatte a misure di spettroscopia infrarossa in trasmissione, con uno spettrometro FT-IR Perkin Elmer Spectrum 2000, nell'intervallo spettrale tra 2,5 e 30 micron. Il KBr è trasparente nella regione spettrale di interesse, e pertanto lo spettro ottenuto può fornire un'indicazione qualitativa della presenza nel campione di quantità significative di sostanze caratterizzate da uno spettro di assorbimento nell' IR. Alcuni campioni di particelle saranno inoltre utilizzati per determinare la parte immaginaria dell'indice di rifrazione con il metodo Kubelka-Munk [19]. La realizzazione di modelli numerici per la caratterizzazione delle proprieta' radiative e microfisiche medie degli aerosol, rappresenta un'altra delle principali attività che sara' svolta nei primi 18 mesi del progetto. Il modello numerico descritto nella ref. [16], basato su un approccio Monte Carlo, è stato sviluppato per un lidar elastico operante a 532 nm, e per aerosol marini e desertici. Nell'ambito del progetto, tale modello sarà generalizzato per poter determinare, per un lidar operante a 351 nm, le relazioni funzionali tra il coefficiente di backscattering e altre importanti proprietà quali l'estinzione, il lidar ratio, l'area e il volume degli aerosol, per aerosol di tipo marino, continentalie e desertico. Le relazioni funzionali tra i diversi parametri aerosolici saranno ottenute utilizzando i dati disponibili in letteratura e quelli ottenuti nell' ambito di questo Progetto, considerando un grande numero (tipicamente 20000) di distribuzioni dimensionali di aerosol e differenti composizioni aerosoliche, per i diversi tipi di aerosol. Il confronto tra i dati forniti dal modello per i diversi tipi di aerosol e quelli ricavati dalle diverse tecniche sperimentali, contribuira' ad una migliore caratterizzazione delle proprieta' ottiche e microfisiche dei diversi tipi di aerosol monitorati a Lecce. Si utilizzeranno inoltre le traiettorie analitiche "a 4-giorni all' indietro" fornite dal Servizio Meteorologico Tedesco [21] e le immagini SeaWifs [http://seawifs.gsfc.nasa.gov] per determinare l' origine delle masse d' aria monitorate. Queste analisi permetteranno di correlare le proprieta' degli aerosol determinate sperimentalmente, alle regioni d'origine delle masse d' aria e pertanto ai vari tipi di aerosol: marittimo, continentale, desertico. Le traiettorie analitiche relative alle masse d'aria che arrivano sul sito lidar, sono calcolate dal Servizio Meteorologico tedesco usando i campi di vento analitici del centro europeo per la previsione del tempo (ECMWF), su una griglia tridimensionale con una risoluzione temporale di 6 ore. I dati sono forniti per sei altezze di arrivo (corrispondenti a pressioni di 975, 850, 700, 500, 300 e 200 hPa ) e per due orari di arrivo (13:00 UT e 19:00 UT) su base giornaliera [21]. RISULTATI ATTESI RELATIVI AI PRIMI 18 MESI di ATTIVITA': A) Profili verticali del coefficiente di estinzione e di retrodiffusione aerosolica, del rapporto lidar ratio, 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) Risultati relativi alle 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 Tali risultati saranno relativi a: a) distribuzione dimensionali degli aerosol , b) contenuto colonnare del vapore acqueo, c) spessore ottico aerosolico, albedo, ed indice di rifrazione a diverse lunghezze d'onda. C) Risultati sulle misure congiunte effettuate con lo spettroradiometro delle Unita' Unibas ed i separatori inerziali dell' Unita' UniFe. D) Risultati sull'analisi in cluster delle traiettorie analitiche "a 4 giorni all' indietro", almeno per i giorni corrispondenti alle misure lidar. E) Relazioni funzionali, ottenute dal modello Monte Carlo, leganti il coefficiente di retrodiffusione aerosolica a 351 nm con il coefficiente di estinzione aerosolica, l'area ed il volume per aerosol di tipo marino, desertico e continentale. FASE 2: ATTIVITA' dal mese 19 al 24 (finanziamento: 30% del costo totale) Gli ultimi 6 mesi del progetto saranno principalmente dedicati alla ricerca delle correlazioni statistiche tra le proprietà degli aerosol determinate con le differenti tecniche di misura e con il modello numerico. Allo scopo, saranno analizzati tutti i dati relativi alla caratterizzazione degli aerosol ottenuti dalle 3 Unita' di Ricerca del progetto. Un importante obiettivo del progetto e' quello di investigare la correlazione tra le proprietà degli aerosol determinate con metodi e tecniche sperimentali differenti, e mostrare che sono richieste diverse tecniche e set di dati per caratterizzare correttamente le proprietà degli aerosol, ed ottenere dati statisticamente significativi, che possano poi essere utilizzati per definire una climatologia aerosolica adatta ai modelli climatici. Una particolare attenzione sara' rivolta alla dipendenza stagionale di tutti i parametri investigati ed alla loro dipendenza dall'origine della masse d'aria monitorate. Queste analisi, supportate dall'analisi in cluster delle traiettorie a 4 giorni, permetteranno una migliore definizione della dipendenza delle proprietà ottiche e microfisiche degli aerosol dalle masse d'aria che raggiungono il sito lidar. La correlazione tra misure lidar e fotometriche dello spessore ottico e del contenuto colonnare di vapore acqueo è un ulteriore obiettivo dell'attività del progetto. L'evoluzione annuale e stagionale dello spessore ottico aerosolico ottenuto da misure lidar, di irradianza solare e satellitari correlate con le concentrazioni del particolato al suolo, rappresenta un altro obiettivo del progetto. Altri temi di studio della seconda fase del progetto sono: a) le correlazioni tra la composizione chimica ed elementale degli aerosol raccolti al suolo e le proprietà radiative aerosoliche ottenute da misure lidar e fotometriche; b) le correlazioni tra la distribuzione dimensionale del particolato raccolto al suolo e quella ottenuta negli stessi giorni dalle misure di irradianza solare. RISULTATI ATTESI DEL PROGETTO Il risultato piu' importante del progetto e' rappresentato dall'insieme di dati relativi alla caratterizzazione delle proprieta' radiative e microfisiche medie di aerosol di diverso tipo ed origine ed ottenuti con l' ausilio di differenti tecniche di misura di remote sensing e di analisi del particolato raccolto al suolo. Tali dati saranno utili a valutare la forzatura radiativa dei diversi tipi di aerosol in differenti periodi dell' anno e pertanto contribuiranno a definire una climatologia aerosolica. Il raggiungimento del principale risultato del progetto puo' essere valutato dai seguenti risultati parziali: A) Dati sull' evoluzione annuale e stagionale dello spessore ottico determinato attraverso misure lidar, di irraddianza solare e satellitari e sulle correlazioni con la concentrazione del particolato al suolo. B) Dati relativi all' evoluzione annuale e stagionale del coefficiente di estinzione aerosolica, del lidar ratio, dell'umidità relativa, determinate da misure lidar, e della parte immaginaria dell'indice di rifrazione degli aerosol, determinata dalle misure del fotometro solare. C) Dati sulla correlazione tra i parametri aerosolici determinati con differenti tecniche di misura e l'origine delle masse d'aria monitorate. D) Diagrammi di dispersione del coefficiente di estinzione aerosolica e del lidar ratio in funzione dei corrispondenti parametri ottenuti dalle simulazioni numeriche effettuate per aerosol marini, desertici, e continentali E) Dati sulle correlazioni tra la distribuzione dimensionale media delle particelle determinata in funzione dell'origine delle masse d'aria, o per aerosol marittimi, desertici e continentali da misure fotometriche e quella ottenuta dall'analisi dei campioni di particolato raccolto al suolo. In conclusione, riteniamo che tutti i dati forniti permetteranno una più profonda comprensione e caratterizzazione delle proprietà ottiche e microfisiche degli aerosols e della loro dipendenza dalla regione di origine delle masse d'aria. Si ritiene inoltre, che tutti i dati raccolti costitueranno una base di dati statisticamente significativa per il calcolo della forzatura radiativa indotta dai diversi tipi di aerosol e quindi per la definizione di una climatologia aerosolica.
