RICERCA ITALIANA     

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 della BASILICATA - INGEGNERIA E FISICA DELL'AMBIENTE - POTENZA(PZ)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Francesco ESPOSITO

Descrizione

Nell'ambito del progetto 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", coordinato dalla prof. Perrone, l'obiettivo principale dell'unità di ricerca del Dipartimento di Ingegneria e Fisica dell'Ambiente dell'Università di Potenza è quello di caratterizzare gli aerosol atmosferici utilizzando misure ottenute al suolo e da satellite. A tale scopo è prevista una serie di campagne di misura congiunte con le altre unità di ricerca, seguita da una loro analisi, mediante confronto dei dati ottenuti al suolo con tecniche diverse e con un confronto con i dati satellitari. Le attività di ricerca dell'Unità DIFA saranno divise in due fasi, rispettivamente di 18 e 6 mesi. I primi 18 mesi prevedono una serie di campagne di misura congiunte con le altre unità (4-6) da effettuare presso i laboratori dell'Università di Lecce. In queste campagne di misura l'unità di ricerca del DIFA effettuerà misure di irradianza solare al suolo utilizzando spettrometri ad alta risoluzione e ad ampio range. Tali campagne di misura sono finalizzate a costituire un primo database di informazioni da utilizzare per lo sviluppo di una metodologia per la caratterizzazione climatologica degli aerosol. Durante la prima fase saranno anche acquisite misure satellitari MODIS e TOMS, che permetteranno una caratterizzazione su base stagionale e annuale del tipo di aerosol misurato. Tale caratterizzazione sarà completata grazie alle informazioni sulle backtrajectories ottenute con programmi di utilizzo comune (HYSPLIT). Alla fine della prima fase si prevede di ottenere i seguenti risultati: - validazione delle tecniche di inversione per la distribuzione dimensionale mediante confronto con misure al suolo ottenute con altre metodologie; - caratterizzazione degli aerosol studiati mediante utilizzo di backtrajectories (HYSPLIT) - studio delle variazioni stagionali degli aerosol atmosferici mediante utilizzo di backtrajectories (HYSPLIT) e di misure satellitari (TOMS e MODIS) La seconda fase prevede, oltre a campagne di misura, lo studio dei dati raccolti, finalizzato a studiare correlazioni tra i diversi tipi di aerosol presenti in atmosfera e i dati ottenibili da satellite (TOMS, MODIS). La seconda fase del progetto sarà finalizzata ad ottenere i seguenti risultati: - confronto tra misure al suolo (radiometriche e LIDAR) e satellitari, per testare l'affidabilità e i limiti di queste ultime, studiando e caratterizzando le correlazioni; - validazione delle misure CIMEL, dal confronto tra le misure da esso fornite e quelle ottenute con altre metodologie (radiometri e fotometri per trasparenza); In dettaglio, si riporta la metodologia utilizzata: Radiometro Mechelle-9000 e Avantes USB-2100, dotati di opportuna ottica di raccolta e di sistema di puntamento, sia automatico che manuale. Con i radiometri in dotazione si misura l'irradianza solare diretta al suolo, e si ricavano quindi lo spessore ottico atmosferico totale in funzione della lunghezza d'onda. Sottraendo dallo spessore ottico totale il contributo di ozono e dello scattering di Rayleigh, si ottiene lo spessore ottico degli aerosol al di fuori delle forti bande di assorbimento di acqua e CO2 [11]. In genere il calcolo dei coefficienti di Angstrom viene effettuato con il metodo di Volz [4], partendo dalla misura dello spessore ottico a sole due lunghezze d'onda, mentre il gruppo del DIFA ha sviluppato una metodologia che ne permette un calcolo accurato a partire dalla conoscenza del valore dello spessore ottico degli aerosol in funzione della lunghezza d'onda[3]. I valori dei coefficienti di Angstrom così ricavati permettono una prima classificazione del tipo di aerosol (i parametri di Angstrom sono legati sia al carico aerosolico che alle dimensioni medie delle particelle) [1,13,14]. L'acquisizione di misure effettuate ogni 15 minuti permetterà lo studio della correlazione tra i parametri di Angstrom e grandezze come umidità relativa, velocità e direzione del vento, etc..., anche grazie al contemporaneo lancio di radiosonde meteorologiche dai laboratori dell'Università di Lecce in grado di misurare profili di umidità e temperatura. Inoltre i parametri di Angstrom potranno essere correlati a indici aerosolici ottenuti da misure satellitari (TOMS) con metodi statistici [3,5] già utilizzati in passato dall'unità di ricerca. L'utilizzo dei parametri di Angstrom per la descrizione e la parametrizzazione delle proprietà ottiche degli aerosol presuppone l'ipotesi che la loro distribuzione dimensionale sia del tipo Junge. Per alcuni tipi di aerosol, per i quali questa approssimazione risulta poco adatta, occorre ricostruire la distribuzione dimensionale. Tale ricostruzione risulta essere un problema matematico "mal posto", per il quale l'unità di ricerca ha sviluppato delle tecniche di inversione di tipo non parametrico, ottenute partendo dalla teoria di Mie applicata a una popolazione di particelle supposte sferiche e aventi indice di rifrazione noto [11]. Le tecniche sviluppate sono state prima validate attraverso il confronto con altre simili (tecniche parametriche, diffrazione anomala, etc) e poi utilizzate per lo studio delle proprietà degli aerosol e la loro caratterizzazione [9,15]. In particolare, il calcolo della distribuzione dimensionale permette di individuare la presenza di più modi all'interno della stessa, identificando quindi la presenza di particolari tipi di aerosol, quali quelli dovuti ad intrusione di polveri Sahariane [5]. Le campagne di misura previste permetteranno di ottenere due risultati: il primo sarà quello di testare sul campo le tecniche di inversione sviluppate (ed eventualmente migliorarle), attraverso confronti con le misure ottenute con tecnica SEM; il secondo sarà quello di confrontare i dati raccolti con strumentazione analoga degli altri gruppi di ricerca; infine, si potranno validare i dati raccolti col radiometro CIMEL e le distribuzioni da esso ricavate, lavoro in parte già affrontato dall'unità di ricerca [8]. Per quanto riguarda il primo punto, contemporaneamente alle misure di spessori ottici atmosferici effettuate dall'unità di ricerca DIFA, gli aerosol atmosferici verranno campionati con opportuni filtri (tipo FH 95), che, analizzati da un microscopio a scansione (Philips, mod. XL-20) operativo presso l'unità di Lecce [10], forniranno informazioni sia sul tipo di aerosol che sulla loro distribuzione dimensionale, che potrà essere confrontata con quella ricostruita mediante le inversioni degli spessori ottici misurati. La misura dello spessore ottico atmosferico fornisce informazioni sulla distribuzione dimensionale colonnare. Per studiare il legame che esiste tra la distribuzione dimensionale al suolo e quella di tutta la colonna atmosferica risulta utile misurare la trasparenza atmosferica al suolo su un numero sufficiente di canali, per cui si propone l'acquisto di un fotometro in grado di misurare per contrasto la trasparenza al suolo[1]. Durante la prima fase ci sarà inoltre una raccolta di dati finalizzati a caratterizzare su base stagionale e annuale il tipo di massa d'aria e di aerosol osservabili dal sito. Saranno utilizzate le backtrajectories (HYSPLIT) [17] allo scopo di identificare le zone di provenienza delle masse d'aria presenti al momento delle misure, e i dati ottenuti da misure satellitari (in particolare: TOMS e MODIS) per studiare variazioni annuali e stagionali degli aerosol atmosferici. La seconda fase prevede lo studio dei dati raccolti finalizzato a trovare correlazioni tra i diversi tipi di aerosol presenti in atmosfera e i dati ottenibili da satellite (TOMS, MODIS). In particolare, si cercherà conferma alle correlazioni già trovate tra l'indice aerosolico e gli spessori ottici misurati al suolo in diverse campagne di misura. Analisi preliminari effettuate dall'unità di ricerca del DIFA in diversi siti (in Italia e all'estero) hanno mostrato una buona correlazione tra Aerosol Index (AI), fornito dal TOMS e gli spessori ottici al suolo. Da tali analisi preliminari risulta che i parametri delle funzioni che legano AI e spessori ottici dipendono dal tipo di aerosol (desertico, marino o rurale) [5,6]. Parte delle attività dell'unità di ricerca sarà quindi rivolta a migliorare le stime dei suddetti parametri, grazie ai database ottenuti con le campagne di misura previste. La seconda fase sarà anche dedicata allo sviluppo di tecniche di inversione di tipo parametrico (con l'utilizzo di funzioni di tipo Junge e log-normali) per il calcolo della distribuzione dimensionale, che in alcuni casi [12, 15] risultano in grado di fornire informazioni più accurate sull'esistenza di particolari modi nella distribuzione dimensionale. Inoltre si cercherà, con l'aiuto dello studio delle masse d'aria (Backtrajectories ottenute HYSPLIT o modelli simili) di classificare gli aerosol presenti in atmosfera durante le misure per tipo (marittimo, desertico, rurale, etc...) e di definire relazioni tra i parametri misurati al suolo e quelli ottenibili da MODIS. In questo modo sarà realizzata una metodologia per ricavare, almeno in alcune condizioni, rapidamente informazioni sul tipo di aerosol, oltre che sul loro carico, direttamente da misure satellitari. In futuro si potrà tentare di estendere tale metodologia a una scala più ampia effettuando campagne di misura con radiometro e fotometro in diversi siti e con diverse condizioni atmosferiche.