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 di FERRARA - FISICA - FERRARA(FE)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Franco PRODI

Descrizione

Le attività proposte dall'Unita' di ricerca dell'Università di Ferrara all'interno del progetto si articolano secondo tre obiettivi, che verranno descritti nell'ordine: a) misure di particolato al suolo utilizzando un separatore inerziale (INSPEC), b) misura della distribuzione dimensionale colonnare degli aerosol, e c) calcolo dell'effetto radiativo istantaneo degli aerosol agli estremi superiore (TOA) ed inferiore (BOA) dell'atmosfera. a) misure di particolato al suolo utilizzando un separatore inerziale (INSPEC) L'attività prevista dall'unità di ricerca consiste nella determinazione delle proprietà ottiche e della caratterizzazione chimico-fisica dell'aerosol con tecniche complementari rispetto a quelle utilizzate dalle altre unità operative. La determinazione delle proprietà ottiche (in primo luogo l'indice di rifrazione dell'aerosol) è di fondamentale importanza per la calibrazione dei modelli utilizzati nelle procedure di inversione dei dati provenienti da radiometri e fotometri. Per questo nuovo tipo di indagine verranno utilizzati due separatori inerziali (INSPEC) in parallelo, in grado di separare le particelle di aerosol in base al diametro aerodinamico, nell'intervallo dimensionale da 0.5 a 6 micrometri (le particelle con dimensioni inferiori vengono raccolte ma non separate). E' noto che il diametro aerodinamico dell'aerosol gioca un ruolo importante in diversi processi, quali la deposizione nell'apparato respiratorio ed i processi di rimozione di aerosol in atmosfera. Ogni campionatore separa l'aerosol su un unico filtro, consentendone successivamente la scansione con diverse tecniche. L'impiego dei due separatori consente di ottenere due campioni dello spettro dimensionale dell'aerosol. Cio' si rende necessario poiché le tecniche di indagine di seguito descritte distruggono il filtro analizzato. Un filtro verrà utilizzato per effettuare microanalisi sulle singole particelle, utilizzando il microscopio elettronico fornito di sonda per spettroscopia di raggi X a dispersione di energia. Ciò consentirà di ottenere delle informazioni sulla composizione chimico-fisica delle singole particelle in funzione della loro distribuzione dimensionale. Questa indagine, unitamente alla conoscenza della provenienza delle masse di aria fornite dal Servizio Meteorologico tedesco ed alle immagini SeaWifs, consentirà di individuare le varie possibili sorgenti dell'aerosol campionato, cioè suolo, mare od attività umana. Dalla analisi al SEM, che consente di valutare il diametro geometrico delle particelle, ed essendo noto inoltre il diametro aerodinamico deducibile dalla curva di calibrazione dello spettrometro inerziale, è possibile ricavare indicazioni sulla densità delle singole particelle. Il secondo filtro sara' utilizzato per altri tipi di indagine. Il filtro può per esempio essere diafanizzato, cioe' trasferito su un vetrino, e successivamente esaminato con uno strumento chiamato nefelometro polare. Il nefelometro polare consente di misurare la funzione di fase di scattering delle particelle raccolte durante il campionamento tramite l'analisi angolare della radiazione laser che incide sul campione e da esso viene diffusa. Esaminando in successione diverse zone del filtro, ed essendo noto il diametro delle particelle nella zona in esame, è possibile dedurre la parte reale e complessa dell'indice di rifrazione in funzione delle proprietà aerodinamiche. L'attività di ricerca comprende quindi la realizzazione e messa a punto di uno specifico nefelometro polare in grado di fornire le proprietà ottiche delle particelle sia su filtri provenienti dal separatore utilizzato sia su filtri provenienti dai campionatori utilizzati dall'unità di ricerca dell'Università di Lecce. Le campagne sperimentali saranno svolte in sintonia con le altre unità operative e in modo da ottenere dei campioni rappresentativi delle principali tipologie di aerosol presenti sul sito sperimentale: aerosol marino, aerosol proveniente da emissioni industriali ed aerosol proveniente dal deserto. Nella prima fase del progetto (18 mesi) e' prevista la realizzazione del nefelometro polare e relativi test laboratorio, verranno scelti i supporti filtranti idonei alle metodiche che si intendono utilizzare e messi a punto i protocolli di prelievo con prove preliminare presso l'Università di Ferrara. Si prevede anche la realizzazione di circuito pneumatico in grado di consentire l'utilizzo in parallelo dei due separatori inerziali, e si condurranno con le altre unità operative le previste campagne sperimentali di misura presso il sito di Lecce. Risultati attesi per questa prima fase sara' la determinazione delle caratteristiche chimico-fisiche delle particelle campionate ed il loro indice di rifrazione. La seconda fase (6 mesi) sarà principalmente dedicata alla elaborazione dei dati ottenuti e alla loro integrazione con quanto ottenuto dalle altre unità di ricerca al fine di fornire delle parametrizzazioni delle proprietà ottiche e chimico-fisiche dell'aerosol da utilizzare nei modelli di deconvoluzione. L'analisi dell'impatto delle nuove misure sulle parametrizzazioni nelle simulazioni e nell'analisi dei dati fotometrici costituirà il risultato previsto da questa seconda fase della ricerca. I risultati attesi, in sintesi, saranno: 1- determinazione delle caratteristiche chimico-fisiche delle particelle campionate 2- determinazione dell'indice di rifrazione delle particelle campionate 3- valutazione dell'impatto di queste misure sull'analisi dei dati fotometrici b) Misura della distribuzione dimensionale colonnare degli aerosol Questa attività prevede l'utilizzo dei dati di spessore ottico alle otto lunghezze d'onda del fotometro Cimel di Lecce per ottenere la distribuzione dimensionale media sulla colonna atmosferica del contenuto di aerosol, utilizzando metodi di inversione ed i dati ottenuti al punto a) di questo progetto. Le distribuzioni dimensionali così ottenute verranno descritte in maniera analitica in termini di funzioni multimodali log-normali, attraverso algoritmi originali. Tale rappresentazione analitica permetterà di caratterizzare in maniera completa le variazioni temporali della popolazione di particelle. L'uscita in tensione di un fotometro solare può essere esaminata in termini della legge di Bourger-Lambert-Beer per determinare lo spessore ottico totale (AOD) nelle cosiddette finestre ottiche, da cui, sottraendo il contributo dovuto allo scattering di Rayleigh e all'assorbimento da parte di vapore acqueo, ozono, NO2 a altri gas minori, si possono ottenere realistici valori dello spessore ottico degli aerosol (Vitale et al., 2000a). Come mostrato dalla teoria di Mie applicata a distribuzioni multi modali di particelle sferiche (Deirmendjian, 1969), la dipendenza spettrale dell'AOD è strettamente legata ai parametri che definiscono la distribuzione dimensionale delle stesse, attraverso le proprietà radiative del materiale di cui sono composte, come l'indice di rifrazione. Grazie a queste considerazioni, è possibile ricavare la forma della distribuzione dimensionale colonnare attraverso procedure di inversione. Esistono diversi metodi di inversione volti a determinare la distribuzione dimensionale delle popolazioni di aerosol (Yamamoto and Tanaka, 1969; King et al., 1978). Tra questi, il metodo di Dubovik e King (2000) viene in genere utilizzato per analizzare le serie spettrali di AOD determinate attraverso misure con fotometri solari di tipo Cimel, a patto che siano state effettuate realistiche stime dell'indice di rifrazione complesso e dell'albedo di singolo scattering attraverso misure di sky-brightness. Questa procedura è basata sul fatto che ogni valore di AOD è l'integrale, calcolato lungo il percorso verticale attraverso l'atmosfera, del coefficiente monocromatico di scattering volumetrico beta (lambda) e cioè il prodotto della distribuzione dimensionale per il fattore di scattering di Mie. Il problema di inversione è quello di trovare la forma della distribuzione dimensionale N(r), possibilmente nel range di dimensioni che include sia particelle grandi che giganti (da 100 a 3000 nm), da una serie di misure spettrali di AOD. Questo viene di solito effettuato assumendo una distribuzione di partenza e determinando una soluzione che minimizzi la differenza tra i valori di AOD calcolati con tale distribuzione e quelli misurati. La definizione del range dimensionale e l'assunzione di valori realistici dell'indice di rifrazione complesso sono i punti cruciali del metodo di inversione, per cui la sinergia coll'obbiettivo precedentemente illustrato e' evidente. I risultati che verranno ottenuti nell'ambito di questo obiettivo sono: 1- distribuzioni dimensionali medie della popolazione presente nella colonna verticale 2- rappresentazione analitica delle distribuzioni dimensionali in termini di log-normali a 2 o 3 modi. 3- valutazioni in termini di teoria di Mie delle proprietà ottiche delle particelle ed in particolare dell'albedo di singolo scattering. c) Calcolo dell'effetto radiativo istantaneo degli aerosol agli estremi superiore (TOA) ed inferiore (BOA) dell'atmosfera Ci sono molte evidenze della variabilità della forma della distribuzione dimensionale degli aerosol, il che implica grande variabilità del flusso di radiazione uscente al limite superiore dell'atmosfera. Da ogni serie spettrale misurata tramite fotometro solare in vari tempi durante la giornata, assieme alla distribuzione dimensionale da queste ricavate e alla valutazione dell'indice di rifrazione da misure di sky-brightness, è possibile calcolare il flusso di radiazione uscente dall'atmosfera F(up) sull'angolo solido 2pi attraverso l'utilizzo del codice di trasferimento radiativo 6S (Vermote et al., 1997) per modelli atmosferici con o senza aerosol. La differenza tra i due valori del flusso uscente F(up) può essere realisticamente assunto come una misura dell' effetto radiativo istantaneo indotto dagli aerosol dF(up), come nella procedura adottata da Hänel et al. (1999). Una procedura simile può essere seguita per valutare l'effetto radiativo istantaneo degli aerosol al limite inferiore dell'atmosfera (BOA), e quindi l'impatto sullo scambio di energia tra la superficie terrestre e l'atmosfera. Il calcolo del flusso discendente F(dw) è effettuato tramite l'uso del codice di trasferimento radiativo 6S per modelli atmosferici con e senza aerosol, includendo anche il contributo delle riflessioni multiple tra superficie terrestre e strato di aerosol. La differenza tra i due valori di flusso dF(dw) può essere assunto come una misura dell'effetto radiativo istantaneo degli aerosol al limite inferiore dell'atmosfera. Come dimostrato da vari modelli radiativi (Hänel et al., 1999; Vitale et al., 2000b), 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 una superficie coperta da vegetazione o desertica, entrambe con riflettività superiore a 0.15. Quindi, visto che ci si aspetta di monitorare aerosol di diversa origine, il presente progetto si propone di considerare diverse tipologie di albedo superficiale: (1) superficie marina, caratterizzata da bassa riflettività sia nel visibile che nel vicino infrarosso; (2) un insieme d i superfici coperte da vari tipi di vegetazione, che presentano anch'essi bassa riflettività nel visibile ma relativamente alta riflettività nel vicino infrarosso; (3) una superficie arata, la quale presenta valori di albedo molto bassi tra 300 e 400 nm, ma valori crescenti nel resto dello spettro visibile e vicino infrarosso fino a raggiungere valori attorno a 0.2 a lunghezze d'onda di 1000 nm; (4) un terreno roccioso con valori crescenti di albedo all'aumentare della lunghezza d'onda e valori compresi tra 0.3 e 0.4; (5) un terreno coperto da sabbia desertica che presenta caratteristiche simili al precedente ma con valori maggiori di 0.4 dal giallo fino a circa 2500 nm. Alcuni di questi modelli di superficie sono compresi nel codice di trasferimento radiativo 6S. Comunque, al fine di inserire anche i modelli (2), (3) e (4) come modelli supplementari nel codice, stiamo definendo le corrispondenti riflettività bidirezionali (BRDF) per simulare realisticamente il campo di radiazione solare riflesso verso l'alto in ogni direzione, per diversi valori di elevazione solare. Le misure di albedo superficiale effettuate verranno analizzate secondo il modello proposto da Verstraete et al. (1990) e da Rahman et al. (1993) con lo scopo di determinare i parametri che caratterizzano questi modelli al variare dell'illuminazione solare. Sulla base di queste considerazioni, la valutazione dell'effetto radiativo istantaneo degli aerosol al TOA e al BOA nell'area di Lecce, dove un fotometro solare Cimel fornisce in maniera continuativa misure accurate di AOD e dei parametri radiativi degli aerosol presenti, può contribuire in maniera significativa alla conoscenza degli 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, particelle continentali e industriali). Inoltre, la presenza nella stesa area di un lidar, può fornire informazioni sulla presenza di diversi strati di particelle, i quali possono modificare apprezzabilmente il processo di trasporto radiativo attraverso scattering e riflessioni multiple tra diversi strati e la superfice. Misure locali di campioni di particolato possono fornire informazioni supplementari sulla distribuzione dimensionale e sulla composizione chimica delle speci. Il confronto tra queste misure "dirette" e le misure "remote" possono contribuire allo sviluppo e la miglioramento dei modelli radiativi di aerosol definiti dal nostro gruppo per particelle desertiche, marine continentali, rurali, urbane ed industriali (Tomasi, 1982a, 1982b, 1984; Prodi and Tomasi, 1983; Tomasi et al., 1983a, 1983b; Tomasi and Vitale, 1984, 1985a, 1985b). Infine, il confronto con i valori di AOD misurati da satellite, ottenuti con procedure simili a quelle descritte in Durkee et al. (2000), può essere convenientemente utilizzato per estendere la stima del flusso radiativo degli aerosol ad aree più estese, per una migliore valutazione degli effetti climatici prodotti dagli aerosol nella regione del Mediterraneo. I risultati che verranno ottenuti nell'ambito di questo obiettivo sono: 1- valutazione del forcing radiativi di tipo diretto prodotti dalle particelle di aerosol al TOA e BOA, 2- caratterizzazione della dipendenza del forcing radiativo dalla concentrazione e dalle caratteristiche delle particelle presenti nella colonna nell'area di studio 3- definizione di opportuni modelli di BDRF per diverse superifici e diversi tipi di vegetazione.