Modellistica dello scattering da polveri e radiometria solare per aerosol (OR 8)

Mauro Mazzola, Claudio Tomasi, Vito Vitale, Monica Campanelli,

Christian Lanconelli, Angelo Lupi, Elena Benedetti, Boyan Petkov

Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima, ISAC-CNR, Bologna

http://www.isac.cnr.it/~radiclim/

LaRIA Kick Off, 21 luglio 2005

LaRIA Kick Off, 21 luglio 2005

OBIETTIVI

• Caratterizzazione delle proprietà ottiche degli aerosol presenti in atmosfera attraverso misure in campo e studi modellistici.

ATTIVITÀ PREVISTE

• Preparazione delle campagne di misura: messa a punto della strumentazione per misure colonnari e in-situ (controllo costanti strumentali fotometri e radiometri solari, calibrazione nefelometro e PSAP).

• Campagne di misura sia in aree urbane che rurali.

• Analisi dei dati: determinazione dei parametri fisici della popolazione di particelle attraverso tecniche di inversione, confronto tra dati colonnari e al suolo. Valutazione degli effetti radiativi del materiale particolato di diversa origine, studio delle variazioni stagionali e della dipendenza dalle caratteristiche atmosferiche e di riflettività superficiale.

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PROPRIETÀ FISICHE DEGLI AEROSOL

• Indice di rifrazione complesso m= n + i k (composizione chimica)

• Distribuzione dimensionale dN(r)/dlog(r) (origine delle particelle)

PROPRIETÀ OTTICHE DEGLI AEROSOL

• Coefficienti di scattering ed assorbimento

• Funzione di fase

• Spessore ottico

Inversione

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STRUMENTAZIONE UTILIZZATA

• Fotometri solari multispettrali, l’ASP-15WL e l’IR-RAD, costruiti entrambi presso l’ISAC-CNR di Bologna, per determinare i valori di AOD nel visibile ed IR, l’acqua precipitabile e la sky-brightness a diverse distanze angolari dal Sole in almucantar (Vitale et al., Tellus, 2000; Tomasi et al., Tellus, 2000) (foto).

• Sky-radiometers (PREDE POM-01L e CIMEL CE-318) per effettuare misure spettrali d’irradianza solare diretta e di sky-brightness dalle quali determinare i valori di AOD, funzione di fase e single-scattering albedo dell’aerosol colonnare (Tonna et al., Appl. Opt., 1995; Nakajima et al., Appl. Opt., 1996).

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• Nefelometri (M903 della Radiance Research) per misurare il coefficiente di scattering dell’aerosol (foto). Viene misurata la radiazione diffusa dal campione, illuminato da una sorgente nota.

• Particle soot/absorption photometers (PSAP della Radiance Research) per misurare il coefficiente di assorbimento dell’aerosol. Il calcolo del coefficiente di assorbimento si basa sulla variazione di trasmittanza del filtro, dovuta all’inserimento di un campione di aria contenente l’aerosol.

STRUMENTAZIONE UTILIZZATA

• Radiometri multispettrali a banda rotante “shadowband” (MFR-7 della YES) per determinare le componenti globale e diffusa della radiazione solare dentro differenti intervalli spettrali e sull’intero range da 0.3 – 1.0 m (foto)

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• Bologna (35 m slm)

• San Pietro Capofiume (9 m slm) al centro della pianura emiliana, 25 km a Nord-Est di Bologna

• Monte Cimone (2165 m. slm), circa 50 km a Sud-Ovest da Bologna (sito di calibrazione)

• Roma Tor Vergata, ISAC-CNR.

STAZIONI DI MISURA

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WAVELENGTH (m)

0.3 0.5 0.7 1 2 3 4

AE

RO

SO

L O

PT

ICA

L D

EP

TH

p(

)

10-3

10-2

10-1

100

15:44 GMT

07:16 GMT08:48 GMTJune 19,1997

July 7, 1997July 20, 1997

19:02 GMT 07:26 GMT

17:14 GMT

ANALISI DEI DATI

Le serie spettrali di AOD ottenute vengono analizzate utilizzando metodi d’inversione (King 1982) e le stime dell’indice di rifrazione dell’aerosol colonnare ricavate dalle misure di sky-brightness da radiometro solare.Si ottengono in questo modo le distribuzioni dimensionali dell’aerosol.

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Confronto tra valori della parte reale (in alto) e della parte immaginaria (in basso) dell’indice di rifrazione dell’aerosol colonnare sopra Torvergata, determinati simultaneamente a tre lunghezze d’onda nella giornata del 3 aprile 2001, usando il codice Skyrad 4 su dati PREDE e il codice di Dubovik su dati CIMEL.

ANALISI DEI DATI

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ANALISI DEI DATI

Andamento temporale delle distribuzioni dimensionali del volume di aerosol colonnare misurate a Roma (PREDE) e Torvergata (CIMEL), durante il periodo dal 26 al 30 maggio 2001.

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La valutazione del forcing radiativo diretto indotto dagli aerosol può essere fatta solo conoscendo in modo completo le proprietà radiative e i parametri di distribuzione e concen-trazione degli aerosol in atmosfera.

FF rappresenta la variazione indotta dall’aerosol colonnare nel flusso uscente di radiazione ad onda corta al TOA: le valutazioni in alto si riferiscono ad una superficie marina (albedo superficiale < 0.05), quelle in basso ad una superficie continentale coperta da vegetazione (albedo superficiale eguale a 0.20 circa).

cooling

warming

VALUTAZIONE DEGLI EFFETTI RADIATIVI DIRETTI

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CLOSURE CON DATI DA SATELLITE

Le procedure illustrate forniscono un utile strumento per la validazione delle misure da satellite.D’altro canto quest’ultime forniscono le proprietà di aerosol (AOD, tipologia) e superficie (riflettività) con una copertura continua e su scala globale.Nella figura a lato lo spessore ottico degli aerosol ottenuto dal sensore MISR/Terra (NASA) in due differenti giornate di misura. In basso la distribuzione % su un mese di misure (Feb 03).

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RISULTATI ATTESI

• Caratterizzazione stagionale delle proprietà ottiche e fisiche delle particelle di aerosol in ambiente urbano e rurale: impatto dell’attività antropica.

• Evoluzione stagionale dell’effetto radiativo diretto dell’aerosol, in ambienti a diversa riflettività superficiale.

• Closure con misure satellitari (OR 13).