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
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 OTTICHE DEGLI AEROSOL
•
Coefficienti di scattering ed assorbimento
•
Funzione di fase
•
Spessore ottico
Inversione
PROPRIETÀ FISICHE DEGLI AEROSOL
•
Indice di rifrazione complesso m= n + i k (composizione chimica)
•
Distribuzione dimensionale dN(r)/dlog(r) (origine delle particelle)
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STRUMENTAZIONE UTILIZZATA
•
Fotometri solari multispettrali, l’ASP15WL 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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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)
•
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.
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STAZIONI DI MISURA
• 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.
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dN / d (Log r ) (cm-2)
ANALISI DEI DATI
10-1
10-2
19:02 GMT
07:26 GMT
17:14 GMT
08:48 GMT
07:16 GMT
June 19,1997
July 7, 1997
July 20, 1997
15:44 GMT
10-3
0.3
0.5
0.7
1
2
3
4
WAVELENGTH (m)
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.
dV / d (Log r ) ( m3 cm-2)
AEROSOL OPTICAL DEPTH p()
100
1010
108
106
104
102
100
10-2
10-4
1010
108
106
104
102
100
10-2
10-4
10-6
June 17,1997
July 7,1997
July 20,1997
5 10-1 2 3 5 100 2 3 5 101 2 3
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RADIUS r (m)
ANALISI DEI DATI
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.
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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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VALUTAZIONE DEGLI EFFETTI RADIATIVI DIRETTI
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 concentrazione degli aerosol in atmosfera.
cooling
F 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).
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warming
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).
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