Un campo sperimentale, tecnologicamente avanzato, per studi atmosferici

Lo studio dell'atmosfera aveva, nel passato, lo scopo principale di acquisire la capacità di effettuare previsioni meteorologiche. Questo obiettivo è ancora attuale alla luce dell'impatto socio-economico che può avere una previsione accurata e più a lungo termine delle condizioni meteorologiche. A questo si sono aggiunti, più recentemente, altri obiettivi la cui importanza è tale da avere provocato la diffusione di termini quali "buco dell'ozono", "effetto serra", "inquinamento", "cambiamenti climatici" anche tra i non addetti ai lavori. Presso l'Istituto di Fisica dell'Atmosfera (IFA) del Consiglio Nazionale delle Ricerche questi argomenti costituiscono oggetto di ricerca, che viene svolta anche mediante l'uso di sofisticate tecniche di telerilevamento.

Fig. 1 - Nelle due foto: antenna del Radar VHF (Wind profiler) in corso di assemblaggio nel Campo Sperimentale dell'IFA

L'IFA si è trasferito alla fine del 1997 nei nuovi edifici dell'Area di Ricerca di Roma-Tor Vergata; questi sono circondati da terreni liberi da costruzioni, che si prestano all'installazione di strumentazione per studi di fisica dell'atmosfera; e infatti, a circa 300-400 metri dall'Istituto, è attualmente in corso di realizzazione un ampio Campo Sperimentale (Figura 1) in cui opereranno, insieme a strumentazione di tipo tradizionale, sensori tecnologicamente avanzati alcuni dei quali realizzati nell'Istituto stesso per la telemisura di parametri atmosferici.

In particolare, il Campo Sperimentale sarà dotato dei seguenti strumenti: un Radar VHF (o Wind profiler), un sistema Sodar a tre assi, un sistema minisodar a tre assi, ed un Rass per misure di temperatura e vento nello strato limite planetario e sino a circa 10 km di quota; tre sistemi Lidar ed un Aureolametro per misure di aerosol, temperatura ed umidità in troposfera e stratosfera (con possibilità di utilizzo di uno dei Lidar anche per la Mesosfera); un palo attrezzato con strumentazione per la misura dei bilanci radiativi ed energetici nello strato atmosferico superficiale; infine, un'antenna per la ricezione delle immagini riprese da vari satelliti. Mentre questa strumentazione è già operativa, o lo sarà nel prossimo futuro, è prevista nei prossimi anni anche l'installazione di un Radar meteorologico per lo studio delle nubi e delle precipitazioni. Un campo sperimentale in cui sia presente tutta la strumentazione sopra elencata è evidentemente di grande importanza scientifica ed applicativa e dovrebbe diventare infatti, nelle nostre intenzioni, un punto di riferimento non solo per la comunità scientifica Italiana, ma anche per quella Europea che, all'interno di programmi della Comunità, potrebbe organizzare campagne di misure meteorologiche ed ambientali, nonché confronti di telesensori di tipo diverso.

I campi di applicazione di questa strumentazione sono vari ed hanno in alcuni casi ricadute immediate, quali, ad esempio, quelle connesse alla previsione ed al monitoraggio dell'inquinamento. In particolare, le misure dei profili verticali di temperatura, vento ed umidità (le grandezze medie che più di ogni altra sono utilizzate per descrivere e prevedere i moti atmosferici) permettono lo studio dei moti atmosferici alle diverse scale: la sostituzione dei radiosondaggi con i profili ottenuti mediante telesensori costituisce un passo necessario per migliorare le conoscenze sulla circolazione atmosferica e, quindi, le previsioni meteorologiche. E infatti, l'uso dei radiosondaggi per la inizializzazione dei modelli matematici previsionali permette una risoluzione spazio-temporale troppo bassa per includere il forcing sulla mesoscala nell'analisi meteorologica; come conseguenza si ha una diminuzione dell'accuratezza delle previsioni meteo, specie in quelle regioni che, come l'Italia, presentano una grande disomogeneità orizzontale. L'analisi delle immagini da satellite AVHRR permette di ottenere i gradienti orizzontali della temperatura, che costituiscono il motore delle circolazioni locali e di quelle alla mesoscala, quali le circolazioni di brezza e quella prodotta dall'isola di calore urbana. La previsione delle caratteristiche e dell'intensità di queste circolazioni costituisce un requisito fondamentale per conoscere la capacità della bassa atmosfera di disperdere quanto di inquinante viene in essa rilasciato. Le misure alla superficie completano il quadro, permettendo di evidenziare le interazioni atmosfera-superficie terrestre e di misurare l'energia che viene tra esse scambiata attraverso i flussi di calore sensibile, umidità e momento.

Le misure Lidar vengono utilizzate per studiare il ruolo degli aerosol (e cioè, delle particelle, di varia natura presenti in atmosfera) e delle nubi nei processi atmosferici e nel clima, nell'ambito di ricerche condotte anche tramite l'uso di dati da satellite e di simulazioni numeriche eseguite grazie ad appositi modelli matematici. In particolare, l'aerosol stratosferico gioca un ruolo fondamentale nella distruzione dello strato di ozono mediante processi di chimica eterogenea ("buco dell'ozono"); nella troposfera, invece, gli aerosol agiscono efficacemente sia sulla diffusione della radiazione solare sia sulla formazione delle nubi, ricoprendo quindi, anche da questo punto di vista, un ruolo fondamentale nella determinazione del clima del pianeta. L'analisi temporale delle misure Lidar di temperatura alla stratopausa (45-50 km di quota) potrebbe, inoltre, evidenziare i primi segnali associati all'effetto serra, in quanto i modelli matematici prevedono un sensibile raffreddamento della stratopausa in presenza di un consistente aumento di CO2 nella troposfera. L'aureolametro permette invece di misurare, attraverso l'analisi della radiazione solare rilevata in varie direzioni, alcune caratteristiche ottiche medie degli aerosol atmosferici, che sono di grande importanza per il calcolo del bilancio radiativo in atmosfera e, di conseguenza, per la comprensione degli effetti delle particelle atmosferiche sul clima.

FIG. 2 - Esempi di misure Sodar. Nella parte superiore viene presentata una registrazione in formato facsimile dell'intensità degli echi sodar in regime convettivo. È possibile riconoscere, nelle parti più scure, le termiche, cioè le bolle d'aria che, riscaldate dal terreno, si sollevano e danno luogo ai moti convettivi. Nella parte inferiore viene riportato il campo dei moti verticali ottenuto dall'analisi armonica degli echi.

Va, infine, menzionato che parte delle misure citate costituisce un riscontro e/o una normalizzazione necessaria per le misure da satellite, come evidenziato anche da alcuni programmi ASI (Agenzia Spaziale Italiana) svolti nell'Istituto.

Descrizione della Strumentazione

RADAR VHF (Wind profiler): è un telesensore in grado di misurare il profilo verticale del vento da 1 km fino a circa 10 km di quota. Tale sistema, che entrerà in funzione alla fine del 1998, avrà una potenza di circa 3.6 Kw, una frequenza di 65,5 MHz ed utilizzerà un'antenna di circa 700 m² formata da 52 yagi a 4 elementi (Figura l).

SODAR (acronimo di SOund Detection And Ranging): è un telesensore che utilizza l'onda acustica per telerilevare i valori del vento e la struttura termica dei primi 500-1000 metri. All'IFA sono in funzione due sistemi Sodar che occasionalmente vengono utilizzati anche per campagne di misura in Artide ed in Antartide: il primo è un Sodar Doppler a tre assi in grado di raggiungere i 1000 m e di fornire il profilo verticale del vento con una risoluzione in altezza di circa 30 m; il secondo è un minisodar, e cioè un sistema di dimensioni ridotte e quindi più facilmente trasportabile, in grado di fornire le stesse informazioni, ma fino a 300-400 m con una risoluzione in altezza di circa 10 m. La Figura 2 mostra un esempio delle misure ottenibili con un sistema Sodar a tre assi.

FIG.2 - Esempi di misure Sodar I venti radiali misurati in direzioni diverse da tre antenne, permettono di ricavare il campo dei venti orizzontali in funzione del tempo e della quota.

RASS (acronimo di Radio Acoustic Sounding System): è un telesensore in grado di fornire il profilo di temperatura fino a 500-1000 m. Una bozza di accordo con la regione Lazio prevede l'installazione di tale sistema nell'Area di Ricerca di Roma-Tor Vergata e la gestione dello stesso ad opera dell'IFA.

LIDAR (acronimo di LIght Detection And Ranging): è un telesensore che, utilizzando la luce laser, permette di misurare i profili verticali di aerosoli, temperatura ed umidità in atmosfera. Sono attualmente in funzione, o in corso di realizzazione, presso l'Istituto tre diversi sistemi Lidar disegnati per applicazioni diverse:

• un Lidar MST (Mesosfera, Stratosfera, Troposfera), cioè un sistema di telesondaggio basato su un laser multi-frequenze (355 e 532 nm) e multi-ricevitori. Misura i profili di temperatura e di densità aerosolica fino a 100 km di quota e fornisce i profili di alcuni componenti minori, quali, ad esempio, quello del vapor d'acqua in troposfera; è in grado, inoltre, di rilevare alcune delle proprietà delle nubi sottili (per esempio, cirri), quali posizione, dimensione verticale e spessore ottico. Entrerà in funzione agli inizi del 1999.
• Un Lidar mobile (532 nm, in doppia polarizzazione) per la misura del profilo di aerosol e nubi in troposfera e stratosfera (0-30 km). Questo lidar sarà montato su un furgone che ne permetterà l'impiego campale anche su nave. In Figura 3 sono visibili il laser ed il sistema di acquisizione degli echi ottici.
• Un Lidar (532 nm) a 6 specchi per l'osservazione polarimetrica di aerosol e nubi fino a 40 km e per la misura di densità e temperatura atmosferica tra 35 e 90 km.
• Misure complementari a quelle fornite dai precedenti strumenti sono poi disponibili ad opera di strumenti installati sul tetto dell'edificio dell'Istituto stesso:
• Aureolametro: a differenza dei precedenti, questo è uno strumento di telerilevamento passivo (cioè non emette segnali) che, attraverso la ricezione della radiazione solare diretta e diffusa a varie frequenze (315, 400, 500, 870, 1040 nm) e a diverse angolazioni, determina alcune importanti caratteristiche degli aerosoli in atmosfera, quali indice di rifrazione complesso, spessore ottico e distribuzione dimensionale delle particelle.
• Antenna per la ricezione delle immagini riprese dai satelliti NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) e SeaStar. I sistemi di elaborazione delle immagini AVHRR (Advanced Very-High Resolution Radiometer) dei satelliti NOAA permettono di ricavare la copertura nuvolosa, l'albedo superficiale ed i valori di temperatura su mare e su terra. L'analisi delle immagini del sensore SeaWiFS (Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor), a bordo del SeaStar, permette la misura delle proprietà ottiche del mare, dalle quali possono essere ricavate informazioni sulla qualità delle acque e sull'attività biologica della prima parte della catena alimentare in esse presente. Questo sistema di rilevazione è stato classificato dalla NASA (National Aeronautics and Space Administration) come stazione primaria di acquisizione di dati SeaWiFS per l'Area Mediterranea.

  FIG. 3 - Parti del Lidar mobile: in rosso, i laser che costituiscono la sorgente di luce coerente del sistema; in nero-blu, il telescopio per la ricezione degli echi

È disponibile, inoltre, per le campagne di misura, un sistema di radiosondaggio con catena di sensori da pallone frenato per la misura dei profili verticali di temperatura, umidità e vento nelle prime centinaia di metri.

A questa strumentazione si aggiungerà in futuro anche un radar meteorologico (chiamato Polar 55C ed operante a 5.5 cm) Doppler e in doppia polarizzazione, attualmente in funzione in località Montagnana (FI), utilizzabile per studiare le nubi temporalesche e per prevedere la quantità di precipitazione cui queste nubi possono dar luogo. Questa attività potrà giovarsi, inoltre, del supporto delle misure da satellite ottenibili a partire dai dati SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager) che vengono ricevuti in Istituto in quasi real-time (entro 4 ore dal passaggio del satellite).