• misure da satellite
• DOC
• CDOM
• ciclo del carbonio

RIASSUNTO

Nel corso del ventesimo secolo e all’inizio del ventunesimo, gli scienziati in primis si sono resi conto di come e di quanto il clima stesse cambiando in relazione all’aumento costante di anidride carbonica (CO2atm) nell’atmosfera. Le immissioni di CO2 in atmosfera sono state stimate essere 7x1015 g C all’anno, di questi 3x1015 g C rimangono nell’atmosfera, mentre i restanti 4x1015 g C vengono accumulati nell’ambiente terrestre e negli oceani. Gli oceani svolgono un ruolo chiave nel regolare la concentrazione di CO2atm poiché rappresentano il luogo più importante di riserva di carbonio inorganico, in forma disciolta (DIC). Oltre al DIC, negli oceani è presente anche sostanza organica sia in forma disciolta (DOM) che particellata (POM). La DOM, nonostante sia presente negli oceani a concentrazioni dieci volte inferiori rispetto al DIC, rappresenta la principale fonte di cibo per molti organismi della rete trofica marina. Circa il 93% della DOM è costituita da carbonio organico disciolto (DOC) e una piccola frazione, definita sostanza organica cromoforica disciolta (CDOM), è in grado di assorbire la luce nelle zone spettrali dell’UV (UV-A: 320-400 nm e UV-B: 280-320 nm) e del visibile (400-700 nm) e riemettere parte della radiazione assorbita sottoforma di fluorescenza. Questa frazione svolge un ruolo importante non solo nel ciclo del carbonio marino ma anche in molti processi che avvengono nelle acque superficiali poiché assorbendo la luce ne influenza la penetrazione lungo la colonna d’acqua.
Tuttavia, sebbene il contributo della CDOM risulta essere di fondamentale importanza al ciclo del carbonio, le informazioni riguardo la sua distribuzione spazio-temporale sono abbastanza scarse, soprattutto nelle acque superficiali. Difatti lo studio della distribuzione della CDOM a scala di bacino con i metodi di campionamento tradizionale (campagne oceanografiche e misure di laboratorio delle proprietà ottiche di assorbimento e fluorescenza) risulta abbastanza complesso a causa di una inadeguata copertura spazio-temporale. L’unico modo per avere una copertura sinottica, a questa scala, è utilizzare i sensori remoti (remote sensing).
Alla luce di quanto appena esposto, questo lavoro di tesi si è posto due obiettivi principali: il primo è stato quello di cercare di studiare la distribuzione spaziale della CDOM e del DOC in relazione alla circolazione e ai processi biologici e chimici nello strato superficiale (primi 150 metri). A tale fine sono state analizzate i) le proprietà ottiche di assorbimento della CDOM a 355 nm, ii) la concentrazione di DOC, iii) le variazioni dei parametri fisici (temperatura e salinità) e biologici (clorofilla-a). Il secondo è stato quello di fornire un contributo alla stima di a355 nelle acque “off-shore” del Mar Mediterraneo a partire da dati satellitari.
I campioni sono stati prelevati durante quattro campagne oceanografiche effettuate in differenti periodi: Marzo-Aprile 2008 per S-IT4 e S-IT2, Settembre 2008 per S-IT6 e Agosto-Settembre 2009 per PRIMI, in aree di studio comprendenti il bacino Algero-Provenzale, il canale di Sicilia e il Mar Ionio. Il metodo sperimentale utilizzato per quantificare la CDOM in laboratorio è stato quello della spettroscopia di assorbimento, che permette di determinare i coefficienti di assorbimento a varie lunghezze d’onda, in particolare per questo studio è stato determinato il coefficiente d’assorbimento a 355 nm (a355) dove assorbe principalmente la CDOM. Per ottenere la stima di a355 a partire da dati satellitari è stato utilizzato invece un algoritmo empirico sviluppato da Mannino et al. (2008) per la Middle Atlantic Bight (acque costiere). In particolare per quanto riguarda la calibrazione dell’algoritmo usato ci siamo avvalsi della gentile collaborazione del Dr. Salvatore Marullo del Centro Ricerche Enea di Frascati, Dipartimento Ambiente, Cambiamenti Globali e Sviluppo Sostenibile (Sezione Modellistica Climatica).
In generale sia per la CDOM che per il DOC sono stati osservati valori tipici delle acque di mare aperto (a355 : tra 0.05 e 0.2 m-1; DOC: tra 45 e 75 µmol). E’ stato visto che le strutture fisiche di mesoscala presenti nelle diverse stagioni svolgono un ruolo chiave nel regolare i processi di accumulo e distribuzione della CDOM, del DOC e della clorofilla-a sia orizzontalmente che verticalmente. Inoltre per la maggior parte delle stazioni è stato anche osservato un certo disaccoppiamento tra i valori di clorofilla-a e quelli di CDOM e DOC, suggerendo la presenza di differenti processi di produzione e rimozione per i parametri considerati.
Le stime di a355 ricavate da misure satellitari presentano delle differenze sostanziali con quelle di riferimento riportate da Mannino et al. (2008) (r = 0.45). Questo è dovuto al fatto che i nostri dati in situ di a355 sono riferiti ad acque di mare aperto povere di CDOM, mentre quelli dell’algoritmo di riferimento sono relativi ad acque costiere influenzate da input fluviali, e quindi ricche di CDOM. Tuttavia dal momento che si osserva un errore medio percentuale inferiore al 20%, si ritiene possibile sviluppare in futuro un algoritmo specifico per le acque del Mediterraneo al fine di fornire una stima di a355 superficiale ricavata da misure da satellite per tutto il bacino del Mediterraneo.


ABSTRACT

In the twentieth century and at the beginning of the twenty-first century, scientists in primis realised how much the climate had changed in relation to the constant carbon dioxide increase in the atmosphere (CO2atm). The release of CO2 due to human activity is approximately 7x1015 g C each year of which 3x1015 g C accumulates in the atmosphere annually, and the remaining 4x1015 g C is stored in the terrestrial biosphere and in the oceans. The ocean plays a key role in regulating the concentration of CO2atm since it represents one of the most important reservoir of inorganic carbon, both in the dissolved (DIC) and particulate (PIC) forms. In addition to DIC, oceans contain also organic matter both in the dissolved (DOM) and particulate (POM) forms. Although DOM concentration in the oceans is ten times lower than DIC, it represents the main source of food for many organisms of the marine trophic chain. The dissolved organic carbon (DOC) constitutes approximately 93% of the DOM and a small fraction of the total DOM pool, defined as chromophoric dissolved organic matter (CDOM), can absorb not only visible light (400-700 nm) but also light in the UV spectral range (UV-A: 320-400 nm e UV-B: 280-320 nm) and it can re-emit part of the absorbed radiation in the form of fluorescence. CDOM plays a critical role not only in the marine carbon cycle but also in a variety of important processes in surface waters because its light absorption affects the underwater light penetration in the water column. However, although the contribution of the CDOM into the carbon cycle is of fundamental importance, the information about its spatial-time ratio are insufficient, especially in surface waters because it is characterized by a strong variability. In fact, the study of the CDOM distribution on the basin scale with traditional methods of sample collection and measurements (oceanographic cruises and laboratory measurements of optical properties of absorption and fluorescence) appears rather complex due to a lack of cover spaces. The only way to have a synoptic cover, at basin scale, is to use remote sensors (remote sensing).
On this basis, two objectives were the core of the present thesis: the first one is to study the space distribution of the CDOM and DOC in relation to the circulation and to the biological and chemical processes in the upper layer (first 150 meters). For this reason we analyzed i) optical properties of CDOM absorption at 355 nm, ii) DOC distribution iii) variation of the physical parameters (temperature and salinities) and biological parameters (chlorophyll-a). The second objective was to try to get estimation of a355 in the off-shore waters of the Mediterranean Sea by the use of satellite data. Seawater samples were collected during four oceanographic cruises carried out in different periods (March-April 2008 for S-IT4 and S-IT2, August-September 2008 for S-IT6 and August-September 2009 for PRIMI). The study areas were the Algero-Provenzale Basin, the Sicily Channel and the Ionian Sea. The experimental method utilised to quantify CDOM in the laboratory was the absorption spectroscopy which allows the absorption coefficient at 355 nm (a355) to be determined. The estimation of a355 starting from satellite data was performed by using an empirical algorithm developed by Mannino et al. for the Middle Atlantic Bight (coastal waters). The kind help of Dr. Salvatore Marullo of the ENEA Research Centre, Frascati, Department of Environment, Global Change and Sustainable Development (Climate Modelling Section) was fundamental for the calibration of the algorithm used.
In general, typical values of open sea waters for CDOM and DOC have been observed (a355 : between 0.05 e 0.2 m-1; DOC: between 45 e 75 µmol) in the analysed samples. The physical structures at mesoscale dimension, occurring in the different seasons, played a key role in regulating the processes of CDOM accumulation and dispersion, the DOC and the chlorophyll-a distribution both horizontally and vertically. Moreover, in most of the stations, a separation between the chlorophyll-a values and those of CDOM and DOC were also observed, suggesting the occurrence of different production and removal processes for these parameters. The valuation of a355 retrieved from remote satellite measurements presented substantial differences with those reported by Mannino et al. (2008) (r = 0.45). This is due to the fact that our in situ data of a355 are those of open-sea waters, characterised by low concentrations of CDOM, while those of the reference algorithm used referred to coastal waters influenced from terrestrial and estuarine inputs and therefore rich of CDOM. However, because our data exhibited an average statistic error of approximately less than 20 % between CDOM satellite estimations and CDOM in situ, in the future, there might be the possibility to develop a specific algorithm for Mediterranean waters with the aim of supplying a valuation of surface a355 for the whole Mediterranean basin.