• calcolo irradianza

Il lavoro di Tesi è stato svolto presso l’azienda Flyby s.r.l. con sede a Livorno. Le attività svolte si inseriscono all’interno di un contesto di fisica applicata. In particolare ci si riferisce a studi riguardanti la radiazione solare e le sue varie applicazioni, con il fine ultimo di arrivare a fornire servizi ad aziende e privati aventi solide basi scientifiche. L’attività di tesi ha riguardato essenzialmente la valutazione dell’irradianza solare che raggiunge la supeficie terrestre attraverso l’utilizzo di immagini satellitari di osservazione della Terra, le quali forniscono in tempo reale misure di radianza riflessa in direzione del satellite.
Il contributo del lavoro di tesi è stato quello di mettere a punto una parziale ottimizzazione dei metodi attualmente esistenti per valutare l’irradianza solare da satellite in quasi tempo reale. Tale ottimizzazione si è basata su considerazioni e metodi di analisi statistica.
Lo spettro e l’intensità della radiazione solare possono essere valutati approssimativamente considerando il sole come un corpo nero ad una temperatura di T ≈ 5777K. La radiazione emessa dalla superficie solare attraversa lo spazio che la separa dall’atmosfera terrestre senza subire variazioni spettrali.
Nell’atmosfera terrestre la radiazione è coinvolta in una serie di processi di assorbimento e di scattering che contribuiscono notevolmente alla sua attenuazione, che ne modifica parzialmente lo spettro. Tali processi dipendono in maniera significativa dalla composizione dell’atmosfera, oltre che dalla lunghezza del cammino percorso al suo interno. Per quanto riguarda lo studio delle interazioni della radiazione con la materia presente all’interno dell’atmosfera si può schematicamente suddividere quest’ultima in quattro
componenti principali: molecole d’aria, vapore acqueo, aereosol e ozono. I processi principali di scattering sono lo scattering Rayleigh e lo scattering Mie, la cui rilevanza dipende dalle dimensioni dei centri di scattering inrelazione alla lunghezza d’onda della radiazione incidente.
Il monitoraggio da satellite della radiazione solare a terra, sia integrata su tutto lo spettro shortwave (280nm − 2500nm), si inserisce nel contesto del cosidetto Remote Sensing, che consente di ottenere informazioni sulla superficie terrestre servendosi di immagini satellitari, utilizzando la radiazione elettromangnetica in una o più regioni spettrali.
In questo caso la valutazione dell’irradianza al suolo avviene tramite un coefficiente adimensionale in grado di dare un’indicazione quantitativa della copertura nuvolosa presente in un dato momento e in una specifica porzione della superficie terrestre. L’importanza di monitorare in tempo reale la copertura nuvolosa risiede nella sua grande variabilità e nel suo notevole contributo all’attenuazione della radiazione solare.
La valutazione da satellite della copertura nuvolosa viene effettuata considerando la radianza riflessa dal sistema superficie-atmosfera, dalla quale si ricava la percentuale di riflessione (chiamata albedo apparente, ρ) in rapporto alla radiazione incidente. Attraverso queste informazioni viene calcolata
la riflessione del terreno in condizioni di cielo sereno (Albedo ground, ρg), in assenza cioè di copertura nuvolosa. Questo parametro viene tipicamente calcolato utilizzando una media sui dati relativi alle condizioni di cielo sereno, discriminate dalle altre in base ad un parametro chiamato cloud mask.
La cloud mask rappresenta un ulteriore input all’algoritmo, ottenuto da un modello che valuta la presenza o meno di nuvole attraverso analisi esterne all’algoritmo, fornendo un valore digitale 0 od 1, che indica rispettivamente cielo sereno o nuvola. La cloud mask è quindi un parametro esterno addizionale utilizzato per arrivare alla stima della copertura nuvolosa da satellite. Dal valore della copertura nuvolosa vengono successivamente calcolate le grandezze fisiche di interesse, applicando un modello che fornisce i valori ricercati in condizioni di totale assenza di nuvole.
All’interno dell’azienda Flyby l’algoritmo è operativo per le immagini provenienti dal satellite geostazionario europeo Meteosat Second Generation(MSG), collocato approssimativamente al di sopra dei continenti europeo ed africano.
L’obiettivo specifico del lavoro di tesi è stato quello di generalizzare tale algoritmo, rendendolo applicabile alle immagini satellitari di qualsiasi tipo di satellite geostazionario. A tale scopo è stata valutata la possibilità di ampliare il calcolo sfruttando le immagini provenienti dal satellite americano GOES. La generalizzazione sviluppata durante il lavoro di tesi è riferita principalmente al calcolo dell’albedo del terreno in assenza di nuvole (ρg), con l’obiettivo di ricavarlo senza l’utilizzo della cloud mask, per ottenere un’importante generalizzazione che svincola dalla necessità di disporre di tale parametro, non disponibile per le immagini di tutti i satelliti. Il calcolo di ρg nella modifica proposta è stato effettuato per via statistica applicando il metodo OTSU [A threshold selection method from gray-level histograms N.Otsu (1979)] ed il metodo Rosin [Unimodal Thresholding, Paul L. Rosin, 2001] alle immagini satellitari di MSG.
Sono riportati i risultati ottenuti in confronto con quelli già esistenti ricavati con il metodo precedente ottenendo una buona correlazione. Il metodo è stato infine validato attraverso il confronto con misure al suolo d’irradianza solare effettaute presso la sede Flyby.