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Tesi etd-04132015-181221


Thesis type
Tesi di dottorato di ricerca
Author
DI NATALE, GIANLUCA
URN
etd-04132015-181221
Title
Study of the radiative effects of thin high altitude ice clouds by spectral characterisation of the radiation emitted in the thermal infrared from 100 to 1400 cm-1 (7-100 μm)
Settore scientifico disciplinare
ING-INF/03
Corso di studi
INGEGNERIA
Supervisors
tutor Dott. Palchetti, Luca
commissario Barni, Mauro
commissario Pascazio, Vito
commissario Carli, Bruno
commissario Prof. Berizzi, Fabrizio
Parole chiave
  • spettroradiometro
  • REFIR-PAD
  • PRANA
  • Ping Yang
  • nubi di ghiaccio
  • Dome-C
  • cirri
  • Antartide
  • spettroscopia di Fourier
  • TESTA GRIGIA
Data inizio appello
16/04/2015;
Consultabilità
Completa
Riassunto analitico
Il lavoro svolto durante i tre anni di dottorato di ricerca è consistito nello sviluppo di un
modello di trasferimento radiativo che simula la radianza nell’infrarosso termico emessa
dall’atmosfera in presenza di nubi e nell’applicazione del codice prodotto all’analisi delle
misure acquisite dallo spettroradiometro a trasformata di Fourier REFIR-PAD durante diverse
campagne di misura.
REFIR-PAD è uno spettroradiometro che opera nel medio e lontano infrarosso, nella banda
100-1600 cm -1 dove è massimo il segnale atmosferico, con una risoluzione massima pari a
0.25 cm -1 . Lo strumento è composto da un interferometro in configurazione Mach-Zehender
con due ingressi e due uscite ed è munito di corpi neri per la calibrazione radiometrica e di un
laser nel vicino infrarosso per la calibrazione in frequenza. Il modello sviluppato (modello
diretto) integra il codice LBLRTM (Line By Line Radiative Transfer Model), che simula il
trasferimento radiativo in atmosfera utilizzando i parametri spettroscopici dei gas del
database HITRAN, con un codice specifico sviluppato dallo scrivente che simula l’emissione
e la propagazione, secondo i meccanismi di scattering e assorbimento, attraverso una nube in
fase singola o mista, singolo strato.
Per risolvere il trasferimento radiativo in atmosfera in presenza di una nube è stata utilizzata
la soluzione approssimata a due flussi di Eddington in cui la radiazione verso l’alto
proveniente dall’atmosfera sottostante la nube e quella discendente proveniente dagli strati
superiori della nube sono simulate via LBLRTM. Allo stesso modo anche la propagazione
56122 PISA - ITALY - Via Caruso, 16 - Phone +39 - 050 2217546 - Telefax +39 - 050 2217626 attraverso lo strato sottostante fino all’osservatore, in caso di osservazione da terra allo zenith, o
attraverso lo strato soprastante in caso di osservazione dall’alto al nadir, è simulata via LBLRTM. I
parametri di input della nube sono le quote della base e della sommità, i diametri delle particelle di
ghiaccio o di acqua, il total water path (TWP) e la frazione di ghiaccio e la temperatura efficace nel
caso non venga specificata la quota, altrimenti la temperatura viene calcolata mediando tra i valori
alla sommità e alla base della nube. Inoltre è possibile inserire il profilo di backscattering dato ad
esempio da misure lidar ed in questo caso la temperatura è pesata su tale profilo . In alternativa ai
diametri e la frazione di ghiaccio e TWP possono essere inseriti direttamente gli spessori ottici di
ghiaccio e acqua. Possono essere scelti due tipi di modelli per le proprietà dei cirri, uno generico
che considera le particelle aventi solo forma a colonna esagonale o uno apposito per cirri alle medie
latitudini che mescola il contributo di forme diverse.Il codice permette di simulare sia la
trasmittanza che la radianza a qualsiasi angolo di osservazione tenendo conto anche dell’eventuale
funzione strumentale.
Il software per l’analisi è stato scritto in linguaggio C e Octave e Bash. La propagazione della
radiazione termica nella nube viene simulata utilizzando, come già accennato, due database per le
proprietà spettroscopiche dei cristalli di ghiaccio di varia forma aventi diametri compresi tra 1 e
10000 μm e 11-130 μm a seconda che si tratti di cirri di medie latitudini (Yang et al.) o cirri generici
(Fu et al.), e il database di Hu-Stamnes per le propriet`a spettroscopiche delle gocce d’acqua aventi
diametro compreso tra 2.5 e 60 μm.
La funzione di scattering utilizzata per riscalare i parametri ottici è data da due contributi, di cui il
primo è una delta di Dirac riscalata con il momento secondo della funzione di Heyney-Greenstein,
che meglio approssima la reale funzione di fase (funzione di Mie) nell’infrarosso, mentre il secondo
termine è dato da uno sviluppo al primo ordine in polinomi di Legendre della funzione in questione.
Il contributo dato della delta tiene conto del forte scattering in avanti e dell’interferenza distruttiva
dovuta alla parziale riflessione del campo elettromagnetico tra le facce interne dei cristalli di
ghiaccio e delle gocce d’acqua. I parametri ottici per i cristalli di ghiaccio, come le efficienze di
estinzione, assorbimento, albedo di singolo scattering e parametro di asimmetria sono stati
campionati tramite un set di coefficienti tra 3-100 μm per 49 lunghezze d’onda nel primo modello e
per 36 lunghezze d’onda nel secondo. Tali parametri sono espressi sia per i cristalli di ghiaccio che
per le gocce d’acqua in funzione del diametro efficace delle particelle stesse e permettono
di definire lo spessore ottico della nube e di risolvere il calcolo del trasferimento radiativo
all’interno di essa.
E’ stato poi sviluppato il codice finalizzato all’inversione delle misure delle nubi di alta quota
effettuate tramite lo spettroradiometro a trasformata diFourier REFIR-PAD (Radiation Explorer in
Far Infrared – Prototype for Applications and Development) durante le campagne di misura svoltesi
nel 2007/2011, alla cui ultima ho preso parte, presso il laboratorio della Testa Grigia (Cervinia) in
quota a 3500 m, in Cile sul Cerro Toco (Atacama) nel 2009 a 5380 m, e la campagna tuttora in atto
presso la base europea Concordia a Dome C, in Antartide. Il software permette di invertire il
modello diretto partendo dalla misura al fine di ricavare i parametri relativi alla microfisica dei cirri.
Il programma d’inversione opera una minimizzazione del chi quadro, tramite la routine MINUIT
del CERN, simulando il trasferimento radiativo tra la tropopausa e la quota a cui sono state fatte le
misure in presenza di un singolo strato intermedio composto da cristalli di ghiacci e/o gocce
d’acqua. In tal modo può essere simulato lo spettro di radianza che tiene conto sia del contributo
della nube, che si manifesta con un continuo, sia di quello dell’atmosfera, che si manifesta invece
con delle righe. I parametri della nube che vengono fatti variare nella procedura di fit sono il TWP,
il diametro efficace della particelle di ghiaccio e acqua e, nel caso delle campagne a Testa Grigia e
in Cile in cui non si aveva a disposizione un supporto lidar, anche la temperatura efficace. Nel caso
invece dell’Antartide la temperatura della nube `e determinata dalla posizione tramite il profilo lidar
e pesata su di esso per ottenere un valore medio. Il programma `e munito di uno “switch” che
introduce la fase mista quando la temperatura della nube scende sotto i -40 ° C, temperatura limitesotto la quale l’acqua non può esistere allo stato liquido ma solo in forma di ghiaccio. Quando la
temperatura è compresa tra 0 e -40 ° C viene introdotta la fase mista, se invece la temperatura sale
sopra 0 ° C il programma è munito di un secondo “switch” che introduce solo
la fase liquida. Per quanto riguarda il contributo atmosferico i parametri che vengono fatti variare
nel fit sono alcuni punti corrispondenti alle quote in cui `e massima la sensibilità dello spettro alla
variazione della temperatura e del vapore acqueo. L’analisi dei punti di massima sensibilità è stata
fatta operando una “singular value decomposition” (SVD) dello jacobiano della temperatura e del
vapore acqueo calcolato sempre tramite LBLRTM.
In questo modo si ottiene una decomposizione in autostati dello jacobiano sulla base delle frequenze
ed `e possibile stimare, dagli autostati corrispondenti ai massimi autovalori, la quota dei punti di
massima sensibilità. Lo studio dello jacobiano e della SVD è stato fatto utilizzando un profilo
climatologico che il programma prende in input come initial guess per avviare la procedura
di fit. In particolare lo studio ha permesso di verificare che 4 punti sul profilodi temperatura e 5 su
quello del vapore acqueo rappresentano un buon compromesso che non sovradimensiona nè
sottodimensiona il problema. Infine sono stati introdotti nella procedura di fit anche due parametri
strumentali, ovvero il coefficiente della ILS (Instrument Line Shape) e lo spostamento in
frequenza. Il primo è il coefficiente che quantifica il mescolamento dei due contributi di sinc e sinc
2 presenti nella ILS ed è dovuto al fatto che il taglio delle frequenze generato dal cammino finito
dello specchio mobile dell’interferometro non è rappresentato esattamente da una funzione
rettangolare ma manifesta una perdita di efficienza ai bordi rappresentata da una funzione
triangolare. In termini di spettro ciò si traduce appunto in una convoluzione con una combinazione
lineare di una sinc e na sinc 2 . L’ultimo parametro è uno “shift” sulle frequenze che deriva dal fatto
che la frequenza del laser di riferimento non è perfettamente stabile nel tempo. L’inversione del
modello permette quindi di ricavare simultaneamente i parametri ottici e microfisici delle nubi e i
profili di temperatura e vapore acqueo. Per selezionare gli spettri in presenza di nubi da quelli di
cielo sereno il software opera un confronto per ognuno di essi della radianza spettrale media nella
banda si massima trasparenza, tra 820 e 960 cm -1 , con l’errore statistico medio, in modo tale
da attivare la tipologia di fit adatta al caso. Il modello sviluppato è stato validato con quello
sviluppato dal Prof. David Turner e la validazione è stata possibile durante il soggiorno durato un
mese presso il National Severe Storm Laboratory del NOAA, a Norman, Oklahoma
(USA).
L’analisi ha permesso di ricavare l’andamento temporale dei parametri delle nubi di ghiaccio di alta
quota, quindi IWP, diametro efficace delle particelle, temperatura efficace e spessore ottico, sia nel
caso di fase singola, con ghiaccio, che è il caso prevalente data la quota elevata a cui si formano
queste nubi, sia nel caso della fase mista, che si presenta sopratutto nelle atmosfere polari, e di fare
un confronto dei residui con l’errore statistico. In particolare, nel caso dell’analisi dei dati rilevati
nelle campagne a Testa Grigia, è stato possibile confrontare i risultati ottenuti con una statistica fatta
da A. Heymsfield che correla spessori ottici e IWP per cirri di medie latitudini.
E’ stata inoltre avviata l’analisi in loop su tutto il database, per ora dell’anno 2013, dei dati acquisiti
in Antartide a Dome C con lo scopo di poter fare una statistica della distribuzione dei parametri
microfisici delle nubi nelle atmosfere polari e possibilmente riuscire a modellare le correlazione tra
vapore acqueo e nubi di ghiaccio sfruttando la capacità di caratterizzare entrambi i contributi
simultaneamente.
I principali risultati di questo lavoro sono:
- per caratterizzare le nubi di ghiaccio è necessario estendere l'analisi al lontano infrarosso (FIR)
sotto i 600 cm -1 , dove lo spettro di emissione delle nubi è fortemente sensibile alla variazione del
diametro efficace delle particelle. Per effettuare il retrieval su tutta la banda spettrale tra 230 e 980
cm -1 è stato sviluppato un nuovo approccio di retrieval delle proprietà delle nubi operando un
fitting simultaneo delle nubi e dell'atmosfera, in particolare dei profili di vapore acqueo e
temperatura.- nel caso sia disponibile uno spettrometro ad ampia banda come REFIR-PAD, in grado di
caratterizzare l'atmosfera, è possibile effettuare un retrieval altrettanto accurato limitando l'analisi a
poche microfinestre di massima trasparenza distribuite su tutta la banda tra il medio e lontano
infrarosso (230-980 cm -1 ). Ciò aprirebbe alla possibilità di realizzare uno strumento a immagine
nell'infrarosso termico operante in poche bande strette, in grado di fornire una caratterizzazione
spaziale delle nubi, che generalmente non si presentano uniformi.
Infine disponendo, grazie alla campagna di misura iniziata nel 2011 e tutt'ora in atto in Antartide
presso Dome-C, di un vasto database spettrale dell'atmosfera antartica in presenza di nubi di
ghiaccio e in fase mista, è stato sviluppato un “tool” per effettuare l'analisi automatica su tutto il
database. Tale analisi dovrebbe fornire risultati in grado di migliorare la comprensione circa il
contributo termico di queste nubi e il loro impatto climatologico.
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