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