marschals - ASPER srl

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MA RSC HAL S
Millimetre-wav e Airbo rne Receivers fo r
Sp ectroscop ic CH ara cterisation in
Atmospheric Limb So und ing
Asper s.r.l.
www.asper-fi.it
Asper s.r.l., via Carnesecchi 39, 50131 Firenze (IT), Tel/Fax: +39-055-571158
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MARSCHALS
Millimetre-wave Airborne Receivers for Spectroscopic
CHaracterisation in Atmospheric Limb Sounding
Uno dei settori di attività di Asper è inserito nella tematica generale dell’osservazione
dell’atmosfera. In quest’ambito Asper è coinvolta in alcuni progetti per lo sviluppo di modelli e
algoritmi per l’analisi di misure di telerilevamento atmosferico. In particolare Asper fa parte di un
consorzio, coordinato dal CNR di Firenze, che attualmente sta lavorando per l’Agenzia Spaziale
Europea (ESA) nell’ambito del progetto MARSCHALS.
Il progetto MARSCHALS ha come obiettivo la misurazione della concentrazione di alcune
sostanze chimiche costituenti l’atmosfera. Le misure oggetto dell’analisi saranno eseguite da uno
strumento in via di realizzazione che sarà installato su un aereo o su un pallone sonda.
All’interno del progetto Asper è coinvolta nello studio del modello d’analisi, nello sviluppo degli
algoritmi, nell’estrazione dei dati dai tracciati di misura, nell’analisi e nella grafica dei risultati.
Premessa: l’osservazione
dell’alta troposfera
Le modifiche nella composizione chimica dell’atmosfera sono una delle cause più importanti dei
cambiamenti climatici globali. La conoscenza dell’atmosfera riveste un ruolo fondamentale nello
sviluppo di modelli che consentano di fare previsioni sul clima a medio e lungo termine.
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Per questi motivi sono in corso numerose missioni con lo scopo di aumentare la conoscenza
dell’atmosfera. Vari strumenti installati su satelliti osservano la stratosfera, così come numerosi
misure sono fatte da terra nella bassa troposfera.
Di particolare interesse, per la sua rilevante influenza sul clima, è la regione costituita dalla zona
alta della troposfera e dalla zona bassa della stratosfera (Upper Troposphere Lower Stratosphere UTLS).
L’Agenzia Spaziale Europea (ESA) finanzia progetti di studio così come la realizzazione di
strumenti per l’indagine della regione UTLS. In particolare, in questo momento è in corso uno
studio per la realizzazione di uno spettrometro che opera nella regione delle onde millimetriche da
installare su un satellite (MASTER) per l’osservazione della regione UTLS.
Con lo scopo di simulare le osservazioni di MASTER e studiarne potenzialità e limiti, è stato
realizzato uno strumento da installare su una piattaforma aerea o su pallone stratosferico
(MARSCHALS). ESA, oltre alla realizzazione dello strumento, ha previsto alcune campagne di
misura: i dati raccolti dallo strumento durante le missioni (livello L1) saranno analizzati per ricavare
la concentrazione di alcune specie chimiche presenti in atmosfera (livello L2).
MARSCHALS: lo strumento
Il Millimetre-wave Airborne Receivers for Spectroscopic CHaracterization in Atmospheric Limb
Sounding (MARSCHALS) è uno spettrometro realizzato da ESA e ottimizzato per l’osservazione
della regione UTLS da piattaforma aerea o pallone stratosferico. Ha tre ricevitori radiometrici
corrispondenti a tre diverse bande spettrali nella regione delle onde millimetriche: banda B: da
294.0 a 305.5 GHz; banda C: da 316.5 a 325.5 GHz e banda D: da 342.2 a 348.8 GHz. Le bande
sono state selezionate principalmente per l’analisi della concentrazione di H2O, O3, HNO3, N2O,
CO nella regione UTLS.
figura 1: esempio di profili spettrali osservati rispettivamente nelle bande B, C e D.
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Installato su un aereo lo strumento opera da una quota di circa 20 km e consente di indagare le
zone dell’atmosfera al di sotto della quota di volo fino a circa 5/6 km. I palloni stratosferici operano
da quote superiori fino a circa 40 km.
La tecnica di osservazione a lembo
L’osservazione dell’atmosfera è fatta con una tecnica di osservazione che è detta osservazione a
lembo (limb sounding). A partire dalla posizione dello strumento (aereo o pallone all’interno della
stratosfera), lo strumento raccoglie la radiazione emessa dall’atmosfera lungo linee di vista che la
osservano a piccoli angoli al di sotto dell’orizzontale.
Le linee di vista penetrano parte della stratosfera e parte della troposfera raggiungendo una quota
di minima altezza e risalgono di nuovo uscendo verso lo spazio. Lo strumento misura lo spettro
generato dall’emissione spontanea dell’atmosfera lungo la linea di vista nelle regione delle onde
millimetriche nelle bande B, C e D. Dall’analisi dello spettro possono essere ricavate informazioni
sulla composizione dell’atmosfera. Utilizzando un gruppo di misure eseguite con diversi angoli di
vista (che corrispondono a diverse altezze sondate in atmosfera) può essere determinato un profilo
di concentrazione verticale.
figura 2: schematizzazione delle line di vista utilizzate per l’osservazione a lembo dell’atmosfera terrestre.
Il livello 2: analisi scientifica dei dati di misura
Asper è partner di un gruppo che si occupa della analisi delle osservazioni atmosferiche eseguite
attraverso MARSCHALS. Il consorzio è coordinato dall’IFAC-CNR di Firenze ed è composto da
gruppi di ricerca di vari paesi dell’Unione Europea. Vi partecipano IFAC-CNR e Asper di Firenze,
ISAC-CNR di Bologna, LPPM-Université de Paris, University of Oxford, University of Leeds,
Observatoire de l’Université Bordeaux CNRS/INSU.
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Per lo studio il consorzio ha sviluppato algoritmi e realizzato un codice da utilizzare per l’analisi
scientifica dei dati di misura. Il codice (MARC: MARSCHALS Retrieval Code) è stato sviluppato
con lo scopo di simulare le osservazioni dello strumento e ricavare, dai dati di misura, la
concentrazione in atmosfera delle specie chimiche oggetto della indagine (retrieval): tiene conto di
tutti gli effetti fisici e strumentali necessari per il retrieval dei dati a partire dalla radianza spettrale
misurata dallo strumento. Nel codice sono considerati anche gli effetti di scattering dovuti alle nubi
e agli aerosols atmosferici in genere.
Il codice di Retrieval: MARC
La determinazione, da misure spettrali, del profilo di concentrazione di una o più specie
chimiche fa parte della categoria di problemi inversi che non ammette soluzione analitica. La
tecnica di inversione (retrieval) utilizzata consiste nella simulazione dello spettro osservato dallo
strumento, utilizzando un opportuno modello di atmosfera (forward model), a partire da un’ipotesi
iniziale di composizione dell’atmosfera. L’atmosfera iniziale è costruita sulla base di dati
climatologici a disposizione della comunità scientifica. Lo spettro simulato sulle ipotesi iniziali è
confrontato con lo spettro misurato dallo strumento.
figura 3: diagramma di flusso ad alto livello del codice MARC.
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Un processo iterativo di minimizzazione degli scarti tra lo spettro simulato e quello osservato
consente di ricavare il profilo in altezza delle specie chimiche che generano la radianza osservata
dallo strumento.
Il retrieval è basato sul metodo di Gauss-Newton che adotta un criterio di minimizzazione della
funzione chi quadro, definita come la somma quadratica delle differenze tra spettro misurato e
simulato. La convergenza dl metodo è assicurata da un processo iterativo in cui un nuovo forward
model è eseguito dopo che è migliorata la conoscenza dell’atmosfera.
La tecnica di retrieval parte dalla conoscenza a priori dello stato dell’atmosfera e utilizza i dati di
misura per migliorare l’informazione sulla regione indagata.
Un esempio di risultati
Come esempio dei risultati la figura 4 mostra il profilo in quota della concentrazione del vapor
d’acqua e dell’ozono ricavato da MARC nel caso di una atmosfera tipica delle medie latitudini.
figura 4: profilo in quota della concentrazione del vapor d’acqua e dell’ozono ricavato da MARC nel caso di
una atmosfera tipica delle medie latitudini.
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