Introduzione _LIDAR

Il particolato atmosferico
È costituito da particelle fini di solido o liquido sospese in un gas (aerosol).
Esse rappresentano i costituenti dell’atmosfera terrestre allo stato solido o liquido, mentre le
molecole di azoto, ossigeno, argon ecc. costituiscono la parte gassosa.
Principali fonti naturali: traspirazione vegetale, residui di sali marini, sabbie desertiche,
polvere interplanetaria, eruzioni vulcaniche ecc;
Fonti di origine antropica: prodotti di combustione, attività industriali, combustibili fossili e
di biomasse, i VOC (Composti Organici Volatili) ecc..
Dimensioni: Da 0.01micron a 1 cm.
Il ruolo degli aerosol nel bilancio climatico è complesso e non completamente chiarito. Essi
influiscono sul bilancio radiativo sia in modo diretto, attraverso la diffusione e
l’assorbimento di radiazione elettromagnetica, sia in modo indiretto, agendo come nuclei di
consensazione nella formazione di nubi.
Sebbene si possa ritenere che il ruolo netto degli aerosol atmosferici sia di produrre un
raffreddamento, la grande variabilità delle proprietà chimico fisiche e della loro
distribuzione spaziale e temporale rende molto difficile valutare con affidabilità la loro
influenza sul clima.
La limitata conoscenza delle loro caratteristiche, della distribuzione spaziale e della
evoluzione temporale costituisce quindi uno dei principali ostacoli per una dettagliata
valutazione del bilancio radiativo e dei cambiamenti climatici.
La tecnica LIDAR
La tecnica Lidar (acronimo di Light Detection and Ranging) è una tecnica laser non
invasiva, particolarmente adatta allo studio degli aerosol atmosferici.
Essa consiste nell’inviare in atmosfera impulsi laser di breve durata e nella rivelazione della
piccola frazione di luce che il particolato atmosferico e le molecole di gas diffondono verso
il basso. Il tempo intercorso tra l’invio e la ricezione dell’impulso permette di determinare la
posizione dei diversi strati, mentre l’analisi della radiazione rivelata contiene informazioni
sulle caratteristiche chimico-fisiche e sulla concentrazione dei componenti atmosferici
incontrati.
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Schema di un apparato LIDAR
Cosa si misura
La tecnica Lidar ha molte applicazioni diverse. Nell’applicazione al particolato essa
consente di determinare numerosi parametri, punto per punto in funzione della quota dal
suolo e del tempo. Quindi fornisce misure rappresentative della distribuzione del
particolato e delle sue proprietà, lungo la traiettoria del fascio laser.
Parametri ottici del particolato
Coefficiente di retrodiffusione ( backscattering coefficient) : generalmente indicato
con il simbolo β , esso misura la frazione di energia incidente che viene retrodiffusa dal
particolato entro un determinato angolo e da un determinato spessore. Dipende dalla
natura e dalla concentrazione del particolato. Si misura in m-1sr-1.
Rapporto di retrodiffusione ( scattering ratio): Indicato con SR, è il rapporto tra
l’intensità totale della luce retrodiffusa e la frazione che sarebbe diffusa da un’atmosfera
ideale, priva di particolato. Esso quindi assume valori sempre superiori ad 1 (atmosfera
ideale) e tanto più grandi quanto più è elevato il contenuto di particelle.
Indice di colore (color index): La proprietà delle particelle di diffondere la luce dipende
dalla lunghezza d’onda della radiazione incidente (colore). L’indice di colore (CI) è una
misura di questa dipendenza. Il suo valore dipende dalle caratteristiche chimico-fisiche
del particolato, ma non dalla sua concentrazione. È quindi utile per discriminare il tipo e
la dimensione del particolato. Assume valori variabili tra -1 (particolato grande,
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tipicamente polveri minerali e sabbia desertica ecc.) e +4 (il massimo valore corrisponde
al contributo delle molecole di gas).
Coefficiente di estinzione (extinction coefficient): Indicato con il simbolo α , esso
rappresenta la riduzione di flusso di energia luminosa per unità di lunghezza nella
direzione di propagazione del fascio laser. Dipende dalla natura e dalla concentrazione
del particolato. Si misura in m-1.
Altezza dello Strato Limite Planetario (PBL): lo Strato Limite Planetario è lo strato di
atmosfera a diretto contatto con il suolo. E’ in esso che si svolge la quasi totalità delle
attività umane. Ha grande importanza sia perché esso governa gli scambi di calore tra
suolo ed atmosfera sia perché in esso vengono immessi tutti gli inquinanti prodotti dalle
attività umane. La variazione della temperatura dell’atmosfera con l’altezza determina
condizioni per le quali il PBL costituisce una specie di barriera per la diffusione degli
inquinanti a quote superiori.
La sua altezza, in generale compresa tra poche centianaia di metri e 2-3 chilometri, varia
con una andamento giornaliero ed un andamento stagionale. Essa è massima nelle ore di
massima insolazione e minima nelle ore notturne. L’altezza del PBL varia inoltre in
funzione delle caratteristiche morfologiche del luogo ed anche del tipo di uso del suolo e
puo’ risultare significativamente diversa in siti disposti anche a breve distanza l’uno
dall’altro.
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La stazione LIDAR di Napoli
La stazione Lidar di Napoli si trova nella zona Nord-Ovest della città, quartiere Fuorigrotta,
ubicata presso il Laboratorio di Fisica Atomica ed Applicazioni Laser del Dipartimento di
Scienze Fisiche dell’Università Federico II, all’interno del Complesso Universitario di
Monte Sant’Angelo, in Via Cinthia.
Le coordinate geografiche del sito sono:
Latitudine: 40°50’ 18’’N
Longitudine: 14°10’ 59’’E
Altezza:
118 m sul livello del mare.
Immagini del LIDAR
La stazione è basata su di un dispositivo lidar operante a diverse lunghezze d’onda che
viene continuamente aggiornato. La configurazione attuale perrmette di misurare
direttamente e simultaneamente:
coefficiente di retrodiffusione aerosolica a 2 lunghezze d’onda
rapporto di retrodiffusione
coeffciente di estinzione aerosolica a due lunghezze d’onda
depolarizzazione aerosolica
vapor d’acqua
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altezza dello strato limite
I suddetti parametri sono misurati con una risoluzione di 60 m, fino alla quota massima di
circa 25 km.
Nel sito è localizzata anche una stazione che misura parametri meteorologici: pressione,
temperatura, umidità relativa, direzione e velocità del vento al suolo,
L’attività LIDAR si svolge nell’ambito del coordinamento scientifico del CNISM, il
Consorzio Nazionale Interuniversitario per la Fisica della Materia, del quale
l’Università di Napoli Federico II è uno dei soci fondatori.
La stazione Lidar di Napoli opera all’interno di una rete europea (EARLINET - European
AeReosol LIdar NETwork) che si propone come obiettivo la caratterizzazione degli aerosol
atmosferici su scala continentale. Inoltre essa partecipa al progetto ESA-CALIPSO
dell’Agenzia Spaziale Europea con obiettivo di intercalibrare la tecnologia lidar di controllo
degli aerosoli atmosferici da satellite ( Missione Calipso della NASA) con le applicazioni da
terra
Staff
Prof. Nicola Spinelli, Dipartimento di Scienze Fisiche, Università di Napoli Federico II
Dott. Xuan Wang , CNR-INFM Coherentia
All’attività hanno collaborato:
Dott.ssa Libera Nasti, Dottoranda Università di Napoli Federico II
Dott.ssa Xiaomei Lu, Dottoranda
Dott.ssa Yiming Zhao, Dottoranda
Sivia Romano, studendessa del corso di Laurea in Fisica, Università di Napoli Federico II
Antonio Ciervo, sudente del corso di Laurea in Fisica, Università di Napoli Federico II
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La campagna di misura
La campagna di misura è iniziata il 5 Luglio 2007 ed è terminata il 29 Settembre 2008. Le
misure Lidar effettuate hanno consentito di studiare il particolato fine su Napoli e la sua
evoluzione diurna e stagionale.
Il programma ha riguardato una misura settimanale per un periodo di 15 mesi; nel
complesso sono state effettuate misure per 67 giorni.
Per ciascuna misura settimanale sono state effettuate effettuate 5 ore di acquisizione dei dati
distribuite nel corso di una singola giornata, onde consentire di seguire l’evoluzione
temporale della distribuzione degli aerosol sul sito di misura: tipicamente al mattino prima
dello sviluppo completo dello strato limite, nelle ore di massima estensione dello strato
(mezzogiorno), durante le ore di relativa stabilità pomeridiana, al tramonto e nelle ore serali.
Parametri misurati
Misure diurne:
- Profili verticali del rapporto di retrodiffusione alle lunghezze d’onda di 355nm (UV)
e 532nm (Visibile); esso fornisce una misura del profilo del carico aerosolico totale
presente in atmosfera;
- Profili verticali dei coefficienti di retrodiffusione aerosolici alle lunghezze d’onda di
355nm e 532nm; tali coefficienti sono determinati a partire dalle misure di diffusione
elastica, attraverso l’applicazione di algoritmi di analisi che fanno uso del rapporto
tra estinzione e retrodiffusione (lidar ratio) che, a sua volta, è valutato tramite
l’utilizzo di ipotesi sulla tipologia di aerosoli e per mezzo di estrapolazione delle
misure effettuate nelle ore serali.
- altezza dello strato limite planetario e delle eventuali stratificazioni;
- misura del coefficiente di Angstrom degli aerosoli per ciascuna stratificazione
osservata; tale coefficiente costituisce un paramentro caratteristico del tipo di aerosol.
Misure serali:
- profili verticali del rapporto di scattering alle lunghezze d’onda di 355nm e 532nm;
- misura diretta del profilo del coefficiente di estinzione aerosolico a 355nm;
- misura diretta del profilo del coefficiente di retrodiffusione aerosolica a 355nm con
la tecnica Raman;
- coefficiente di retrodiffusione alla lunghezza d’onda di 532nm, analogamente a
quanto viene fatto nelle misure diurne;
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-
altezza dello strato limite planetario, della base delle nubi e delle eventuali
stratificazioni;
misura del coefficiente di Angstrom per ciascuna stratificazione osservata.
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