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)

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.