MARSCHALS: Millimetre-wave Airborne Receivers for Spectroscopic CHaracterisation in Atmospheric Limb Sounding

 

 


  

 

MARSCHALS

(Millimetre-wave Airborne Receivers for Spectroscopic CHaracterisation in Atmospheric Limb Sounding)

MARSCHALS

• Premessa: l'osservazione della alta troposfera

Le modifiche nella composizione chimica della 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.

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 arrivare alla realizzazione di uno spettrometro da installare su un satellite (MASTER) per la osservazione della regione UTLS che 'opera' nella regione delle onde millimetriche. 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.

profili spettrali osservati rispettivamente nelle bande B, C e D

figura 1: esempio di profili spettrali osservati rispettivamente nelle bande B, C e D.

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.

L'osservazione a lembo dell'atmosfera terrestre. Atmospheric Limb Sounding

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.

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 aerosol 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. 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.

MARC 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.

MARC: diagramma di flusso ad alto livello

figura 3: diagramma di flusso ad alto livello del codice MARC.

• 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.

MARC: profilo in quota della concentrazione del vapor d'acqua e dell'ozono

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.

• Pubblicazioni

"MARC: A code for the retrieval of atmospheric parameters from millimeter-wave limb measurements", Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Volume 105, Issue 3, July 2007, Pages 476-491.

 

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