MAX-DOAS

Cambiando direzione di vista, e movendo il telescopio ricevitore verso angoli diversi dallo zenith, ci si è accorti ch’egli spessori ottici dei gas esaminati aumentavano considerevolmente. Sanders et al., (1993) riuscì a misurare OClO durante il tramonto puntando l’ottica di ingresso a bassi angoli di elevazione. In patrticolare, fin dalle prime osservazioni ci si rese conto che si poteva avere una maggiore sensibilità nel rilevare gas presenti in troposfera. Mentre quindi, per la stratosfera la sensibilità risultava pressoché la stessa, in troposfera si era aprerto iun nuovo fronte di indagine: la possibilità di ottenere informazioni circa il contenuto troposferico del gas e e la possibilità di ricostruirne il provilo verticale nei primi chilometri. Allo stesso modo, tuttavia, la complessità delle geometrie di vista utilizzate richiesero maggiori prestazioni anche da parte dei modelli di trasferimento radiativo, utili per il calcolo degli AMF e nel caso di

profili, boxAMF. In figura 2.4 si possono osservare le caratteristiche e le principali differenze che ci sono tra la ZSL DOAS e la MAX DOAS. Il percorso compiuto dalla radiazione solare segue due percorsi distinti, prima attraversa la stratosfera, e vediamo che il percorso all’interno di essa è pressoché uguale per ogni angolo di vista, a parità di SZA. Successivamente attraversa la troposfera, e vediamo che la il percorso in questo strato si allunga man mano che l’angolo di vista si abbassa. Il modo in cui questo avviene è tutt’altro che lineare, cioè non esiste una corrispondenza biunivoca e lineare tra la variazione del percorso e l’angolo di elevazione. Infatti, come visto per la ZSL- DOAS, il percorso non è ben definito in quanto è l’insieme di tutti i percorsi possibili della radiazione a determinare il percorso di assorbimento utile per il calcolo dell’AMF. Inoltre in questo caso è utile considerare ordini di scattering superiori al primo, che possono determinare sottostime dell’AMF. In figura 2.4 è rappresentato un solo punto di scattering, sopra lo strato superficiale, per semplicità. Se la probabilità di scattering aumenta, come nel caso di misure nell’UV, o come in presenza di alti valori di concentrazione di aerosol, i punti di scattering si avvicinano determinando un percorso medio inferiore rispetto al caso con minore aerosol. Il caso estremo con nebbia o neve, il percorso si accorcia e si uniforma a quello che si ottiene con altri angoli di vista. Data la diversa sensibilità al gas in funzione dell’angolo di elevazione è possibile trarre dalle misure informazioni circa il profilo verticale nei primi chilometri di atmosfera. La risoluzione verticale di tale profilo può essere di circa 3 po 5 livelli per la bassa troposfera, ma per una tale inversione occorre conoscere molto bene il profilo di aerosol. Infatti la misura dell’aerosol è direttamente correlata dalla teoria di Koshmeider (1920) sulla visibilità e determina variazioni del percorso anche di 2 ordini di grandezza. Questo tipo di informazioni, fortunatamente, possono essere ricavate utilizzando le misure di un gas di cui si conosce il profilo, come ad esempio l’O4. Inoltre variando anche l’azimuth di misura si possono ottenere informazioni circa la funzione di fase.

In figura 2.5 si può osservare uno schema che rappresenta la dipendenza dell’AMF dalla misura di O4.

Partendo da sinistra vediamo che dato un valore di AMF di O4 maggiore di 1, se consideriamo la dipendenza di questo valore dall’angolo di elevazione, vediamo che c’è una relazione inversa, ossia l’AMF aumenta al diminuire dell’angolo di elevazione. Ad un secondo livello si può studiare la dipendenza dal SZA: in questo caso all’aumentare del SZA si ha un aumento dell’AMF. Ad un terzo livello, la dipendenza dall’azimuth completa lo studio nel caso di un’atmosfera di tipo “Pure Rayleigh”. L’aggiunta di Aerosol complica notevolmente le cose poiché uniforma ed abbassa maggiormente i valori degli AMF.

Quando si vuole calcolare il profilo di un gas quindi occorre prima conoscere il profilo di aerosol presente in troposfera al momento delle misure. Questo viene solitamente ottenuto attraverso la misura contemporanea dell’O4 come abbiamo appena visto. Per capire la sensibilità della MAX-DOAS alle misure e ai calcoli di trasferimento radiativo per la distribuzione verticale del gas, occorre introdurre il concetto di box AMF: ovvero il contributo che un gas in traccia situato ad un

certo livello, dà all’intero AMF . Esso è quindi una misura della sensibilità di una particolare direzione di vista verso uno strato di gas ad una particolare quota. La SCD di un gas in traccia, e quindi indirettamente anche l’AMF, ad un dato angolo di elevazione ai è legata all’AMF come in equazione 2.5:

( )

_∑[(

)

]

dove ∆hj è l’altezza del j-esimo livello, cj la concentrazione e (Abox)ij è il Box AMF

del j-esimo livello, visto all’angolo di elevazione aj. In figura 2.222 sono

rappresentati i box di AMF per diversi livelli in funzione dell’angolo di vista e della quota di interesse.

In figura 2.223 è invece rappresentato uno schema del tipico algoritmo utilizzato per ricavare i profili in troposfera mediante le misure di O4

Occorre infine tenere in considerazione che la MAX DOAS, o più in generale la DOAS passiva forniscono una misura integrata nello spazio, ovvero una quantità

errori risultano difficilmente quantificabili e possono determinare soluzioni molto diverse da quella reale. Tali informazioni possono essere dedotte dallo studio degli averaging kernel (la matrice che definisce la relazione tra le quantità ricavate e quelle reali dell’atmosfera. La non unicità della soluzione quindi, soggetta alla varianza degli errori nella stima delle variabili che influenzano l’algoritmo, portano il nostro sistema a rientrare nella condizione dei sistemi “non ben posti”,la cui trattazione è affidata a metodi di inversione ottimali (optimal estimation).

La MAX-DOAS è una metodologia molto vasta e per certi versi ancora in espensione, e quindi una trattazione dettagliata è al di là degli scopi di questo elaborato. L’argomento inoltre è stato molto trattato in letteratura come ad esempio in Wagner et al., 2004, Honnonger et al., 2004, ecc.

Qui si sono sottolineate le caratteristiche utili per inquadrare le possibilità che questa tecnica può offrire nel calcolo delle emissioni da ciminiere, e le problematiche che si devono affrontare nel suo utilizzo.