UNIVERSIT `A DI PISA SCUOLA DI DOTTORATO IN INGEGNERIA ”LEONARDO DA VINCI” CORSO DI DOTTORATO DI RICERCA IN

UNIVERSIT `

A DI PISA

SCUOLA DI DOTTORATO IN INGEGNERIA ”LEONARDO DA VINCI”

CORSO DI DOTTORATO DI RICERCA IN

TELERILEVAMENTO

TESI DI DOTTORATO DI RICERCA

MODELLI DI TRASFERIMENTO RADIATIVO

E TECNICHE D’INVERSIONE

DI MISURE ATMOSFERICHE IN PRESENZA DI NUBI

NELLA REGIONE SPETTRALE DEL LONTANO

INFRAROSSO

Autore:

Dr. Samuele Del Bianco

Relatore:

Dr. Bruno Carli

Sommario

E stato sviluppato un codice d’inversione chiamato MARC (Millimetre-wave Atmospheric Retrieval Code) per analizzare le misure di un nuovo strumento eterodina che effettua misure atmosferiche al lembo chiamato MARSCHALS (Millimetre-wave Airborne Receivers for Spectroscopic CHaracterisation in At-mospheric Limb-Sounding). Il codice d’inversione fa una regressione non lineare che minimizza la differenza fra le misure ed un modello diretto. In questo modello si calcola il trasporto radiativo in atmosfera non omogenea considerando anche gli effetti dovuti ai gradienti orizzontali ed alla presenza di nubi. Molte nuove e interessanti caratteristiche sono presenti in questo codice d’inversione: l’uso della matrice di varianza e covarianza del modello diretto, la quale descrive in maniera rigorosa gli errori sistematici riducendo cos´ı la loro influenza nel cal-colo dell’errore totale; la flessibilit´a nella procedura d’inversione (single-target e

multi-target, single-band e multi-band, single-sequence e sequential-fit, selezione

tra differenti strategie di regolarizzazione e tra differenti criteri di convergenza), un’ambia variet´a di quantit´a ricavabili dall’inversione (costituenti atmosferici, gradienti orizzontali e parametri strumentali); determinazione di molti quantifi-catori della qualit´a dell’inversione (averaging kernel matrix, gradi di libert´a, con-tenuto di informazione, χ2_teste numero di macro e micro iterazioni nella procedura d’inversione).

L’osservazione al lembo pu´o fornire la necessaria risoluzione verticale per lo studio della regione UTLS (Upper Troposphere - Lower Stratosphere). Per questo motivo, negli ultimi anni, molti spettrometri che effettuano misure al lembo sono stati montati a bordo dei nuovi satelliti. In questo contesto ESA (European Space Agency) sta pianificando lo sviluppo di uno spettrometro eterodina che lavora nelle onde millimetriche chiamato MASTER (Millimetre-wave Acquisition for Stratosphere-Troposphere Exchange Research) e ha sviluppato MARSCHALS per misure da aereo stratosferico. L’obiettivo di MARSCHALS ´e verificare sper-imentalmente le capacit´a di misura di MASTER nella regione UTLS. Questo obiettivo ´e stato perseguito utilizzando il codice MARC per l’analisi delle misure di MARSCHALS.

MARC ´e stato prima di tutto impiegato per uno studio teorico d’inversione. Questo studio ha determinato le capacit´a di misura di MARSCHALS in cielo sereno e cielo nuvoloso in termini di accuratezza con la quale possono essere determinate le quantit´a atmosferiche obiettivo della misura ed alcuni parametri strumentali. Inoltre, ´e stato osservato che in presenza di nubi ci sono quattro condizioni di misura che si possono verificare: nubi che non modificano le misure, nubi che possono essere adeguatamente descritte con un modello di assorbimento continuo atmosferico, nubi per le quali una limitata risoluzione verticale produce un errore nel modellare la distribuzione verticale della nube stessa, e infine nubi che necessitano un modello di scattering per poter ottenere un corretta inversione dei dati misurati.

Alla luce dei risultati ottenuti in questo studio teorico, MARC ´e stato utiliz-zato per analizzare le misure di MARSCHALS ottenute durante la campagna di misura SCOUT-O3 fatta a Darwin (Australia) nel Dicembre del 2005. I risultati dell’analisi hanno confermato la capacit´a di MARSCHALS di effettuare misure dei costituenti atmosferici in presenza di nubi che, invece, risultano essere opache nel medio e lontano infrarosso. MARSCHALS ha misurato la distribuzione verti-cale della temperatura, del vapor d’acqua, dell’ozono e dell’acido nitrico durante l’intero volo.

Inoltre, usando lo stesso codice, sono state analizzate le misure di uno stru-mento a trasformata di Fourier, con rivelatore non raffreddato, chiamato REFIR-PAD (Radiation Explorer in the Far InfraRed - Prototype for Applications and Development), anche questo strumento ha raccolto dati a latitudini tropicali. Da queste misure sono state ottenute informazioni sul profilo di vapor d’acqua, di temperatura e sulla temperatura della superficie. I residui della procedura d’inversione sono stati analizzati con l’obiettivo di individuare possibili effetti sistematici dovuti ad errori spettroscopici. Nell’intervallo spettrale coperto da REFIR-PAD i residui sono consistenti con le incertezze di misura previste, provando cos´ı una buona qualit´a del modello di trasferimento radiativo e del data-base spettroscopico HITRAN 2004. Differenze significative invece sono state osservate utilizzando il data-base spettroscopico HITRAN 2000.

Il codice sviluppato ha fornito una robusta e affidabile analisi delle misure di due strumenti diversi con una completa caratterizzazione dei risultati e con l’identificazione delle loro future potenzialit`a.

Questo lavoro `e stato realizzato grazie al contributo di ESA-ESTEC (contratto n◦ _{16530/02/NL/MM).}