Tra fulmini e idrometeore
La Fisica dell’Atmosfera a Tor Vergata
(A cura di Manuela Tulli e Luca De Paolis, Università degli Studi di Roma Tor Vergata)
La Fisica dell’Atmosfera studia la composizione e le caratteristiche dell’atmosfera dei pianeti, con particolare attenzione alla Terra. Come nel caso di altre discipline sperimentali, la raccolta delle informazioni viene effettuata attraverso osservazioni dirette e indirette, utilizzando strumenti sempre più avanzati: stazioni meteorologiche, sonde, razzi, palloni aerostatici e satelliti. Inoltre, per poter dare una descrizione completa dei fenomeni atmosferici è fondamentale monitorare i profili delle principali grandezze meteorologiche e avere misurazioni H24.
Uno fra i pochi Atenei italiani ad offrire un curriculum dedicato interamente allo studio di questa materia è l’Università degli Studi di Roma Tor Vergata. I ricercatori che abbiamo intervistato, cercando di scoprire i segreti e le prospettive dei loro studi, non fanno però parte di un gruppo di ricerca dell’Ateneo: è grazie alle attrezzature all’avanguardia, messe a disposizione dall’Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima (ISAC-CNR), che è possibile studiare, raccogliere dati e sperimentare in questo settore. L’ISAC-CNR, insieme all’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e all’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), si trova all’interno dell’Area di Ricerca di Tor Vergata (ARTOV).
Lo studio dell’atmosfera presso l’osservatorio CIRAS
Nell’Istituto è presente l’osservatorio atmosferico CIRAS, acronimo di CNR Isac Rome Atmospheric Supersite, che opera dal 1997 ed è gestito da diversi gruppi di ricerca. Qui sono presenti importanti strumenti di telerilevamento come il LIDAR Raman-Mie-Rayleigh, un apparato interamente progettato e realizzato all’ISAC-CNR.
Questo strumento è composto da 11 telescopi newtoniani e utilizza un laser Nd:YAG (1064 nm) dal quale sono ottenuti due raggi a 532 nm e 355 nm mediante generazione di seconda e terza armonica (tale conversione in frequenza è dovuta al passaggio in materiali con risposta non lineare). I telescopi permettono di osservare la radiazione riflessa dall’atmosfera: il fascio verde (532 nm) è riflesso elasticamente e permette di ottenere informazioni sulla temperatura e sulla presenza di particolato nell’atmosfera. Il fascio UV (355 nm), invece, interagisce in modo specifico con le molecole di azoto e di vapore acqueo. Infatti, la radiazione riflessa subisce un’ulteriore conversione in frequenza (shift Raman): parte dell’energia dei fotoni incidenti è assorbita dalle molecole e il segnale riflesso ha una frequenza minore (e quindi lunghezza d’onda maggiore: 387 nm per l’azoto e 407 nm per il vapore acqueo). È dunque possibile ottenere informazioni sulle caratteristiche chimico-fisiche dei diversi strati dell’atmosfera. Per esempio, si possono determinare profili di concentrazione di vapore acqueo fino a 13-14 km di altezza, con una risoluzione di circa 75 metri.
Lidar Raman-Mie-Rayleigh (RMR), è possibile vedere il laser verde diretto verticalmente verso gli strati superiori dell’atmosfera. Fonte.
Lo studio della stratosfera - con Francesco Cairo
“Mi occupo di stratosfera solo da un punto di vista osservativo: il mio compito è di effettuare misure dal suolo sia con LIDAR che con aerei stratosferici, studiando i particolari processi di scambio fra l’aria troposferica e l’aria stratosferica. Quest’aria è organizzata in nubi e ciascuna di esse possiede la sua propria microfisica e microchimica.
Profilo termico dell’atmosfera.
Gli obiettivi principali del gruppo sono la caratterizzazione della composizione chimico-fisica dell’atmosfera terrestre, la definizione del bilancio di radiazione ed energia in aree remote e su differenti scale temporali e lo studio dei processi dinamici e radiativi della stratosfera sulla base delle attività osservative.
Tali parametri sono fondamentali per il monitoraggio delle condizioni ambientali. Per esempio, il bilancio radiativo è dato alla differenza tra la quantità di radiazione solare assorbita dalla Terra e la quantità di radiazione emessa e riflessa nello spazio. Ad una variazione di bilancio radiativo corrisponde una modificazione climatica: un eccesso radiativo, indotto per esempio dall’aumento della radiazione solare, comporta un aumento delle temperature.”
Le precipitazioni: cosa sono e come si studiano al CIRAS - con Nicoletta Roberto
“Il nostro gruppo di ricerca si occupa dello studio delle precipitazioni con strumenti al suolo, nello specifico con radar a diversa banda. Le idrometeore, in Fisica dell’Atmosfera, sono le precipitazioni come pioggia, neve e grandine. Variando la frequenza delle microonde generate dal radar si possono osservare le diverse dimensioni delle idrometeore: un aumento della frequenza corrisponde a una diminuzione della lunghezza d’onda e, quindi, a un incremento della risoluzione spaziale dello strumento. Ciò permette di distinguere le varie tipologie di idrometeore e di individuare anche quelle di minore dimensione.
I nostri radar sono tutti basati sul metodo della polarimetria. Questa tecnica permette di osservare la quantità di idrometeore presenti in una nube, la loro forma e la loro fase (liquida o ghiacciata). Inoltre i radar utilizzati permettono di definire il volume delle nubi attraverso l’uso di un’antenna mobile.
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live_help Radio Detection And Ranging
I Radar, acronimo di Radio Detection And Ranging, utilizzano microonde con frequenze da 0.1 a 100 GHz. Nell’ambito del monitoraggio dell’atmosfera, vengono utilizzate onde elettromagnetiche nelle bande S (ν=2-4 GHz, λ=15-7.5 cm) e C (ν=4-8 GHz, λ=7.5 - 3.75 cm), grazie alle quali è possibile determinare diversi parametri che caratterizzano le precipitazioni, come intensità, posizione e velocità di spostamento. Inoltre, la mobilità delle antenne permette il monitoraggio di aree e volumi molto estesi (200 km di distanza e 10 km di altezza). Per approfondimenti.
Un altro elemento di forza delle nostre attrezzature è il disdrometro laser, strumento che consente di fornire simultaneamente la misura del diametro e della velocità di caduta delle idrometeore attraverso l’interruzione di un fascio laser. Le informazioni relative alla dimensione delle gocce, principalmente diametro e volume, permettono di stimarne la distribuzione dimensionale, parametro importante per la stima da telerilevamento della precipitazione.”
Lo studio delle precipitazioni da satellite - con Stefano Dietrich
“Il mio gruppo si occupa di stima delle precipitazioni da satellite. Esistono satelliti meteorologici, come Meteosat e Polari, progettati per osservare l’evoluzione temporale delle idrometeore e, misurandone le proprietà quantitative, produrre mappe di precipitazione. Gli algoritmi prodotti dal nostro gruppo vengono messi a disposizione dell’Aeronautica Militare e inseriti su Meteosat. L’utilizzo di questi algoritmi permette di dare una stima delle precipitazioni in diverse regioni della Terra.
Il monitoraggio delle precipitazioni in tempo reale è utile alla Protezione Civile per seguire l’evoluzione dei fenomeni atmosferici, al fine di organizzare con consapevolezza interventi di prevenzione e a sostegno della popolazione civile. Oltre alle precipitazioni da satellite studiamo anche le scariche elettriche nube-nube o nube-suolo attraverso sistemi di rilevamento estremamente precisi: i sensori LINET. Tali sensori rilevano l’intensità e i tempi di arrivo delle onde elettromagnetiche emesse durante la caduta di un fulmine, localizzandone la posizione. I singoli moduli LINET sono costituiti da un’antenna, un GPS ricevitore e un processore di campo, e sono posizionati nella zona da monitorare ad una distanza media di 150-250 km gli uni dagli altri. La variazione dei tempi di arrivo della radiazione rivelata è dell’ordine del μs: trasmettendo i dati al server centrale si può risalire alla posizione dei fulmini caduti con una precisione di circa 75 metri (ulteriori informazioni).
Singolo modulo della rete di sensori LINET. Fonte
L’osservazione della variazione di intensità dei fulmini permette previsioni che possono aiutare nella gestione degli eventi meteorologici. In Italia siamo i soli a svolgere questa attività di studio, grazie ad una collaborazione con la Germania che ha messo a disposizione 15 moduli.”
Si calcola che nel mondo ogni secondo si formino da 40 a 50 fulmini, per un totale di 1,4 miliardi di questi fenomeni ogni anno: Mappa dei fulmini in tempo reale.
Quando il Radar si fa acustico: Il Sodar PBL - con Stefania Argentini
“Il Sound Detection And Ranging (SODAR) è un radar acustico che consente di correlare intensi echi acustici alla presenza di fluttuazioni termiche e meccaniche presenti in atmosfera. Il sistema che adoperiamo è stato sviluppato dall’ISAC-CNR e viene utilizzato nel campo della bassa atmosfera dello strato limite planetario.
Le informazioni principali fornite dallo strumento sono la struttura termica stratificata dei primi 500-1000 metri dell’atmosfera, rappresentata in immagini simili a quelle che può fornire un eco-scandaglio, e la velocità radiale del vento alle diverse quote ottenuta mediante l’analisi doppler dell’eco.
SODAR (acronimo dell’espressione inglese Sonic Detection And Ranging), strumento meteorologico conosciuto anche come Wind Profiler. Immagine distribuita sotto licenza CC BY-SA 3.0, Kreuzschnabel.
Durante l’analisi, le onde acustiche devono essere inviate in tre direzioni opportunamente scelte, ovvero lungo la verticale e le altre di 20°-30° rispetto allo zenit. I profili di vento e temperatura permettono di acquisire e monitorare le caratteristiche dello scambio di energia tra la superficie esterna e la parte più alta dell’atmosfera. Avere informazioni sullo strato limite dell’atmosfera, sulla sua dinamica ma anche sulle situazioni di turbolenza che si vengono a generare è particolarmente utile per gestire la dispersione delle sostanze inquinanti. Inoltre, la velocità radiale del vento, calcolata a diverse quote, è un parametro atmosferico che permette di stimare la velocità con cui sono diffuse le emissioni in atmosfera.”
Aerosol e qualità dell’aria - con Francesca Barnaba
“L’aerosol è una miscela in cui una sostanza viene dispersa in un gas. Le particelle contenute all’interno dell’aerosol atmosferico costituiscono le polveri totali sospese (PTS) dette anche particolato. Negli ultimi anni ci siamo focalizzati sui temi della qualità dell’aria e sugli effetti che la presenza del particolato presente in atmosfera (composto anche dalle sostanze inquinanti) produce sull’ambiente e sull’uomo. Attraverso l’impiego di strumenti avanzati, alcuni dei quali sviluppati da noi, studiamo le proprietà fisiche, chimiche e ottiche del particolato atmosferico. Per ottimizzare i dati raccolti combiniamo misure effettuate in loco con strumenti di remote-sensing con quelli di modellistica numerica.
In particolare investighiamo le proprietà delle particelle e la loro diffusione su larga scala (come per le sabbie sahariane), studiando quali processi le producono e quali sono i loro effetti sulla nostra salute. Abbiamo studiato anche il fenomeno del trasporto di sostanze rilasciate a seguito di incendi, sia agricoli che forestali. Ad esempio siamo in grado di sapere come un incendio avvenuto nell’est Europa condiziona la qualità dell’aria in Italia.”
Studiare la climatologia - con Chiara Cagnazzo
“Il nostro gruppo di ricerca si occupa di ricostruire i valori medi di parametri atmosferici come la temperatura dell’aria, l’umidità o il vento. L’obiettivo è quello di migliorare la comprensione dei processi che determinano il cambiamento del clima, per prevedere possibili scenari riguardanti il territorio. Ci occupiamo di vari aspetti di modellistica climatica, con particolare attenzione alla stratosfera.
Inoltre, all’ISAC-CNR è presente un gruppo di ricerca che si occupa di modellistica di esopianeti (in collaborazione con il Prof. Francesco Berrilli), ovvero corpi celesti appartenenti a un sistema planetario diverso da quello solare. Gli esopianeti sono osservati e monitorati tramite indagini spettroscopiche per capire quali elementi costituiscono la loro atmosfera, se presente, e dedurre alcune informazioni circa superficie e temperatura.”
La fisica dell’atmosfera è in continua evoluzione: la precisione delle misurazioni è ricercata attraverso il costante aggiornamento delle conoscenze in un’ottica di crescita e di sviluppo degli apparati, degli algoritmi e della capacità interpretativa in relazione alle problematiche osservate. Grazie anche alle importanti attività presenti presso l’ISAC-CNR, l’Italia può fare la sua parte!