Informazioni generali e cenni storici
La radiazione solare, entrando in atmosfera, viene attenuata anche se non ci sono nubi che si interpongono tra il sole ed il suolo. Ciò è dovuto a due cause:
- la diffusione da parte delle molecole stesse di chi è composta l’atmosfera (scattering di Rayleigh);
- l’assorbimento da parte di alcuni gas, quali l’anidride carbonica, l’ozono ed il vapor d’acqua.
Un’altra causa di attenuazione è dovuta alla presenza nell’atmosfera di piccole particelle in sospensione, i cosiddetti aerosol, che contribuiscono a diminuire la trasparenza dell’aria.
Questa causa di estinzione della radiazione solare viene detta torbidità atmosferica. La fotometria solare è un campo sperimentale della fisica dell’atmosfera che studia la radiazione solare attraverso la misura del contenuto atmosferico di aerosol e gas in traccia (soprattutto vapor d’acqua e ozono).
Lo spessore ottico degli aerosol (AOD) e il contenuto colonnare precipitabile del vapore acqueo (w) sono due parametri fisici molto importanti, sistematicamente osservati non solo a livello globale, ad esempio per la comprensione della loro influenza sul cambiamento globale del clima, ma anche utilizzati a livello locale sinottico, ad esempio per la validazione incrociata su dati di remote sensing (soprattutto tramite satelliti che giornalmente coprono vaste zone della terra).
In ambito WMO – GAW, il Centro di Raccolta Mondiale per Aerosols (WDCA) raccoglie i dati di Aerosol ed altri costituenti chimici al fine di definire la loro distribuzione spazio-temporale e definire eventuali forcing climatici da essi prodotti su scale spaziali regionali o globali e scale temporali multi decadali.
Altri utilizzi di tali dati sono: Caratterizzazione stagionale delle proprietà ottiche e fisiche delle particelle di aerosol in ambiente urbano e rurale: impatto dell’attività antropica ed impatto sulla salute; Evoluzione stagionale dell’effetto radiativo diretto dell’aerosol, in ambienti a diversa riflettività superficiale; Correzioni atmosferiche delle immagini satellitari e delle informazioni sulla bio-fisica della superficie terrestre ottenute da post-elaborazioni di dati satellitari;
Monitoraggio ceneri vulcaniche Uso dei parametri di aerosol come input nei modelli atmosferici che codificano gli scambi radiativi e la dinamica della nuvolosità; Uso dei parametri di aerosol in modelli di previsione di red-sky o blue-sky (applicazioni industriali relative alla gestioni flussi energetici proventi da reti fotovoltaiche).
Le due principali reti fotometriche mondiali sono attualmente: AERONET (AErosol RObotic NETwork
http://aeronet.gsfc.nasa.gov) della NASA (Holben et al., 1998) and SKYNET (SKYrad NETwork
http://atmos.cr.chiba-u.ac.jp) in Asia (Takamura et al., 2004). A livello europeo esiste la European SkyRad users network (ESR
http://www.euroskyrad.net), che nasce dall’iniziativa congiunta dell’ISAC (CNR) in Italia, del Group of Solar Radiation(GRSV) dell’ Università di Valencia (Spagna) e del Plymouth Marine Laboratory (PML) al National Environmental Research Centre (NERC – United Kingdom).
Lo scopo di ESR è quello di implementare e fornire metodologia strumentale ed algoritmi comuni per la misurazione, la calibrazione e l’elaborazione dei dati di fotometria solare per la caratterizzazione degli aerosol atmosferici. Il Servizio Meteorologico dell’A.M. effettua misure di torbidità atmosferica dal 1975. Lo scopo di tale attività di misura era, e lo è tuttora, quello di contribuire ai vari programmi di monitoraggio ambientale ed inquinamento di fondo promossi dall’Organizzazione Mondiale per la Meteorologia (
http://www.wmo.int).
Oggi tuttavia, grazie a strumentazione tecnologicamente avanzata, all’utilizzo puramente scientifico si è aggiunto un uso maggiormente operativo di tali dati, come ad esempio il monitoraggio delle ceneri vulcaniche che hanno ripercussioni importanti su tutte le attività di volo.
Lo strumento utilizzato fino alla fine degli anni ’90 fu un fotometro solare manuale il cui elemento di rilevazione era costituito da una cellula fotosensibile posta in fondo ad un tubo di collimazione. Mediante puntamento manuale, la radiazione diretta del sole colpiva la fotocellula dopo aver attraversato uno dei due filtri interferenziali di cui era dotato lo strumento: filtro a 380 nm (ultravioletto) e filtro a 500 nm (visibile). Da tali misure si ottenevano i valori di spessore ottico e coefficiente di Angstrom.
Fotometro solare in dotazione alla stazione di Verona Villafranca fino alla fine degli anni ’90.
Lo strumento riporta la dicitura “WMO BAPMoN” a testimoniare la partecipazione della rete italiana per la misura della torbidità atmosferica al programma Background Air Pollution Monitoring Network, promosso dal WMO.
Metodo di misura, strumentazione in uso e qualità
La rete del Servizio Meteorologico A.M. è oggi dotata di fotometri solari POM01 della Prede che operano su sette bande dello spettro solare e precisamente: 315, 400, 500, 675, 870, 940 e 1012 nm.
Lo strumento è dotato di tracker automatico che insegue il sole mediante coordinate predefinite. Esso è inoltre dotato di un cestello porta filtri ruotante che sequenzialmente interpone i filtri nelle diverse lunghezze d’onda alla radiazione solare entrante.
E’ possibile effettuare misure ogni minuto su tutti le sette lunghezze d’onda sopra menzionate. Tali misure sono accentrate ogni ora al centro di elaborazione della rete European SkyRad users network
(ESR http://www.euroskyrad.net), situato presso il CNR-ISAC di Roma, che utilizza il metodo dell’aureola solare (
http://www.euroskyrad.net/introduction.html) per stimare lo spessore ottico e gli altri parametri fisici dell’aerosol atmosferico.
La calibrazione degli strumenti della rete fotometrica A.M. avviene in conformità alla procedura adottata dalla ESR (
http://www.euroskyrad.net/methodology.html).
Programmi internazionali e collaborazioni
Lo spessore ottico solare (AOD) è uno di quei parametri atmosferici il cui monitoraggio rientra nel programma di Veglia Atmosferica Globale (GAW): (
http://www.wmo.int/pages/prog/arep/gaw/aerosol.html).
Il Servizio Meteorologico dell’Aeronautica Militare Italiana collabora altresì con università ed enti di ricerca nazionali ed internazionali, mettendo a disposizione i propri dati meteorologici e partecipando a sperimentazioni mirate allo sviluppo di nuove metodologie di misura ed applicazioni che possano avere positive ricadute per il Servizio, per la comunità scientifica e per l’intera collettività.
Ne è un esempio la collaborazione con il CNR-ISAC di Roma, con il quale è stato messo a punto una procedura di elaborazione dei dati grezzi fotometrici, integrata con realtà europee già esistenti, quali l’ESR.