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Attività

Modello di trasferimento radiativo

Per meglio analizzare e interpretare le osservazioni effettuate a Lampedusa si è utilizzata una versione modificata del modello di trasferimento della radiazione UVSPEC [Mayer, B., G. Seckmayer, and A. Kylling, Systematic long-term comparison of spectral UV measurements and UVSPEC modelling results, J. Geophys. Res., 102, 8755– 8767, 1997]. L'UVSPEC consente di risolvere l'equazione di trasferimento radiativo con tre diversi metodi: il metodo "two stream", il metodo delle ordinate discrete (DISORT) valido nell'assunzione di atmosfera piano-parallela ed il metodo che utilizza l'approssimazione pseudosferica del DISORT (SDISORT) e che quindi tiene conto della sfericità dell'atmosfera.

Generalmente si utilizza il modello con sei strati per il calcolo dell'irradianza e con 16 strati per il calcolo dei flussi risolvendo l'equazione del trasferimento con il SDISORT. Il modello può simulare la radiazione in termini di radianza, irradianza diretta e diffusa e flussi attinici tra 200 e 800 nm previa l'assunzione sia dello spettro solare extraterrestre, che della struttura e composizione atmosferica e delle caratteristiche della superficie.

L'atmosfera è suddivisa in strati verticali omogenei con concentrazione di gas atmosferici e proprietà ottiche dell'aerosol costanti al loro interno. Queste proprietà possono variare da strato in stato. Si presume che l'ozono sia l'unico gas in grado di assorbire la radiazione. Ci sono quindi notevoli differenze tra i risultati del modello e le osservazioni nelle regioni spettrali dove sono presenti bande di assorbimento da parte di altre specie chimiche (principalmente vapore acqueo e ossigeno molecolare).

Gli input del modello sono l'angolo di zenit del sole, la quantità di ozono totale, il valore dell'albedo del suolo, i profili verticali di pressione, temperatura, densità dell'aria e ozono; gli aerosol sono caratterizzati da albedo di scattering singolo, dal fattore di asimmetria e dallo spessore ottico di ogni strato. Questo approccio è destinato a simulare condizioni di cielo sereno senza quindi prendere in considerazione le nubi.

Due sono le modifiche principali che sono state implementate al modello originale di Mayer et al. [1997]: l'aumento della risoluzione verticale dell’atmosfera, per consentire una descrizione più dettagliata della struttura della troposfera, e una nuova parametrizzazione dell'aerosol per includere nel modello le proprietà dell'aerosol osservate mediante gli strumenti operanti a Lampedusa. Le osservazioni LIDAR evidenziano che possono verificarsi notevoli differenze nella distribuzione verticale dell'aerosol in giorni diversi, con aerosol troposferico che si estende fino a quote variabili da 1 a 8 km [di Sarra, A., T. Di Iorio, M. Cacciani, G. Fiocco, and D. Fuà, Saharan dust profiles measured by lidar at Lampedusa, J. Geophys. Res., 106, 10,335-10,348, 2001]. L'atmosfera è quindi stata suddivisa in 64 strati verticali omogenei da 0 a 120 km con una risoluzione verticale di 150 m negli strati più bassi di 2.1 km, di 300 m tra i 2.1 e gli 8.4 km di quota, di 1 km fino a 25 km e di spessore crescente fino a 120 km di quota.

La versione originale dell'UVSPEC include quattro tipi di aerosol con caratteristiche predefinite (urbano, rurale, marittimo e troposferico) per i primi 2 km dell'atmosfera. Nella nostra versione del modello è possibile definire specifici valori della distribuzione dimensionale, dell'indice di rifrazione e del profilo verticale dell'aerosol.

Il modello di trasferimento radiativo MODTRAN versione 4.2 [Berk, A., Bernstein, L.S., Anderson, G.P., Acharya, P.K., Robertson, D.C., Chetwynd J.H. & Adler-Golden, S.M. (1998). MODTRAN Cloud and Multiple Scattering Upgrades with Application to AVIRIS. Remote Sens. Environ. 65, 367-375] è stato utilizzato per la simulazione del valore dell'irradianza ad onda corta e lunga.
Il modello calcola la radianza e l'irradianza nell'intervallo spettrale 0-50000 cm-1 con una risoluzione di 1 cm-1, ed include la rifrazione sferica, le funzioni della sorgente solare e lunare, il contributo della radiazione infrarossa e della superficie, e i fenomeni di scattering (Rayleigh, Mie, e scattering multiplo) e profili predefiniti di gas, aerosol, nuvole, nebbie e pioggia.
Il modello dispone di 6 profili atmosferici rappresentanti diversi climi (tropicale, medie latitudini estivo ed invernale, subartico estivo ed invernale e standard USA) per 6 gas atmosferici (H2O, CO2, O3, N2O, CO, CH4), inoltre dispone di singoli profili per HNO3, NO, NO2, SO2, O2, N2, NH3.
Per quanto riguarda i profili di aerosol, è possibile selezionare tipologie di aerosol presenti in troposfera (aerosol rurale, urbano, desertico, marino e nebbia) e/o presenti in stratosfera. Le proprietà dell'aerosol definite dall'utente (estinzione, assorbimento e fattore di asimmetria) possono essere definite fino ad un massimo di 4 diversi strati atmosferici.
I tipi di nubi già implementati nel modello sono il cumulo, l'altostrato, lo strato, lo stratocumulo, il nimbostrato ed il cirro. L'utente può definire specifiche proprietà ottiche e geometriche delle nubi.
Il modello tiene anche conto dell'emittanza spettrale del suolo e della riflettanza (Lambertiana o BRDF).
Infine, le grandezze spettrali possono essere pesate con funzioni di filtro allo scopo di riprodurre misure specifiche dello strumento.