Stima degli effetti radiativi degli aerosol Sahariani nella modellistica meteorologica del Mediterraneo

Introduzione
Il lavoro sviluppato in questa tesi ` e stato incentrato nella realizzazione “ex–
novo” di una catena modellistica atmosferica con due obiettivi primari: da un
lato riprodurre il fenomeno dell’evoluzione spazio–temporale degli aerosol mine-
rali di origine sahariana nell’area del bacino del Mediterraneo e in particolare
sull’Italia, dall’altro riuscire a caratterizzare l’attenuazione della radiazione so-
lare che raggiunge il suolo in presenza dei suddetti aerosol. Lo scopo finale ` e
quello di migliorare la stima dell’impatto degli aerosol minerali e dei fenomeni ra-
diativi di attenuazione ad essi legati sulla simulazione dell’evoluzione dello stato
dell’atmosfera, sia per l’impiego nelle previsioni del tempo, sia per le simulazio-
ni atmosferiche di tipo stagionale e climatico. Con questo lavoro di tesi ` e stato
possibile creare uno schema modellistico affidabile da impiegare nella corrente at-
tivit` a operativa delle previsioni meteorologiche giornaliere. Il lavoro ` e stato svolto
presso il Laboratorio per la Meteorologia e la Modellistica Ambientale (LaMMA)
dell’Istituto di Biometeorologia – Consiglio Nazionale delle Ricerche.
Gli aerosol minerali sono sicuramente tra i fattori di maggior importanza nel
modificare il bilancio radiativo dell’atmosfera, in quanto producono un’alterazione
del bilancio energetico alla superficie, in condizioni di cielo sereno. Essi rappre-
sentano quindi un fattore climatico non trascurabile su un ampio spettro di scale
temporali. Gli effetti delle particelle di aerosol possono essere raggruppati in due
classiprincipali: unodiretto, attraversoassorbimentoescattering, eunoindiretto,
5 Intr.
attraversolamodificadellepropriet` adellenubi. Gliaerosolinfatti,poich´ epossono
agire come nuclei di condensazione per le gocce di vapore d’acqua contenute nelle
nuvole, influenzano conseguentemente le propriet` a della nube che si viene a for-
mare, le sue caratteristiche radiative e il tempo di vita, incidendo cos` ı sul bilancio
della precipitazione di tutte le idrometeore.
1
Concentrazione, forma, distribuzionedidimensioni, indicedirifrazioneepro-
filo verticale degli aerosol possono essere altamente variabili sia spazialmente che
temporalmente: alcune di queste quantit` a (in special modo le propriet` a micro-
fisiche) non sono ancora completamente conosciute, e sono comunque difficili da
misurare direttamente.
Fra tutti i differenti tipi di aerosol minerali atmosferici, la polvere del deserto
` e di primario interesse, da un lato perch´ e le potenziali sorgenti coprono approssi-
mativamente un terzo della superficie terrestre, dall’altro perch´ e il loro trasporto
atmosferico avviene su vasta scala. Il meccanismo primario attraverso cui avviene
il trasporto si riassume in due fasi: nella prima le particelle di polvere sono mo-
bilizzate dal vento sul suolo e innalzate fino alla media troposfera dai forti regimi
convettivi che si sviluppano nel deserto e in occasioni di colpi di vento; nella se-
conda fase avviene il vero e proprio trasporto anche a distanze considerevoli dalla
sorgente di produzione, a seguito della circolazione a grande scala nell’atmosfera.
La polvere di origine desertica ha un forte impatto sulla radiazione solare
attraverso i fenomeni di assorbimento e di scattering. Tale pulviscolo, risultato
di una miscela di vari minerali, ha propriet` a ottiche che dipendono dalla sorgente
1
Vedi cap. 5.
Intr. 6
d’origine, dalle propriet` a di mobilizzazione e dalle trasformazioni fisico–chimiche
a cui sono soggetti i componenti durante il trasporto in atmosfera, oltre che dallo
stato di aggregazione dei medesimi.
Una maniera per caratterizzare l’effetto degli aerosol ` e quella di introdurre
il concetto di forcing radiativo, definito come la differenza, a terra o a una de-
terminata quota nell’atmosfera, fra i livelli di irradianza in presenza o meno delle
particelle di aerosol.
L’agenziainternazionaleIntergovernmental Panel on Climate Change(IPCC,
2001) definisce il livello di comprensione scientifica del forcing radiativo per gli
aerosol di tipo desertico come “molto basso”, poich´ e le stime del forcing radiativo
sono affette da incertezze derivanti dalla scarsa conoscenza della composizione
degli aerosol e delle propriet` a ottiche associate.
Negli ultimi anni la comunit` a scientifica internazionale si ` e notevolmente im-
pegnataalfinedimigliorarelaconoscenzadegliaerosoldeserticiedelloroimpatto
sul bilancio radiativo, in particolar modo per gli studi regionali, sia a livello me-
teorologico che climatico. Sokolik e Toon (1996) hanno stimato che, nonostante le
quantit` a chiave che influenzano il forcing radiativo diretto siano affette da molte
incertezze, il forcing per aerosol minerali vicino alle aree sorgenti ` e paragonabile a
quellodellenuvole. Eccospiegatal’importanzadidotarsidiunamodellisticaatmo-
sferica capace di stimarne gli effetti sui bilanci radiativi. Tale conoscenza ` e resa
particolarmentenecessarialaddove, comenelbacinodelMediterraneo, iltrasporto
di polvere proveniente dal deserto del Sahara ` e piuttosto comune, modulato dalle
condizioni meteorologiche a grande scala. Ad esempio Gilman e Garrett (1994)
7 Intr.
stimano che il forte impatto radiativo della polvere sahariana, influenzando i flussi
evaporativi al suolo, riesca a modificare il bilancio idrologico dell’intero bacino.
Conoscere la quantit` a di aerosol presente in atmosfera significa ricostruire corret-
tamente tutti i meccanismi di sollevamento e trasporto, ma tale sforzo ` e capace
non solo di migliorare le valutazioni del bilancio radiativo, ma anche di aumentare
la comprensione, a scala climatica, dell’effetto serra, migliorando le stime per gli
scenari futuri. In questo modo si potrebbe agire a livello di intervento di contra-
sto con opportune strategie, laddove possibile, di riqualificazione e miglior uso del
suolo.
Lo studio da me eseguito nasce dunque con lo scopo dichiarato di inquadrare
l’intero fenomeno in un contesto di modellistica meteorologica numerica, prenden-
do come riferimento un evento verificatosi il 16 luglio 2003 per mettere a pun-
to l’efficienza del sistema modellistico originale adottato. Esso ` e composto dal-
l’accoppiamento di 4 modelli numerici autonomi, rappresentanti lo stato dell’arte
delle conoscenze attuali circa i fenomeni coinvolti. La prima parte del lavoro ` e
stata impiegata nel cercare di riprodurre al meglio l’evento atmosferico in esame,
risalendo dapprima alle condizioni meteorologiche, stimando poi l’emissione di ae-
rosol e quindi il conseguente trasporto da parte del vento. Una volta ricostruito
l’evento, si` epoipassatiastimarel’impattoradiativo, incondizionidicielosereno,
sull’intervallo spettrale 280-800 nm, con l’ausilio di un modello unidimensionale di
trasporto radiativo.
La parte preliminare del lavoro ` e stata volta a selezionare un evento emble-
matico (‘caso studio’), che fosse capace di rappresentare e mettere in luce i vari
aspetti fisici del fenomeno, ma che riguardasse l’Italia, visto che i modelli atmo-
Intr. 8
sferici operativi su cui ho lavorato coprono l’intero bacino del Mediterraneo, con
un particolare riguardo all’Italia in generale e alla Toscana.
Dopo un’analisi dei dati disponibili, sia satellitari, sia da misure a terra, ho
deciso di selezionare un evento avvenuto il 16 luglio 2003, data in cui i sensori di
vari satelliti (TOMS, MODIS), nonch´ e la rete di fotometri per il monitoraggio a
terradegliaerosol(AERONET),hannoregistratounaforteinfiltrazionedipolvere,
proveniente dall’Africa Occidentale, sull’Italia. La nuvola di aerosol minerali ha
attraversato il Mediterraneo ed ` e andata a interessare le stazioni di rilevamento
a terra degli aerosol di Oristano (Sardegna) e Lampedusa (Sicilia), utilizzate in
questo lavoro per il confronto con le simulazioni.
L’analisi da me eseguita dello sviluppo del plume
2
di sabbia mostra come
la sua formazione sia da attribuire all’azione congiunta di una bassa pressione di
origineatlanticaposizionatavicinoall’Irlandaedell’altapressionepresentesulba-
cino del Mediterraneo nel periodo in questione. Queste condizioni meteorologiche
a grande scala hanno fatto s` ı che si creasse una saccatura
3
di pressione, che ha
estratto la polvere dalla riserva permanente sul Nord Africa e l’ha indirizzata in
maniera rapida e con un’alta coerenza spaziale (cio` e una bassa dispersione laterale
rispetto alla direzione di moto principale) verso l’Italia.
La ricostruzione dell’intero evento meteorologico ` e stata realizzata sulla base
ditredifferentimodelliatmosfericiaccoppiati,unoperlecondizionimeteorologiche
(RAMS),unoperl’emissionedipolveredalleregionisorgente(DUSTEM),einfine
2
Plume` eilterminetecnicoconcuivieneindicatounflussodimaterialetrasportatodalmovimento
dell’aria, per il quale ho preferito mantenere la dizione originale inglese.
3
Ossia, un’area di bassa pressione che si insinua all’interno di una zona anticiclonica. Vedi cap. 3.
9 Intr.
un modello che ha simulato il trasporto (CAMx). La stima del forcing radiativo ` e
invece stata affidata al modello di trasporto radiativo UVSPEC. L’uso dei quattro
modelli ` e stato richiesto nel mio lavoro in quanto, attualmente, nessun modello
meteorologicoconsiderainmanieraintegrataglieffettidegliaerosol, n´ eperquanto
riguarda la radiazione n´ e per quanto riguarda i molti effetti associati.
Hoeseguitolaricostruzionedell’eventometeorologicousandoilmodelloatmo-
sferico operativo usato al LaMMA, cio` e il RAMS (Regional Atmospheric Modeling
System), sviluppato dagli scienziati della Colorado State University e della divi-
sione ASTER della Mission Research Corporation. Il RAMS ` e un modello a fisica
completa per la simulazione e la previsione dei fenomeni meteorologici, e rap-
presenta uno dei sistemi pi` u evoluti nel settore della modellistica meteorologica,
essendo espresso in termini non idrostatici ed essendo in grado di assimilare una
notevole mole di dati osservati.
Il cuore del RAMS ` e costituito dal modello atmosferico, che effettua le simu-
lazioni e prevede l’andamento nel tempo dei campi atmosferici attraverso la riso-
luzione di un insieme di equazioni che descrivono lo stato dinamico dell’atmosfera.
A supporto di queste equazioni, risolte numericamente da schemi a differenze fi-
nite, il RAMS dispone di una vasta gamma di opzioni di parametrizzazione per la
diffusione turbolenta, per i processi radiativi, per i processi umidi, per la conve-
zione dei cumuli, per i flussi di calore e per gli effetti del terreno. Gran parte delle
opzioni di parametrizzazione di cui dispone lo rendono particolarmente adatto alla
simulazione di fenomeni anche su scala molto piccola.
Intr. 10
Con l’ausilio del RAMS ho dunque ricostruito la situazione meteorologica a
partiredaidatiinizialiealcontornofornitidalprogettoReanalisi.
4
Laporzionedi
superficie terrestre, coperta con una risoluzione di 0.5
◦
×0.5
◦
, comprende il bacino
del Mediterraneo e parte dell’Africa, mentre il periodo di simulazione va dal 5 al
17 luglio 2003. La scelta dell’area e dell’intervallo temporale da simulare ` e stata
effettuata in modo che l’evoluzione spaziale e temporale del fenomeno fosse ben
riprodotta.
Una volta ricostruiti correttamente con il modello RAMS i campi di interesse
(e quindi la circolazione atmosferica), questi ultimi sono stati confrontati con un
dataset di analisi meteorologiche fornito dal progetto Reanalisi, per una corretta
valutazione della validit` a dei dati simulati. I valori delle grandezze atmosferiche
(ad esempio: pressione, temperatura, umidit` a atmosferica, campi di vento ecc.)
sono stati usati, successivamente, come parametri di ingresso per i modelli di
emissione, trasporto atmosferico e trasporto radiativo.
Con i dati per velocit` a di frizione,
5
campi di vento e umidit` a forniti dal
RAMS, e utilizzando i dati sull’uso del suolo e sulla vegetazione resi disponibili ri-
spettivamentedallaFAO(risoluzioneorizzontale8km×8km)eGlobal Land Cover
2000 (risoluzione orizzontale 1km×1km), ` e stato inizializzato il modello di emis-
sione DUST Emission Model simulando le concentrazioni superificiali di 4 classi
4
Il Progetto Reanalisi, portato avanti dal National Center for Atmospheric Research, ha lo scopo
di assemblare una raccolta dei dati sui fenomeni atmosferici a livello planetario dal 1948 ad oggi,
attraverso una valutazione e rielaborazione del materiale disponibile con i metodi pi` u aggiornati.
Del Progetto Reanalisi si parla estesamente in questo lavoro nel cap. 5 e nell’appendice ad esso
dedicata.
5
La velocit` a di frizione ` e un parametro che caratterizza la forza d’attrito fra il vento e il suolo.
Per una definizione rigorosa, si veda al cap. 5.
11 Intr.
di particelle (argilla, limo fine, limo grosso, sabbia) rappresentanti la tipologia pi` u
comune di polvere del deserto. La stima dei flussi emessi ` e stata realizzata con il
modello DUSTEM, sviluppato precedentemente al LaMMA per studi sulle tem-
peste di sabbia nella Cina settentrionale e appositamente adattato e migliorato,
durante il presente studio, sull’area nord Africana e il bacino del Mediterraneo.
Come dati iniziali, oltre ai gi` a citati campi atmosferici, ho utilizzato quelli
sull’uso del suolo e la vegetazione, i quali, una volta accoppiati, cio` e opportuna-
mente proiettati sulla stessa mappa, forniscono la concentrazione in quel dato tipo
di suolo per le quattro specie di particelle adottate nella schematizzazione model-
listica. La mappa cos` ı ottenuta comprende la stessa area coperta dal RAMS con
una risoluzione nominale di 8km×8km, ma successivamente degradata sia per
adattarla alla risoluzione di 0.5
◦
×0.5
◦
del RAMS, sia per rendere l’impatto com-
putazionale meno gravoso. Con tutti i parametri di ingresso simulati e controllati,
ilDUSTEMhafornitolamappadiemissione,chehoprovvedutoaconfrontarecon
i dati osservati dal satellite TOMS, per una valutazione della bont` a delle simula-
zioni effettuate sia in termini delle regioni di emissione sahariane sia della corretta
stima dei quantitativi di aerosol in volo. Il modello di emissione ha rappresen-
tato il passaggio intermedio e cruciale dell’intero mio lavoro di tesi poich´ e, dato
l’elevato numero di parametri in gioco, l’emissione ` e sicuramente uno fra i fattori
pi` u critici. Infatti, ogni successiva stima dipende direttamente dal quantitativo di
aerosol immesso nella troposfera.
Una volta che la polvere ` e immessa in atmosfera viene trasportata dal vento,
subendo durante il percorso vari effetti. Ho utilizzato il modello CAMx (Com-
prehensive Air quality Model with extensions) proprio per questo compito, inse-
Intr. 12
rendo in ingresso le grandezze necessarie, fra cui i campi atmosferici del RAMS e
i flussi di emissione di polvere del DUSTEM.
Cos` ı configurato, CAMx provvede a descrivere il trasporto delle particelle,
tenendo conto, oltre che degli effetti di ricaduta al suolo per gravit` a, anche della
chimica e dell’incremento di volume delle particelle dovuto all’umidit` a dell’aria.
Gli aerosol minerali sono stati, in prima approssimazione e per questo lavoro di
tesi, considerati chimicamente inerti. Il modello CAMx haquindi prodotto la rico-
struzionedell’evoluzionetemporaledeltrasportodelleconcentrazionidellequattro
specie di polveri, sull’intera area di interesse nel periodo 5-17 luglio 2003.
La scelta dell’arco temporale di simulazione` e stata fatta a partire dall’analisi
effettuata dell’evoluzione spazio–temporale del plume di sabbia che ha caratteriz-
zato l’intero periodo di luglio 2003. Tale analisi ` e stata la diretta conseguenza
di uno studio, realizzato in questo lavoro di tesi, sull’occorrenza delle ondate di
sabbia nel bacino centro–occidentale del Mediterraneo nell’ultimo decennio. Ta-
le studio, riprendendo precedenti lavori presentati agli inizi degli anni 2000 nella
letteratura scientifica, ha mostrato come vi siano stati degli evidenti mutamenti
nell’occorrenza delle ondate di sabbia sull’Italia a partire dal 2002 in poi, renden-
do pi` u importante, e di conseguenza pi` u interessante, lo studio di tale fenomeno
atmosferico.
Dopo aver utilizzato CAMx per simulare l’evoluzione spazio–temporale del
plume di polvere, ho estratto dal modello i profili verticali per i tre giorni, 15-16-
17 luglio, in modo da seguire l’andamento del fenomeno durante il sorvolo degli
aerosol sul centro del Mediterraneo.
13 Intr.
Per calcolare lo spessore ottico degli aerosol ho utilizzato i profili di concen-
trazione verticale delle varie specie di particelle (argilla, limo fine, limo grosso,
sabbia), usando la teoria di Mie per le sezioni d’urto di estinzione; la scelta di tale
approssimazione si ` e basata sui risultati di precedenti lavori,
6
secondo i quali le
propriet` a ottiche di una miscela di particelle di varia forma sono ben approssima-
bili con lo scattering Mie, nonostante che questo assuma simmetria sferica. Per
l’indice di rifrazione dei quattro tipi di polvere ho usato i valori presenti in lettera-
tura. Trovati gli spessori ottici, ` e stato eseguito un confronto con quelli misurati
dalla rete di fotometri AERONET, la quale fornisce per varie localit` a sparse per
il mondo misure continue e affidabili dello spessore ottico dovuto agli aerosol e di
un certo numero di altri parametri associati. I valori di spessore ottico simula-
ti risultano confrontabili con quelli sperimentali, sebbene abbiano un andamento
temporale pi` u regolare.
Noti gli spessori ottici, ho stimato il forcing radiativo al suolo dovuto agli
aerosol minerali come differenza fra le irradianze al suolo con e senza aerosol. Il
calcolo dell’irradianza ` e stato eseguito tramite il modello unidimensionale di tra-
sporto radiativo UVSPEC, utilizzando un algortimo in geometria pseudo–sferica,
noto come SDISORT. Anche tale modello ha richiesto di essere inizializzato con
i valori di pressione, temperatura, e albedo forniti dal RAMS, mentre l’effetto
dell’Ozono l’ho valutato scalando il profilo climatologico
7
per le medie latitudini
in estate di Shettle (1989) con il valore giornaliero fornito dal sensore TOMS. I
6
Ad es. Mishchenko et al. (1997). Vedi cap. 1.
7
In questo contesto si utilizza l’aggettivo “climatologico” per grandezze il cui valore non deriva da
misureoelaborazionidirettema,perlecaratteristichedellapropriavariabilit` aspazio–temporale,
pu` o essere stimato dalla media di dati sperimentali raccolti in luoghi e tempi diversi.
Intr. 14
risultati finali per l’impatto radiativo, stimato approssimativamente nell’intervallo
−80÷−120W·m
−2
per unit` a di spessore ottico a 500nm degli aerosol , sono in
ottimo accordo con la letteratura.
Illavorodisintesieaccoppiamentodimodellisticanumericaperlastimadelle
correzioni del bilancio radiativo svolto in questa tesi rappresenta un primo passo
verso la messa a punto di sistemi di simulazione atmosferica capaci di descrivere
l’effetto della presenza in troposfera di aerosol minerali, sia per quanto riguarda la
modellistica meteorologica operativa, sia per quella atmosferica a scala stagionale
e climatica. Esistono infatti evidenze scientifiche per cui la nuova frontiera della
descrizione del comportamento dell’atmosfera, a tutte le scale spazio–temporali,
non potrebbe prescindere da una corretta trattazione integrata della presenza e
degli effetti degli aerosol minerali.
Questolavoro` ecos` ıstrutturato: ilcap.1introduceprimadituttol’atmosfera
terrestre e la sua interazione con la radiazione elettromagnetica, per poi passare
a descrivere cosa sono gli aerosol e quali sono i loro effetti. Nel cap. 2 le sorgenti
di aerosol minerali sono determinate con l’ausilio del sensore TOMS, mentre nel
cap. 3 l’evento del 16 luglio 2003 ` e descritto in maniera dettagliata da un punto
di vista meteorologico. Il cap. 4 introduce le equazioni del trasporto radiativo e
lo scattering Mie. Nel cap. 5 ciascuno dei modelli numerici utilizzati ` e descritto
in dettaglio, cercando di introdurre il lettore ai problemi della modellistica me-
teorologica. Il cap. 6 ` e infine dedicato ai risultati e ai confronti con altri lavori e
osservazioni. In appendice ` e trattato in maggiore dettaglio il progetto Reanalisi.
15 Intr.