Misure DOAS all’Osservatorio CNR-ISAC di Lecce: NO2 e d O3

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Misure di NO2 e O3 colonnari per il periodo 2016-2017 eseguite presso l’Osservatorio climatico ISAC-CNR di Lecce utilizzando un sistema DOAS - Differential Optical Absorption Spectroscopy.

La tecnica DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy) è una procedura di osservazione basata su una forma modificata della legge di Bougert-Lambert-Beer che mette in relazione l’attenuazione della radiazione solare diretta o diffusa o di una sorgente artificiale, con le proprietà del mezzo attraversato, nel nostro caso l’atmosfera. La peculiarità della DOAS è la caratteristica differenziale che rimuove le strutture a bassa frequenza delle specie assorbenti, costruendo una funzione media dello spettro misurato, sottraendolo dal segnale originale  e moltiplicando il risultato per un fattore di normalizzazione. Il principale vantaggio di questo tipo di approccio è la possibilità di utilizzare le misure spettrali senza una calibrazione radiometrica, poiché il processo di differenza rimuove le caratteristiche comuni dello spettro analizzato e di quello preso come riferimento, mettendo in luce solo le differenze tra le due serie spettrali.

DOAS Lecce

Il sistema DOAS utilizzato nell’osservatorio I-Amica a Lecce è costituito dalla piattaforma GASCOD/NG4 (Gas Analyzer Spectrometer Correlating Optical Differences/ new Generation Mod.4) e dal sistema MIGE (Multiple Input Geometry Device), come mostrato nella figura sopra riportata.

DOAS Gascod

Nella figura a sinistra (Fig.1.) è riportata la variazione stagionale di NO2 colonnare per il periodo 2016-17 misurata dal sistema GASCOD/NG4-MIGE. Nel grafico sono anche riportate le misure analoghe effettuate dal satellite NASA OMI (Ozone Monitoring Instrument).

I valori sono riferiti all’angolo solare zenitale (90°) all’alba (AM) e al tramonto (PM). Si può notare che le osservazioni PM sono sistematicamente più alte rispetto a quelle AM e che il massimo ed il minino che si presentano nell’andamento annuale, riscontrati rispettivamente, in estate ed in inverno, sono dovuti ai processi fotochimici.

La variazione del rapporto AM/PM è dovuta essenzialmente all’attività fotochimica del NO2 che viene prodotto durante il giorno mediante le seguenti reazioni:

N2O5 +hv –> NO2 + NO3

NO + O3 –> NO2 + O2

e rimosso durante la notte attraverso le seguenti:

NO2 + O3 –> NO3 + O2

NO2 + NO3 + M –> N2O5 + M

Allo stesso modo, la serie temporale di O3 colonnare sia da NG4 sia da OMI è riportata in figura 2. Il periodo preso in considerazione è più breve rispetto a quello riportato in figura 1, per cui non riusciamo ad avere una buona stima dell’andamento stagionale per O3 che presenta il suo massimo valore in primavera ed il suo minimo in autunno.

O3

Il sistema DOAS si è evoluto in molti aspetti dalla sua nascita, a partire dalle misure in modo attivo, utilizzando una sorgente di radiazione artificiale posta ad una distanza nota dal sensore di misura (configurazione Open Path), per poter ottenere una misura di concentrazione della specie sul percorso.

Un’altra modalità è quella passiva allo zenith, che utilizza come sorgente di radiazione la luce solare. In questa modalità si possono studiare essenzialmente i composti della bassa stratosfera da un punto di vista climatologico.

Negli ultimi 10 anni è stata inoltre sviluppata la configurazione MAX-DOAS (Multi AXis-DOAS) che permette la misura, a diversi angoli azimutali del sistema di puntamento, del profilo di alcuni composti troposferici, utile per lo studio della qualità dell’aria.

Per la configurazione Open Path la misura della concentrazione lungo il cammino ottico è piuttosto semplice poiché si conosce la distanza tra l’emettitore ed il ricevitore. Al contrario, nelle modalità passive (zenith-sky e MAX-DOAS) la misura della concentrazione delle specie analizzate deve passare da un modello di trasferimento radiativo per poter valutare la distanza percorsa dai fotoni prima di raggiungere il sistema spettrometrico. I valori ottenuti sono funzione dell’altezza del sole e della reale distribuzione dei composti atmosferici. Questo fattore geometrico (detto Air Mass Factor – AMF) corregge i dati in uscita dagli algoritmi del DOAS – le cosiddette Slant Column Densities (SCDs) – per poter ottenere le colonne verticali (VC) del tracciante selezionato. Inoltre gli AMF e le SCDs permettono di ottenere la distribuzione verticale dei principali assorbitori atmosferici, come per esempio il diossido di azoto (NO2) e l’ozono (O3). Per la configurazione MAX-DOAS questa caratteristica vene estesa anche agli assorbitori troposferici più deboli.

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