Misure di NO2 e O3 presso l’Osservatorio Climatico-Ambientale (ECO) di Lecce (ISAC-CNR) utilizzando un sistema DOAS – Differential Optical Absorption Spectroscopy system

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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 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. Il sistema DOAS utilizzato presso l’osservatorio ECO di 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), mostrate in Fig. 2.1.

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Fig. 2.1) Sistema DOAS in dotazione all’osservatorio ECO I-AMICA di Lecce

 In Fig. 2.2 è riportata la variazione stagionale di NO2 colonnare 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.

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

La fotochimica è responsabile per il massimo ed il minino che si presentano, rispettivamente, in estate ed in inverno. Nel grafico sono riportate anche le misure analoghe effettuate dal satellite OMI. Allo stesso modo, la serie temporale di O3 colonnare sia da NG4 sia da OMI è riportata in Fig. 2.3. Il periodo preso in considerazione è più breve rispetto a quello riportato in Fig. 2.2, per cui non si ha ancora una buona stima dell’andamento stagionale per O3 che presenta il suo massimo valore in primavera ed il suo minimo in autunno.

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Fig. 2.2)  Variazione stagionale di NO2 colonnare misurata dal sistema GASCOD/NG4-MIGE.

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Fig. 2.3) Variazione stagionale di O3 colonnare misurata dal sistema GASCOD/NG4-MIGE

 Il 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 i composti della bassa stratosfera da un punto di vista climatologico. Negli ultimi 10 anni è stata 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. Per la configurazione Open Path la misura della concentrazione lungo il cammino ottico è piuttosto semplice poiché conosciamo 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).

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