Uno studio pubblicato su Atmospheric Chemistry and Physics presenta un approccio rigoroso per quantificare l’incertezza dei modelli di assorbimento atmosferico, informazione cruciale per applicazioni meteo-climatiche, l’osservazione della terra, la radiopropagazione e le telecomunicazioni.

I modelli di assorbimento radiativo atmosferico vengono utilizzati per calcolare l'assorbimento e l'emissione di radiazione elettromagnetica da parte dei costituenti atmosferici (ad esempio N₂, O₂, H₂O). I modelli di assorbimento atmosferico sono fondamentali per calcolare l’attenuazione di un segnale elettromagnetico ed il trasferimento radiativo attraverso l'atmosfera, fenomeni essenziali per il telerilevamento, la radiopropagazione e le telecomunicazioni.

I modelli di assorbimento si fondano sulla teoria della meccanica quantistica dell’interazione molecola-radiazione e vengono implementati attraverso equazioni parametrizzate, i cui parametri, detti spettroscopici, vengono determinati empiricamente o numericamente. Il valore dei parametri spettroscopici è pertanto affetto da incertezza (sperimentale o computazionale). In aggiunta, alcuni parametri non sono indipendenti, per cui è necessario tenere in considerazione la loro correlazione. L'incertezza sui valori dei parametri spettroscopici si propaga in incertezza dell’assorbimento, e a sua volta sui calcoli di trasferimento radiativo atmosferico.

In questo contesto, ricercatori CNR-IMAA hanno guidato uno studio in collaborazione con ricercatori provenienti da istituzioni prestigiose (MIT di Boston, USA e RAS di Nizhny Novgorod, Russia). Lo studio, recentemente pubblicato sulla rivista internazionale Atmospheric Chemistry and Physics, introduce un approccio rigoroso per quantificare l'incertezza dei modelli di assorbimento. L'approccio è generale e non limitato ad un particolare strumento, alla strategia di osservazione o al dominio in frequenza, sebbene il suo uso sia dimostrato su simulazioni radiometriche a microonde da terra (20-60 GHz).

L’approccio si divide in due parti: (1) uno studio di sensibilità per determinare i parametri spettroscopici dominanti e stimarne l’incertezza e la correlazione (Figura 1); (2) la propagazione dell’incertezza dai parametri spettroscopici ai calcoli di trasferimento radiativo e l’impatto conseguente sul telerilevamento e radiopropagazione (Figure 2 e 3).

È da notare che una tale quantificazione rigorosa dell’incertezza dei parametri spettroscopici e del loro impatto sul trasferimento radiativo, sulla radiopropagazione, e sul telerilevamento non ha precedenti in letteratura.

Figura 1. Correlazione tra i parametri spettroscopici dell’ossigeno molecolare ritenuti dominanti dopo lo studio di sensibilità. I parametri sono raggruppati per affinità.

Figura 2. Matrice di covarianza dell’incertezza di calcoli di trasferimento radiativo per i canali di un tipico radiometro a microonde. I numeri riportati hanno unità K² mentre la scala di colori è proporzionale a ln₁₀(K²).

Figura 3. Incertezza sui calcoli di trasferimento radiativo nel dominio 20-60 GHz dovuti ai parametri spettroscopici dell’ossigeno e vapore acqueo. I vari colori delle linee corrispondono a sei diverse climatologie tipiche.

Per informazioni

Domenico Cimini, CNR-IMAA, Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

Filomena Romano, CNR-IMAA, Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

Approfondimenti

Cimini D., Rosenkranz P., Tretyakov M., Koshelev M., and Romano, F.: Uncertainty of atmospheric microwave absorption model: impact on ground-based radiometer simulations and retrievals, Atmos. Chem. Phys., 18, 15231-15259, https://doi.org/10.5194/acp-18-15231-2018, 2018.