osservazioni di nubi stratosferiche polari in...

Osservazioni di nubi stratosferiche polari in

Antartide.

Marcel Snels, Luca Di Liberto, Francesco Cairo, Federico Angelini, Alberto Adriani, Marisa Moriconi,

Maurizio Viterbini, Francesco CardilloIstituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima,

Guido Di Donfrancesco, Francesco ColaoENEA

22-09-2010, SIF , Bologna

Riassunto

• Il buco dell’ozono in Antartide• Lidar di McMurdo• Misure di PSC con Lidar, Calipso,

MIPAS e OPC• Outlook

Il buco dell’ozono in Antartide

E’ stato dimostrato che questo effetto è fortemente correlato con la concentrazione del cloro in stratosfera.Il buco dell’ozono si è fatto sempre più grande e profonda, dagli anni 80 in poi….

Ogni primavera la concentrazione dell’ozono nella stratosfera sopra l’Antartide diminuisce rispetto ai valori normali. Quando i valori scendono sotto i 220 DU (Dobsonunit), si parla del buco dell’ozono. Un effetto di entità minore si verifica in Artide.

Produzione e distruzione dell’ozono

• Cl + O3 → ClO + O2• ClO + O3 → ClO2 + O2• ClO2 + raggi UV → Cl + O2

X = Cl, Br, N, H

Buco dell’ozono vs CFC

I clorofluorocarburi (CFC) rilasciano, quando illuminati da raggi UV, dei radicali di cloro che provocano la distruzione catalitico dell’ozono.

Buco dell’ozono durante IPY(2007-2008)

A.R. Clekociuk, M.C. Pitts, S.P.Alexander, C. David, M. Snels, P. von der GathenSPARC News letter , July 2009.

220 DU

82 DU

Il ruolo dei PSC (Polar Stratospheric Clouds)Gli aerosol presenti nelle nubi stratosferiche polari (PSC=Polar StratosphericClouds) trasformano i composti stabili del cloro (reservoir species, ClONO2, HCl) in specie reattive, così rafforzando le reazione chimiche che distruggono l’ozono.

Polar chemical ozone loss. Variation of the overall chemical ozone loss in ten Arctic winters versus the winter-average of the volume of air sufficientlycold for PSC existence (VPSC). Measurements are shown by colouredsquares. Black points are results from a chemical transport model. The slopeof a fit through the points is a measure for the sensitivity of chemicalozone loss on changes in polar stratospheric temperatures and can be usedto validate the representation of chemical ozone loss in CCM calculations

Rex, M., et al. Arctic ozone loss and climate change, Geophys. Res. Let., 31, doi:10.1029/2003GL018844, 2004.

Ozono e “Polar Stratospheric Clouds”

Solomon, S.: Stratospheric ozone depletion: A review of concepts and history. Rev. Geophys., 37, 275-316, 1999.

I PSC si formano a temperature inferiori a 195 -200 K, molto comuni nella stratosfera Antartica e molto più rare in Artide.

Vari tipi di PSC

medie lat

Type 1a. NAT (nitric acid trihydrideTemperatura di form. 195 KDiametro medio 1 μmType 1b. STS(supercooled ternary solution,Acido nitrico, acido solforicoe acquaType 2. Cristalli di ghiaccioTemperatura di form. 188 KDiametro medio 10 μm

Lidar di McMurdo

Specs lidar McMurdo

Telescopio Celestron 14”

Laser Big Sky

180 mJ/pulse@ 532 nm

90 mJ/pulse @1064 nm

Photon counting system

Vertical resolution 30 m

Max altitude 60 km

M.Snels, F.Cairo, F.Colao, G.Didonfrancesco, "Calibration method for depolarization lidarmeasurements", International Journal of Remote Sensing, 30 (2009) 5725-5736.

McMurdo

Lidar Dumont D’Urville

• In collaborazione con IPSL e CNRS-Serviced’Aeronomie (C. David, P. Keckhut, M. Marchand)

Osservazioni lidar di Aerosol/PSC ed ozono.Nuovo sistema montatoE collaudato presso ISAC – Roma.Installazione DDU 2005

LIDAR equation

Lidar parameters• Back scatter ratio BSCR = 1 +

• βp e βm sono coefficienti di backscatteringdelle particelle (aerosol) e molecole

• Depolarizzazione di volume

• Relazione empirica tra superficie degli aerosol e BSCR (*) :

m

p

ββ

//p

pPD

ββ ⊥

=

[ ]3225 −= cmmT

pBSCRSA μ

* A.Adriani et al, J.Geophys.Res.D 100 (12)(1995), 25877

Classificazione degli aerosol con misure lidar

Adriani; P. Massoli; G. Di Donfrancesco; F. Cairo; M.Moriconi; M. Snels, "Climatology of polarstratospheric clouds based on lidar observations from 1993 to 2001 over McMurdo Station,Antarctica", J. Geophys. Res., 109, D24211, doi:10.1029/2004JD004800 (2004).

NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change)

Antarctic lidar sites and instruments:Dumont d’Urville (France): stratospheric ozone, aerosols, and polarstratospheric clouds (CNRS, France and CNR, Italy)McMurdo (USA): aerosols and polar stratospheric clouds (CNR, Italy)

MATCH campaign (1)(Lagrangian Observations with Lidar Investigations and

Trajectories in Antarctica and the Arctic of PSCs(LOLITA-PSC, IPY)

• Usa lidar data a McMurdo, Dumont D’Urville e Davis, 2006-2008

• Usa back e forward trajectories per trovare quelle masse d’aria che passano sopra almeno 2 delle 3 stazioni lidar (Δt < 5 g).

• Per circa 15 % delle osservazioni lidar si trova un MATCH (entro 5 giorni) , circa la meta con osservazioni di PSC.

Forward trajectories from Davis

Christine David, Julien Jumelet, Andrew Klekociuk, Marcel Snels, and Michael C. Pitts29 September 2008, SPIE Newsroom. DOI: 10.1117/2.1200808.1248

Davis

MATCH campaign (2)• Confronta Lidar data con quelli di CALIPSO,

usando sempre le traiettorie per trovare misure su le stesse masse d’aria.

We use three different trajectory models, computed from meteorological fields from different analysis centers:

Goddard Space Flight CenterNOAA- HysplitECMWF

Schoeberl, M. R., and L. C. Sparling (1995), Trajectory modeling, in Diagnostic Tools in Atmospheric Physics: Enrico Fermi Course CXVI, edited by G. Fiocco and G. Visconti, pp. 289 –305, North-Holland, New York.

Lo scopo è di investigare sulla bontàdi modelli microfisici e chimici che riguardano i processi di formazione e di evaporazione dei PSC e che coinvolgono la distruzione dell’ozono.

Theta = 400 KCirca 16 km

CALIOP data Work in progress

Niels Larsen , “Polar Stratospheric CloudsMicrophysical and optical models”, D.M.I.Scientific Report 00-06 (2000)

MIPAS vs LIDAR (Δt< 8 h , Δd< 800 km)

MIPAS on ENVISAT is aLimb sounding spectrometer,Vertical resolution 3 km685 – 2410 cm-1

PSC features780 - 960 cm-1

NAT @ 820 cm-1

LIDAR (BSCR, DP)Type I a (NAT); rossoType I b (STS); verdeType II (ice); blu

MIPAS (820/792 cm-1

and 792/832 cm-1)Rosso NATVerde chiaro STS Verde scuro STS/iceBlu ice

M. Hoepfner, B.P.Luo, P.Massoli, F.Cairo,R.Spang, M.Snels, G. Di Donfrancesco, G.Stiller,T.von Clarmann, H.Fischer and U. Biermann, Atmos.Chem.Phys. 6 (2006), 1201-1219

CALIOP (= Cloud Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization)

on Calipso (= Cloud Aerosol Lidar and Infrared PathfinderSatellite Observations)

Specs CALIOP

532nm, 1064 nm, 110 mJ/channel

Rep. Rate 20.25 Hz

Telescope diam 1.0 m

Vert res 30-60 m Hor res 333 m

CALIPSOWeekly maps @ 15 km

CALIPSOWeekly maps @ 20 km

M.Pitts, W.Thomason, L.R.Poole and D.M. WinklerAtmos.Chem:Phys. Discuss. 7 7933-7985 (2007)

Coincidences lidarMcMurdo- Caliop2006-2010

Optical Particle Counter(Terry Deshler, University Wyoming)

Campagne di misura con OPC e lidar,durante WINFLY 1994-1999 e 2006-2010

Lidar e OPC (Optical Particle Counter)

G. Di Donfrancesco, A.Adriani, F.Cairo, T. Deshler and F. Cardillo, Conf. Proc. SIF, Bologna 2000

XVIII Settimana della Cultura ScientificaGiornata Speciale dedicata alle Regioni Polari, 7 Marzo 2008

XVIII Settimana della Cultura ScientificaGiornata Speciale dedicata alle Regioni Polari, 7 Marzo 2008

Outlook•Nuova collaborazione con NIWA e spostamento del lidar da

McMurdo a Scott Base. Misure della temperatura da 20 – 40 km

XVIII Settimana della Cultura ScientificaGiornata Speciale dedicata alle Regioni Polari, 7 Marzo 2008

XVIII Settimana della Cultura ScientificaGiornata Speciale dedicata alle Regioni Polari, 7 Marzo 2008

Per approfondire:

Twenty Questions and Answers About the Ozone Layer: 2006 Update Scientific Assessment of Ozone Depletion 2006 WMP, Geneva, Switzerland, 2007. http://www.wmo.ch/web/arep/ozone.html

Solomon, S.; Stratospheric Ozone Depletion:A Review of Concepts and HistoryReviews of Geophysics, 37, 3, 1999.