Una visione d’insieme del GMBS
Supervisore: dott. Giovanni Muscari
Sito ufficiale: http://www.thuleatmos-it.it/index.php
In questo laboratorio sono stati costruiti e/o predisposti per l’installazione strumenti per l’indagine di specie chimiche presenti nella media atmosfera. Si tratta di GBMS, uno spettrometro eterodina operante tra 230 e 280 GHz per la misura di composti chimici nella media atmosfera, e VESPA-22, uno spettrometro a 22 GHz per l’osservazione del vapore acqueo atmosferico. Entrambi gli spettrometri sono attualmente installati presso il Thule High Arctic Atmospheric Observatory (THAAO) situato presso la Thule Air Base (76.5°N, 68.8°O), Groenlandia.
Il GBMS (Ground Based Millimeter wave Spectrometer) è un sistema di telerilevamento da terra capace di stimare la distribuzione verticale di composti chimici nella media atmosfera. La tecnica utilizza un “mixer” a superconduzione (SIS, superconductor – insulator - superconductor) per convertire il segnale atmosferico osservato a lunghezze d’onda di ~1 mm (300 GHz in frequenza) in un segnale alla frequenza intermedia (IF) di 1.4 GHz. Il segnale IF può essere quindi amplificato con elementi ad alto guadagno e basso rumore (raffreddati a ~4 K) e poi trasmesso a spettrometri acusto‑ottici (AOS) caratterizzati da una banda passante di 600 MHz ed una risoluzione massima di 65 kHz. La finestra in frequenza larga 600 MHz è sintonizzabile tra 230 e 280 GHz (7.7-9.3 cm‑1).
Il GBMS misura righe di emissione rotazionale di diversi composti atmosferici comprese nella banda passante. Poiché la forma delle righe spettrali dipende fortemente dalla concentrazione della specie chimica in funzione della quota (a causa dell’allargamento collisionale della riga), la distribuzione verticale del composto osservato può essere ottenuta “invertendo” la riga misurata. In particolare, con una banda passante di 600 MHz ed una risoluzione massima di 65 kHz, ed assumendo un allargamento di riga medio di circa 3 MHz/mbar, il GBMS permette di ricavare profili verticali dei composti osservati tra ~17 e 75 km.
Nell’intervallo di frequenze osservate dal GBMS il vapore acqueo troposferico assorbe la maggior parte della radiazione emessa dall’alta atmosfera. Per questo motivo, per poter effettuare misure da terra tra 200 e 300 GHz è importante avere bassi valori di contenuto colonnare di vapore acqueo. Il GBMS è quindi operativo solo da stazioni polari o di alta montagna.
Il GBMS è stato progettato e costruito alla Stony Brook University per lo studio di fenomeni legati all’assottigliamento dello strato d’ozono stratosferico. Misura ozono e diversi altri composti minoritari legati al ciclo stagionale di distruzione dell’ozono polare. Campagne di misura sono state condotte da basi antartiche (McMurdo e South Pole), artiche (Thule Air Base in Groenlandia) e dal sito alpino di Testa Grigia (o Plateau Rosa, 45.9°N, 7.7°E, elev. 3500 m s.l.m.). Dal 2009 il GBMS è installato presso la Thule Air Base.
Alcuni esempi di righe spettrali osservate (sinistra) e di profili verticali di concentrazione ricavati (destra).
Lo spettrometro VESPA-22 (water Vapour Emission Spectrometer for Polar Atmospheres at 22 GHz) ha come obiettivo il monitoraggio a lungo termine del cambiamento climatico nella media e bassa atmosfera. È stato progettato e realizzato nei laboratori INGV tra il 2011 ed il 2016. Lo spettrometro permette di stimare il profilo verticale di vapor acqueo tra 25 e 75 km di quota ed il contenuto colonnare di vapor acqueo (essenzialmente una misura del vapor acqueo contenuto in troposfera). Misura la riga di emissione del vapor acqueo a 22.23 GHz con una banda passante di 500 MHz e una risoluzione di 31 kHz. Il tempo di integrazione di una misura varia tra le 6 e le 24 ore, a seconda della stagione e delle condizioni meteorologiche. Gli spettri di vapor acqueo sono acquisiti mediante la tecnica del “beam switching”. VESPA-22 è stato progettato per operare in modalità automatica richiedendo pochissima manutenzione. Utilizza un “front-end” a temperatura ambiente caratterizzato da una temperatura di rumore di 180 K e il sistema quasi ottico ha una divergenza “full width” a metà potenza di 3.5°. Ogni 30 minuti VESPA-22 misura anche l’opacità del cielo usando la tecnica della “tipping curve”, ovvero una scansione dell’emissione del cielo a vari angoli zenitali. La calibrazione dello spettrometro è effettuata automaticamente mediante due diodi di rumore.
Una visione d’insieme di VESPA
I profili di vapor acqueo ricavati da VESPA-22 con 24 ore di integrazione hanno una risoluzione verticale tra i 12 ed i 23 km (a seconda della quota) e un’incertezza minore del 7% fino a 60 km di quota.
VESPA-22 è stato installato a Thule nel luglio del 2016 nell’ambito del progetto PNRA SVAAP ed è tutt’ora operativo. Fa parte della rete per l’identificazione e caratterizzazione dei cambiamenti della composizione atmosferica (NDACC).
Esempi di una misura spettrale (sinistra) con la riga del vapore acqueo a 22 GHz e del corrispondente profilo di concentrazione (destra).
Schema a blocchi dello strumento