I ricercatori hanno sviluppato un sistema basato su laser che può essere utilizzato per la misurazione aerea di importanti gas atmosferici con una precisione e una risoluzione senza precedenti. La capacità di raccogliere questi dati aiuterà gli scienziati a capire meglio come questi gas atmosferici influenzano il clima e potrebbero aiutare a migliorare le previsioni sui cambiamenti climatici.

Nella rivista Optical Society Ottica applicata , ricercatori del Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) — Centro nazionale tedesco per l'aerospaziale, ricerca sull'energia e sui trasporti:descrive come il loro strumento lidar è stato utilizzato a bordo di un aereo per acquisire le prime misurazioni simultanee della struttura verticale del vapore acqueo e dell'ozono nella regione della tropopausa dell'atmosfera. I ricercatori affermano che il nuovo sistema potrebbe essere utile anche per monitorare i gas atmosferici dallo spazio.

La tropopausa separa lo strato superficiale della troposfera, dove si verificano le condizioni meteorologiche, dalla stratosfera sovrastante che contiene lo strato di ozono che protegge la vita sulla Terra dalle radiazioni nocive. Gli scienziati vogliono studiare il vapore acqueo e l'ozono nella tropopausa perché la distribuzione di questi gas atmosferici in questo strato gioca un ruolo cruciale nel clima della Terra.

"La capacità di rilevare la struttura verticale del vapore acqueo e dell'ozono è fondamentale per comprendere lo scambio di questi gas atmosferici tra la troposfera e la stratosfera, " ha detto Andreas Fix, che ha guidato il gruppo di ricerca. "Queste misurazioni potrebbero aiutarci a identificare errori e incertezze nei modelli climatici che aiuterebbero a migliorare le previsioni del clima futuro, che è una delle sfide centrali per la nostra società e la nostra economia".

Ottenere una prospettiva 3D

I gas atmosferici possono essere valutati con strumenti lanciati in atmosfera o con dati acquisiti dai satelliti. Però, questi metodi non sono stati in grado di fornire un quadro completo della distribuzione del gas atmosferico perché mancano della componente verticale o non forniscono una risoluzione sufficientemente elevata. Sebbene gli strumenti trasportati con palloncini, noti come sonde a palloncino, possano fornire profili verticali altamente risolti, non offrono una risoluzione temporale dettagliata e possono essere utilizzati solo in siti selezionati.

Per risolvere questi problemi, i ricercatori hanno sviluppato un sistema lidar che utilizza la luce laser per misurare contemporaneamente sia l'ozono che il vapore acqueo. Il loro approccio, chiamato lidar ad assorbimento differenziale (DIAL), utilizza due lunghezze d'onda UV leggermente diverse per misurare ciascun gas. La radiazione UV a una lunghezza d'onda è per lo più assorbita dalle molecole di gas mentre la maggior parte dell'altra lunghezza d'onda viene riflessa. La misurazione del rapporto dei segnali UV di ritorno dall'atmosfera consente il calcolo di un profilo di gas dettagliato.

I profili di gas creati utilizzando il nuovo sistema lidar mostrano una risoluzione verticale di circa 250 metri e una risoluzione orizzontale di circa 10 chilometri al di sotto della pista di volo dell'aeromobile.

"Questa capacità verticale è un progresso significativo nello studio dei processi di scambio alla tropopausa, " ha detto Fix. "Aiuta a superare le carenze significative nel risolvere la distribuzione su larga scala che hanno reso difficile la comprensione dei processi responsabili dello scambio alla tropopausa".

Raggiungere l'efficienza energetica

Per eseguire questo metodo a bordo di un aereo, i ricercatori hanno utilizzato un oscillatore parametrico ottico (OPO) altamente efficiente che avevano precedentemente sviluppato per convertire l'uscita del laser nelle lunghezze d'onda UV necessarie per misurare il vapore acqueo e l'ozono. "La conversione deve essere molto efficiente dal punto di vista energetico per generare radiazioni UV con energie di impulso adeguate e un'elevata potenza media dall'energia limitata disponibile a bordo di un aeromobile, " ha spiegato Fix.

I test del nuovo sistema lidar hanno mostrato che la sua precisione corrispondeva bene a quella delle sonde a palloncino. Nel 2017, i ricercatori hanno pilotato il nuovo sistema a bordo della missione di scambio isentropico guidato dalle onde (WISE), che ha coinvolto più voli a lungo raggio sul Nord Atlantico e il Nord Europa. Hanno scoperto che lo strumento funzionava molto bene, è rimasto stabile durante l'uso e potrebbe misurare le distribuzioni caratteristiche dell'ozono e del vapore acqueo alla tropopausa.

I ricercatori intendono analizzare i nuovi dati sui componenti verticali acquisiti durante WISE e integrarli nei modelli climatici. Si aspettano di utilizzare lo strumento per raccogliere dati sulle informazioni sul gas atmosferico a bordo dei voli futuri.