Aggiornamento sulla temperatura globale della bassa troposfera (LT) misurata da satellite e gestita dall’Università dell’Alabama a Huntsville (UAH) per il mese di maggio 2022

Aggiornamento sulla temperatura globale della bassa troposfera (LT) misurata da satellite e gestita dall’Università dell’Alabama a Huntsville (UAH) per il mese di maggio 2022

Il Telerilevamento, chiamato in letteratura anglosassone Remote Sensing, è la disciplina tecnico – scientifica che permette di ricavare informazioni sull’ambiente e su oggetti posti a distanza, mediante misure di radiazione elettromagnetica emessa, riflessa o trasmessa dalle superfici in esame. Misurare l’energia elettromagnetica significa quantificare le alterazioni che la superficie impone alla radiazione, ovvero alle sue caratteristiche di intensità, frequenza e polarizzazione; tale processo si traduce nella conoscenza fisica dell’oggetto in studio. Le misurazioni della radiazione elettromagnetica, che interagisce con le superfici fisiche d’interesse, vengono fornite sotto forma di immagini, risultanti dall’elaborazione di dati numerici e sono rilevate da appositi sensori remoti. Tali dispositivi, collocati su diverse tipologie di piattaforme quali aerei, satelliti o sonde spaziali, permettono di rilevare l’energia elettromagnetica proveniente dalla scena in esame e di convertirla in valori numerici positivi. Il Telerilevamento è quindi una scienza applicata con finalità diagnostico – investigative che permette di identificare, misurare ed analizzare le caratteristiche qualitative e quantitative di un determinato oggetto, area o fenomeno, senza entrarne in contatto diretto, offrendo un’informazione globale sull’ambiente e sul territorio.

Con la messa in orbita dei satelliti meteorologici a partire dagli anni sessanta e la conseguente nascita della meteorologia satellitare la bancai dati dei principali parametri meteorologici, oggi, si `e ampliata notevolmente. L’elaborazione dei dati misurati dai satelliti fornisce una vasta gamma di informazioni correlate sia alla struttura e composizione degli strati atmosferici, che alla superficie terrestre. I satelliti, in base alla loro orbita intorno alla terra, possono essere classificati in due tipologie: satelliti geostazionari e satelliti polari.

Il dataset di temperatura satellitare UAH, sviluppato presso l’Università dell’Alabama a Huntsville, deduce la temperatura di vari strati atmosferici dalle misure satellitari della radianza dell’ossigeno nella banda delle microonde. utilizzando i dati misurati dal sensore Microwave Sounding Unit temperature measurements.

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È stato il primo set di dati sulla temperatura globale sviluppato a partire da informazioni satellitari ed è stato utilizzato come strumento di ricerca sui cambiamenti della temperatura superficiale e atmosferica. Il set di dati è pubblicato da John Christy et al. e in precedenza insieme a Roy Spencer. I satelliti non misurano direttamente la temperatura. Misurano la radianza in varie bande di lunghezza d’onda, che corrisponde alla luminosità in una certa direzione verso il sensore e da cui si può dedurre la temperatura.I profili di temperatura che ne derivano dipendono dalle caratteristiche dei metodi utilizzati per ottenere la temperatura dalla radianza.Di conseguenza, diversi gruppi che hanno analizzato i dati satellitari hanno ottenuto dati di temperatura differenti(vedi le misurazioni della temperatura tramite sensori a microonde Microwave Sounding Unit temperature measurements .Tra questi gruppi ci sono il Remote Sensing Systems (RSS) e l’Università dell’Alabama di Huntsville (UAH).

I satelliti alle microonde: quadro storico

Il primo satellite meteorologico risale al primo aprile 1960 e fu messo in orbita dagli Stati Uniti d’America: chiamato Television and Infra-Red Observation Satellite (Tiros-1) era attrezzato con una semplice strumentazione costituita da due telecamere per la ripresa di immagini nel visibile che inviarono per la prima volta delle immagini della Terra vista dallo spazio. Il suo successore, TIROS-2, lanciato nel novembre 1960, fu equipaggiato con un prototipo di radiometro
all’infrarosso per l’osservazione notturna e la stima del tasso d’umidità atmosferica. Con il satellite Tiros-8 nel 1963, le immagini vengono trasmesse in tempo reale e le informazioni poterono essere ritrasmesse più rapidamente ai servizi meteorologici. La radiometria alle microonde spaziale nasce con il lancio della sonda Marinar 2 verso Venere nel 1962 (Barath et al., 1964). È necessario però attendere il Cosmos 243 e il successivo Cosmos 348 rispettivamente nel 1968 e del 1970 per avere le prime osservazioni alle microonde della Terra: i due satelliti sono infatti equipaggiati per misurare quattro frequenze comprese tra 3.5 e 37 GHz per la stima del contenuto di vapor d’acqua nell’atmosfera, della temperatura superficiale e della copertura di neve e ghiaccio (Basharinov et al., 1969). Gli anni ‘70 vedono gli Stati Uniti inviare numerosi radiometri per coprire l’intervallo di frequenze (3÷60) GHz: radiometri imbarcati sui satelliti Nimbus della National Aeronautics and Space Administration (NASA), a partire dal Nimbus-5 equipaggiato con il radiometro Electrically Scanning Microwave Radiometer (ESMR-5) nel 1972. Il radiometro ESMR-5 mostrò l’utilità delle frequenze alle microonde (19.35 GHz) per misurare l’emissione di celle precipitanti su sfondo marino a debole emissività (Wilheit ed al., 1977). Sullo stesso satellite venne installato anche il primo radiometro per il sondaggio di temperatura Nimbus-E Microwave Spectrometer (NEMS) per misurare l’emissione dell’ossigeno su tre frequenze intorno a 60 GHz (Staelin ed al., 1973). A partire dal successo dei sensori Microwave Sounding Unit (MSU, primo lancio nel 1978) a bordo prima dei satelliti meteorologici della serie TIROS e poi dei satelliti National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), diviene possibile ricavare i profili verticali di umidità e temperatura, utilizzando le frequenze centrate a 50.3, 53.74, 54.96 e 57.95 GHz sensibili alle temperature atmosferiche che vanno dalla superficie terrestre fino alla bassa stratosfera. A partire dal 1987 il radiometro Special Sensor Microwave imager (SSM/I) a bordo del satellite militare Defense Military Satellite Program (DMSP F8) permette di stimare anche il tasso di precipitazione su terra e su mare, la velocità del vento su mare, il tipo di ghiaccio e l’umidità su terra. Questo strumento ha svolto (e svolge tuttora) un ruolo chiave nello studio delle dinamiche atmosferiche e climatologiche. Sempre a bordo dei satelliti DMSP esiste anche una serie di radiometri per il sondaggio: si tratta degli Special Sensor Microwave Temperature (SSM/T) in attività dal 1979 e degli Special Sensor Microwave Imager/Sounder (SSMIS) in attività dal 1987. Infine, a partire dal 1998 la generazione dei sensori MSU viene sostituita dalla più avanzata generazione di sensori a 20 canali Advanced Microwave Sounding Unit/Microwave Humidity Sounder (AMSU/MHS), installati a bordo dei satelliti NOAA.

Descrizione dei dati
Il set di dati UAH è prodotto da uno dei gruppi che ricostruiscono la temperatura dalla radianza.

UAH fornisce dati su tre ampi livelli dell’atmosfera.

La bassa troposfera – TLT (originariamente chiamata T2LT).
La troposfera media – TMT
La stratosfera inferiore – TLS

I dati vengono forniti come anomalie di temperatura rispetto alla media stagionale su un periodo di base passato, così come in valori assoluti di temperatura. Tutti i dati elaborati possono essere scaricati dal server UAH http://vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/

LA RADIANZA RAPPRESENTA LA GRANDEZZA FONDAMENTALE NEL TELERILEVAMENTO ED È MOLTO UTILE PER QUANTIFICARE LA LUCE RIFLESSA DA UN OGGETTO CHE VIENE RICEVUTA DA UN SENSORE RIVOLTO VERSO DI ESSA. QUESTA QUANTITÀ FISICA È LEGATA SIA ALLA GEOMETRIA DELL’OSSERVAZIONE, SIA ALLE CARATTERISTICHE DEL SENSORE E PERMETTE DI DESCRIVERE COME LA RADIAZIONE SI DISTRIBUISCE NELLO SPAZIO.
LA RADIANZA È DEFINITA DALLA SEGUENTE RELAZIONE:
radianza La Riflettività e i Sensori Multispettrali
DOVE:
L È LA RADIANZA (W·M-2·SR-1);
Φ È LA POTENZA (W);
Θ È L’ANGOLO COMPRESO TRA LA NORMALE ALLA SUPERFICIE E LA DIREZIONE SPECIFICATA;
A È LA SUPERFICIE EMITTENTE (M2);
Ω È L’ANGOLO SOLIDO (SR).
QUANDO LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA COLPISCE UNA SUPERFICIE QUALSIASI SONO POSSIBILI TRE MECCANISMI DI INTERAZIONE: RIFLESSIONE, ASSORBIMENTO, TRASMISSIONE. UNA PARTE DEL FLUSSO RADIANTE INCIDENTE ΦI VIENE RIFLESSA ΦR, UNA PARTE VIENE ASSORBITA ΦA, E LA RESTANTE VIENE TRASMESSA ΦT.
PER IL PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA SI AVRÀ QUINDI: ΦI = ΦR + ΦA + ΦT.
SI DEFINISCONO I TRE COEFFICIENTI SEGUENTI:
– COEFFICIENTE DI RIFLESSIONE O RIFLETTIVITÀ, Ρ = ΦR/ΦI
– COEFFICIENTE DI ASSORBIMENTO O ASSORBIVITÀ, Α = ΦA/ΦI
– COEFFICIENTE DI TRASMISSIONE O TRASMISSIVITÀ, Τ= ΦT/ΦI
I VALORI CHE TALI COEFFICIENTI POSSONO ASSUMERE DIPENDONO DALLA LUNGHEZZA D’ONDA, DAL MATERIALE E DALLA RUGOSITÀ DELLA SUPERFICIE RADIANTE. RISCRIVENDO IL PRINCIPIO DELLA CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA CON I COEFFICIENTI ADIMENSIONALI DI CUI SOPRA, SI HA: Ρ + Α + Τ = 1.
OGNI OGGETTO È CARATTERIZZATO DA UNA PROPRIA CAPACITÀ DI RIFLESSIONE, ASSORBIMENTO E TRASMISSIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE. TUTTAVIA, LA GRAN PARTE DELLE SUPERFICI RISULTA OPACA O CARATTERIZZATA DA VALORI DI TRASMISSIVITÀ Τ PRESSOCHÉ TRASCURABILI.
PER UN CORPO OPACO SI HA: Ρ + Α = 1.
CONSIDERANDO CHE UN CORPO CON UN’ALTA ASSORBIVITÀ AVRÀ ANCHE UN’ALTA EMISSIVITÀ (LEGGE DI KIRCHHOFF Α = Ε), LA RELAZIONE PRECEDENTE PUÒ ESSERE RISCRITTA COSÌ: Ρ + Ε = 1.
PER LE SUPERFICI REALI, POICHÈ HANNO UNA FORTE DIPENDENZA DALLA LUNGHEZZA D’ONDA CONSIDERATA, L’EQUAZIONE DIVENTA: ΡΛ + ΕΛ = 1.
IN DEFINITIVA, POSSIAMO AFFERMARE CHE IL FLUSSO RADIANTE PROVENIENTE DA UNA QUALSIASI SUPERFICIE SARÀ DATO PRINCIPALMENTE DAL CONTRIBUTO DELL’ENERGIA RIFLESSA ED EMESSA.

Il telerilevamento passivo alle microonde
Per microonde si intende la regione dello spettro elettromagnetico compresa tra 1 GHz e 300 GHz, corrispondenti rispettivamente a lunghezze d’onde di 30 cm e di 1 mm. In linea di principio questa porzione dello spettro elettromagnetico ha nell’atmosfera terrestre, a differenza del visibile, una diffusione trascurabile, se si eccettua quella prodotta dalla precipitazione e, a differenza dell’infrarosso, non è quasi mai sensibile alla presenza di cirri e soltanto moderatamente sensibile alla presenza di strutture nuvolose più spesse quando a questo non sia associata della precipitazione (Petty, 1990). Queste caratteristiche rendono le microonde particolarmente indicate per specifiche applicazioni nel telerilevamento, fra le quali è opportuno citare, per le applicazioni meteorologiche la stima di
precipitazioni e la stima dei profili verticali di umidità e temperatura in condizioni di cielo non chiaro, per l’idrologia la stima dell’umidità del suolo e per l’oceanografia la stima dei venti, delle correnti superficiali, del ghiaccio e degli inquinanti del mare. Un radiometro passivo alle microonde misura l’energia, nella relativa porzione dello spettro
elettromagnetico, emessa naturalmente nel suo campo di vista istantaneo (instantaneous field-ofview – IFOV) sia dalla superficie terrestre che dall’atmosfera. Così come accade per l’infrarosso, anche per il telerilevamento alle microonde si sfrutta il fatto che qualsiasi corpo emette energia in questo intervallo dello spettro, ma a differenza dell’infrarosso, l’energia emessa nelle MW è generalmente più bassa. Il grande vantaggio del telerilevamento alle microonde rispetto a quello infrarosso è da ricercarsi nel fatto che le idrometeore che costituiscono le nubi hanno generalmente dimensioni comparabili con le lunghezze d’onda infrarosse, portando quindi la radiazione IR rapidamente all’estinzione per fenomeni di scattering. Ciò comporta che in presenza di campi nuvolosi il telerilevamento IR sia in grado di osservare solamente gli strati superiori della nube senza poter osservare gli strati sottostanti mentre le MW consentono di osservare anche le zone sottostanti la nube, giungendo fino alla superficie terrestre, almeno finché alle nubi non sia
associata alcuna precipitazione. Questa è la caratteristica più importante che rende il telerilevamento alle microonde uno strumento molto utile per l’analisi meteorologica in condizione di cielo non chiaro.
Rispetto all’infrarosso però, le immagini telerilevate alle microonde hanno lo svantaggio di avere una bassa risoluzione spaziale 1, definita dal relativo IFOV, questo perché il campo di vista di un radiometro è direttamente proporzionale alla lunghezza d’onda osservata λ, all’altitudine del satellite H ed inversamente proporzionale al diametro dell’antenna d:


Per via della dipendenza della risoluzione spaziale dalla lunghezza d’onda, e visto che generalmente un satellite utilizza una sola antenna per diverse frequenze, le risoluzioni variano in funzione della frequenza osservata e sono generalmente dell’ordine di qualche decina di chilometri contro i 3 km dell’infrarosso e 1 km del visibile raggiunti dal sensore Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI) a bordo del Meteosat Second Generation (MSG). Questa è la causa che finora ha impedito l’installazione di radiometri alle microonde sui satelliti geostazionari relegando questi strumenti ai soli satelliti ad orbita bassa. Per completezza conviene citare un’importante componente del telerilevamento alle microonde: la polarizzazione. Se l’onda elettromagnetica misurata dal radiometro è polarizzata linearmente in modo che la sua componente elettrica è contenuto in un piano definito dalla direzione d’osservazione del radiometro e dalla normale alla superficie nel punto d’osservazione, la polarizzazione è definita verticale. Se la componente elettrica invece è perpendicolare a questo piano, la polarizzazione è definita orizzontale. Le differenze di polarizzazioni può essere utilizzata per ricavare informazioni utili sia sull’atmosfera che sulla superficie terrestre.

L’anomalia globale della temperatura media nella bassa troposfera (LT) per maggio 2022, secondo i dati UAH, è stata di +0.17°C in calo rispetto al valore di aprile 2022 di +0,26 °C

L

La tendenza al riscaldamento lineare dal gennaio 1979 è ancora di +0,13 C/decennio (+0,12 C/decennio per la media globale degli oceani e +0,18 C/decennio per la media globale dei continenti).

Le diverse deviazioni delle LT regionali dalla media trentennale (1991-2020) negli ultimi 17 mesi sono le seguenti:

YEAR MO GLOBE NHEM. SHEM. TROPIC USA48 ARCTIC AUST 
2021 01 0.12 0.34 -0.09 -0.08 0.36 0.50 -0.52
2021 02 0.20 0.31 0.08 -0.14 -0.66 0.07 -0.27
2021 03 -0.01 0.12 -0.14 -0.29 0.59 -0.78 -0.79
2021 04 -0.05 0.05 -0.15 -0.28 -0.02 0.02 0.29
2021 05 0.08 0.14 0.03 0.06 -0.41 -0.04 0.02
2021 06 -0.01 0.30 -0.32 -0.14 1.44 0.63 -0.76
2021 07 0.20 0.33 0.07 0.13 0.58 0.43 0.80
2021 08 0.17 0.26 0.08 0.07 0.32 0.83 -0.02
2021 09 0.25 0.18 0.33 0.09 0.67 0.02 0.37
2021 10 0.37 0.46 0.27 0.33 0.84 0.63 0.06
2021 11 0.08 0.11 0.06 0.14 0.50 -0.43 -0.29
2021 12 0.21 0.27 0.15 0.03 1.63 0.01 -0.06
2022 01 0.03 0.06 0.00 -0.24 -0.13 0.68 0.09
2022 02 -0.00 0.01 -0.02 -0.24 -0.05 -0.31 -0.50
2022 03 0.15 0.27 0.02 -0.08 0.22 0.74 0.02
2022 04 0.26 0.35 0.18 -0.04 -0.26 0.45 0.60
2022 05 0.17 0.24 0.10 0.01 0.59 0.22 0.19

Lower Troposphere: http://vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/v6.0/tlt/uahncdc_lt_6.0.txt
Mid-Troposphere: http://vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/v6.0/tmt/uahncdc_mt_6.0.txt
Tropopause: http://vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/v6.0/ttp/uahncdc_tp_6.0.txt
Lower Stratosphere: http://vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/v6.0/tls/uahncdc_ls_6.0.txt

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