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CHemical Impact of Thunderstorms
on Earth's Atmosphere (CHIMTEA - ESA Changing Earth Science Network)
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Two decades after their first accidental discovery, sprites, transient luminous events (TLEs) and terrestrial gamma-ray flashes (TGFs) are drawing the attention of the scientific community to the impact that thunderstorms exert onto the atmosphere and its chemistry, from the troposphere to the upper atmosphere and lower ionosphere. Thunderstorms are responsible for lightning-NOx, the major source of atmospheric NOx, for the uplift of tropospheric constituents as high as into the stratosphere driving troposphere-stratosphere exchange, and are likely contributing directly the upper atmosphere NOx content through upper atmosphere discharges and ionization. This direct chemical impact, together with thunderstorm driven precipitation, flooding, downburst wind, lightning-induced wildfires, hazardous development into tornadoes, but also gravity wave drive of upper atmosphere circulation and global electric circuit recharge, make thunderstorms a key player of the atmosphere and climate, especially in the climate-regulating upper troposphere-lower stratosphere. In a changing climate with increasing sea surface temperatures and convection, thunderstorm intensity is likely to increase, as consequently is to increase the relevance of thunderstorm related processes. Early results by Arnone et al. [2008, 2009] found for the first time a possible TLE-induced perturbation in middle atmospheric NO2 as measured by MIPAS onboard ENVISAT, showing that novel techniques can be used to extract thunderstorminduced chemical perturbations. The proposed project will build on these early results, seeking satellite measurements of thunderstorms-induced chemical signatures both in the atmosphere above the thunderstorms and at and below thunderstorm height soon after their activity. A 2D tomographic analysis of MIPAS spectroscopic data will be used to account for the horizontal inhomogeneity of the atmosphere and further tested against conventional onedimensional approach. Complementary nadir observations from SCIAMACHY onboard ENVISAT will be used to study the tropospheric NOx and ozone soon after thunderstorm activity has faded. Global distribution of thunderstorm activity will be obtained using global lighting data. A study of their likelihood of occurrence and characteristics depending on observed moisture content and salinity will be performed on data from the SMOS satellite. Detailed observations of individual thunderstorms will be used as case studies for a characterization of their regional chemical impact and to support the analysis at global scales. The large multidisciplinary expertise that was developed over the last years within this field by merging contributions from meteorology, atmospheric physics and chemistry, plasma physics, radio engineering etc., can be now exploited for further developing the multi-instrument and cross-field expertise needed for breakthrough achievements in climate science, mimicking at observational level the efforts invested in Earth system modelling: how many other natural processes can simultaneously affect the Earth's surface through out the ionosphere, and be a regional natural observable laboratory while having a globally spread impact? In this view, thunderstorms are becoming the principal target of new missions such as ESA Atmosphere-Space Interactions Monitor (ASIM) to be flown on the International Space Station in 2013, and this project will start building up the needed expertise for exploiting available EO data.
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The Scientific
Analysis of Limb Sounding Observations of the Upper Troposphere
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Il progetto di ricerca prevede lo sviluppo di un nuovo algoritmo
per l’analisi delle misure di remote-sensing fatte dallo
strumento MARSCHALS (sviluppato da ESA) che è in fase di
realizzazione ed effettuera’ tre campagne di misura a bordo
dell’aereo stratosferico M55-Geophysica.
MARSCHALS è uno spettrometro submillimetrico eterodina
che misura l’emissione atmosferica con la tecnica a lembo.
Lo scopo di tale strumento è di misurare la distribuzione
in altezza della temperatura e della concentrazione dei gas le
cui righe spettrali si trovano nell’intervallo di frequenze
misurate dallo strumento. Vista la regione spettrale in cui opera
e viste le caratteristiche delle misure fatte da aereo, le quantita’
ricavate verranno usate per studiare gli scambi fisici e chimici
che avvengono fra la bassa stratosfera e l’alta troposfera.
L’algoritmo che deve essere sviluppato dovra’ essere
in grado di analizzare le misure prese anche in presenza di nubi
e tenendo conto della variabilita’ orizzontale della porzione
di atmosfera misurata.
Oltre allo sviluppo del codice di analisi dati, il progetto prevede
anche l’analisi dei dati registrati da detto spettrometro
nelle tre campagne di misura previste e lo sfruttamento scientifico
di tali dati. |
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Development
of algorithms for the exploitation of MIPAS special modes measurements
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Lo studio prevede lo sviluppo di un nuovo sistema di retrieval
per le misure effettuate da MIPAS (Michelson Interferometer for
Passive Atmospheric Sounding), strumento sviluppato dall’European
Space Agency (ESA) che opera a bordo del satellite ENVISAT, lanciato
il primo Marzo 2002.
MIPAS utilizza la tecnica di osservazione al lembo per misurare
le caratteristiche spettroscopiche delle emissioni atmosferiche
nel medio infrarosso.
Per circa l’80% del suo tempo di misura, MIPAS opera in
modo “nominale”, osservazioni con vista all’indietro
lungo la traccia dell’orbita e con sequenze di limb scanning
con quote di tangenza da 68 a 6 km. Per il restante 20% di tempo
lo strumento opera in “special modes”. Gli special
modes sono definiti come:
- Chimica e Dinamica Polare: vista posteriore; quote di tangenza
= 8-55 km; risoluzione in quota = 2-10 km, spaziatura orizzontale
= 450 km;
- Scambi Stratosfera/Troposfera, Chimica della troposfera:
vista posteriore, quote di tangenza= 5-40 km, risoluzione
in quote= 1.5-10 km, spaziatura orizzontale= 400 km;
- Alta Atmosfera: vista posteriore, quote di tangenza = 20-160
km, risoluzione in altezza= 3-8 km, spaziatura orizzontale=
800 km;
- Variazioni diurne: vista laterale; quote di tangenza=15-60
km, risoluzione in quota = 3 km, spaziatura orizzontale =
100 km;
- Dinamica: vista posteriore, quote di tangenza = 8-50 km,
risoluzione in quota = 3-8 km, spaziatura orizzontale = 500
km;
- Emissioni traffico aereo: vista laterale, quote di tangenza
= 6-40 km, risoluzione in quota = 1.5-10 km, spaziatura orizzontale
= 500 km.
Similmente al modo nominale, per quattro special modes (modi
1,2,3,5) lo strumento opera con vista all’indietro lungo
la traccia dell’orbita (o con un piccolo spostamento dal
piano dell’orbita).
I modi 4 e 6 campionano l’atmosfera guardando lateralmente,
cioè con linea di vista quasi perpendicolare al piano
dell’orbita.
Alcuni di questi special modes sono stati studiati per l’indagine
di specifiche zone geografiche (come le regioni polari in inverno)
o di eventi particolari (come eruzioni vulcaniche); per cui,
in alcuni casi, gli special modes operano solamente per una
frazione dell’orbita.
ESA fornisce solamente il livello 2 per il modo nominale di
osservazione, mentre per quel che riguarda gli special modes
solo i dati di livello 1 (cioè gli spettri calibrati)
saranno forniti all’utente.
Il lavoro svolto per questo studio è lo sviluppo di un
prototipo software per l’analisi delle misure ottenute
dagli special modes di MIPAS, che potrà anche essere
usato come input per futuri PDS upgrades.
Il software includerà l’utilizzo di due nuovi sistemi
sviluppati dal nostro gruppo: GEOFIT e MTR (Multi Target Retrieval).
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ISAC - CNR
Gruppo: Remote Sensing of the Stratosphere
Via P. Gobetti, 101
40129 Bologna
ITALY
Tel.+39 051 6398002
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