la micrometeorologia e la dispersione degli inquinanti ... - ARPA Lazio

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LA MICROMETEOROLOGIA E LA CAPACITA’ DISPERDENTE DELL’ATMOSFERA anche se non va dimenticato che tale variabile è di fatto una variabile stocastica cui però il Sistema Ideale di Misura non sovrappone perturbazioni esogene. Nel mondo reale, però, non esistono veri Sistema di Misura Ideali, ma solo Sistemi di Misura Reali. Un Sistema di Misura Reale è costruito, anche questa volta, in modo da variare una delle proprie caratteristiche fisico-chimiche in funzione della variabile da misurare, anche se può, in misura più o meno rilevante, indurre perturbazioni sulla variabile da misurare. Inoltre, anche per un sistema di misura reale deve essere nota la relazione x = m(X), tuttavia la non idealità dello strumento stesso e dei vari apparati (normalmente di tipo elettronico) che lo compongono fa sì che alla misura vera e propria vengano a sovrapporsi perturbazioni e disturbi di varia natura che la contaminano più o meno profondamente. Un Sistema di Misura Reale, fornirà quindi una misura reale che sarà prossima a quella ideale (vera), anche se affetta da errori. Un esempio di ciò è la misura di temperatura con una termoresistenza. E’ noto che tale misura, essenzialmente di tipo elettrico, è perturbata da un rumore bianco generato dalla termoresistenza stessa (Larsen e al., 1982). Ripetendo più volte, se fisicamente possibile, tale misura, emergerà in maniera immediata la natura stocastica insita nella misura reale, che porta ad affermare che x è una variabile casuale, caratterizzata da una ben precisa funzione di densità di probabilità che per semplicità può essere considerata gaussiana con media µ e deviazione standard σ. Se si è in grado di realizzare N misure x i di una variabile e se N è sufficientemente grande, la Statistica assicura che la media campionaria m x è prossima alla media µ con varianza σ 2 /N.Pertanto, detto σ 2 = σ 2 /N l’errore quadratico medio,il vero valore µ risulta pari a m x ± ε con il 66% di probabilità, pari a m x ±2ε con il 95% di probabilità e pari a m x ± 3 ε con il 99% di probabilità. 2.7.1 Sistemi di Misura micrometeorologici Il Sistema più comodo e più usato per la misura delle variabili micrometeorologiche è la stazione meteorologica al suolo, in cui coesistono: • un insieme di strumenti (sensori) in grado di misurare le variabili di interesse, cioè di reagire alla loro variazione, producendo in uscita segnali elettrici di tipo analogico (tensioni o correnti) o digitale, • un sistema elettronico che gestisce la temporizzazione delle misure (cioè che decide quando realizzare la misura), che opera le trasformazioni delle uscite elettriche dei singoli sensori in modo da produrre una versione analogica della misura, che archivia le misure realizzate in un opportuno archivio accessibile all’utente e che le presenta direttamente all’utente in forma alfanumerica e/o grafica, I sensori vengono localizzati a differenti quote rispetto al suolo, normalmente sopra pali o torri meteorologiche. La normale altezza di misura è 10 metri (secondo le indicazioni del WMO, che però si riferiscono alle reti meteorologiche e non micrometeorologiche e che, quindi, non si applicano necessariamente al nostro caso), tuttavia esistono anche torri meteorologiche ben più elevate, come per esempio la torre di Cabau in Olanda, che superano i 300 metri di altezza. Ovviamente il limite intrinseco a un tale sistema di misura è che si può tener sotto osservazione solo la micrometeorologia della parte del PBL più vicina al suolo. Un modo differente di operare è quello di utilizzare un numero esiguo di sensori meteorologici, sostanzialmente simili a quelli usati in una stazione meteorologica 141
LA MICROMETEOROLOGIA E LA CAPACITA’ DISPERDENTE DELL’ATMOSFERA 142 (in pratica ciò che serve per misurare la velocità e direzione del vento, la temperatura ed umidità dell’aria e la pressione barometrica), collegarli ad un sistema ridotto all’essenziale per l’acquisizione temporizzata delle varie misure e per la loro trasmissione via radio e vincolare il tutto ad un pallone libero di elevarsi nell’aria. Un sistema di questo genere è una radiosonda. Questo sistema di misura è in grado di rilevare il profilo verticale della temperatura dell’aria, dell’umidità e della velocità e direzione del vento ed è anche la maniera standard usata dai vari Servizi Meteorologici di tutto il mondo per osservare alcune volte al giorno in ore prestabilite i profili verticali delle citate variabili meteorologiche. Il problema principale legato all’adozione di questa tecnica sta non solo nel numero limitato di parametri meteorologici rilevati, ma soprattutto nell’elevato costo delle sonde che inesorabilmente vanno perse ad ogni lancio. Una variante a questa tecnica di osservazione è quella costituita dalla sostituzione del pallone libero con un piccolo aerostato vincolato al suolo da un cavo. Questo sistema prende il nome di pallone frenato e presenta sostanzialmente la medesima dotazione sensoristica di una radiosonda. Il suo impiego, tuttavia, non è privo di problemi pratici. Il primo di essi deriva dal fatto che, essendo vincolato al suolo da un cavo, il pallone frenato non può raggiungere quote elevate; tipicamente la sua quota massima raggiungibile è attorno ai 400÷600 metri. Inoltre proprio la presenza di questo cavo determina un costante pericolo per la navigazione aerea, soprattutto per i piccoli aerei e gli elicotteri. Quando poi si opera in condizioni di vento forte, il pallone frenato non solo non può raggiungere quote elevate, ma può anche essere molto pericolo per chi lo manovra. Nonostante le limitazioni, questi sistemi costituiscono un interessante maniera per estendere le osservazioni meteorologiche da un numero ridotto di punti di osservazione a ridosso del suolo ad un intero profilo, anche se lo spazio osservato da tali sistemi, più che una retta verticale, è una traiettoria verticale decisamente molto irregolare. Un deciso miglioramento, almeno in termini concettuali, rispetto alla radiosonda ed al pallone frenato è rappresentato dai cosiddetti sistemi remote sensing, una famiglia di sistemi di misura i cui rappresentanti principali sono il SODAR,il RASS ed il WIND PROFILER. Senza entrare nei dettagli, tali sistemi, stando al suolo, emettono verso l’alto impulsi acustici (SODAR), elettromagnetici (WIND PROFILER) e, in modo combinato, acustici ed elettromagnetici (RASS) e, subito dopo, si pongono in ricezione per riceverne gli echi di ritorno dall’atmosfera, echi che sono il risultato dell’interazione tra tali impulsi e l’atmosfera. I vari sistemi interpretano poi questo eco in termini di profilo verticale di alcune delle grandezze meteorologiche di interesse. In particolare il SODAR è in grado di rilevare fino a quote dell’ordine di 500÷1000 m il profilo della velocità e della direzione del vento, della deviazione standard delle componenti del vento e anche dello stato della turbolenza, mentre per quanto riguarda il RASS quello che viene rilevato è il profilo verticale della temperatura virtuale. Il WIND PRO- FILER è il sistema remote sensing più giovane e promettente.Attualmente da esso si rilevano profili di vento che raggiungono quote ben più elevate di quelle raggiunte dal SODAR, ma in futuro è prevedibile il suo maggior coinvolgimento nella determinazione di quei parametri importanti per la determinazione dello stato dell’atmosfera. Ci sono due aspetti interessanti legati a questa famiglia di sistemi. Il primo è costituito dal fatto che essi possono acquisire i profili verticali delle differenti variabili meteorologiche a cadenze molto ravvicinate (per esempio ogni 15 minuti),mentre l’impiego delle radiosonde è limitato dal tempo necessario per completare il sondaggio (proporzionale alla velocità di salita della
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