Forzanti meteorologici e radiativi a Lampedusa a Giugno 2006.

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1 Forzanti meteorologici e radiativi a Lampedusa a Giugno A. di Sarra, S. Piacentino, D. Sferlazzo, F. Anello, C. Bommarito, L. De Silvestri, T. Di Iorio, D. Meloni, F. Monteleone. Obiettivi Durante la campagna di misure svolta nell'ambito della Convenzione tra Area Marina Protetta delle Isole Pelagie e ENEA sono state effettuate osservazioni meteorologiche, misure della composizione dell'atmosfera e dei flussi di radiazione solare. Queste osservazioni sono state effettuate presso la Stazione di Osservazioni Climatiche ENEA a Lampedusa con lo scopo di: determinare le condizioni nelle quali la campagna di misure in mare ha avuto luogo; ottenere una misura quantitativa dei parametri in grado di influenzare la qualità dell'acqua (ad. esempio i parametri meteorologici, la precipitazione) e la distribuzione di specie biologiche, in particolar modo del fitoplancton (radiazione solare, radiazione fotosintetica ed ultravioletta, possibile disponibilità di nutrienti da deposizione di aerosol desertici); individuare eventuali anomalie e/o singolarità nelle condizioni, anche attraverso il confronto con le serie di misure raccolte a Lampedusa in periodi di tempo più estesi. Condizioni meteorologiche Nei primi giorni (1-4) del mese di Giugno 2006 la circolazione atmosferica è stata dominata dalla presenza di una bassa pressione centrata sull'italia centrale e sui Balcani; questo sistema ha portato a Lampedusa venti settentrionali al suolo a volte intensi, e masse d'aria di origine essenzialmente Europea-continentale. Dal 5 al 12 Giugno la circolazione è stata regolata da un doppio sistema di alte pressioni: uno, più intenso, era localizzato su Inghilterra-Olanda-Germania del nord, ed una secondo, più debole e variabile, era posizionato sul Nord Africa (Libia settentrionale- Golfo della Sirte). Questo doppio sistema ha continuato a portare verso Lampedusa masse d'aria europee, producendo venti moderati al suolo, variabili in direzione (generalmente da Ovest). Tra il 12 ed il 14 l alta pressione sull Europa settentrionale si è progressivamente attenuata, mentre si è intensificata l alta pressione sul Mediterraneo. La intensa alta pressione è rimasta stabile sull Africa del Nord-Mediterraneo centrale dalla metà alla fine di Giugno. In questo periodo si è avuto cielo sereno, venti moderati, e masse di aria di origine africana, cariche di aerosol di origine desertica; le temperature sono cresciute di 7-8 gradi rispetto alla prima metà del mese, raggiungendo picchi di 35 C. In coincidenza

2 con l arrivo di aria africana l ampiezza del ciclo diurno di temperatura ha raggiunto valori di circa 10 C, ed i valori diurni di umidità relativa sono scesi fino al 20% (erano rimasti sempre sopra il 50% nella prima metà del mese). Le mappe di geopotenziale a 850 mbar riportate nelle figure sono ottenute mediando le analisi meteorologiche giornaliere rispettivamente nei periodi 1-4 Giugno, 5-12 Giugno, Giugno, e mostrano i caratteri generali della situazione meteorologica nei tre periodi indicati. Figura 1. Media della quota della superficie geopotenziale a 850 mbar per il periodo 1-4 Giugno Figura 2. Media della quota della superficie geopotenziale a 850 mbar per il periodo 5-11 Giugno 2006.

3 Figura 3. Media della quota della superficie geopotenziale a 850 mbar per il periodo Giugno Figura 4. Evoluzione di temperatura, umidità relativa e pressione a Lampedusa durante il mese di Giugno 2006.

4 Figura 5. Evoluzione di radiazione solare, velocità e direzione del vento a Lampedusa durante il mese di Giugno Le figure 4 e 5 mostrano l evoluzione delle grandezze meteorologiche e della radiazione solare misurate presso la Stazione di Osservazioni Climatiche di Lampedusa. Nel periodo di misura si sono avute spesso condizioni di cielo sereno, tranne che nei giorni 1, 9, 11, e 30. Eventi isolati di precipitazione si sono verificati i giorni 1 e 9 Giugno. La campagna si è svolta attorno al sostizio d estate, quando i flussi di radiazione solare raggiungono il massimo annuale. Il 7 Giugno è stato lanciato un pallone meteorologico dalla Stazione ENEA. Figura 6 mostra il profilo di temperatura ed umidità relativa misurato dagli strumenti su pallone. Il profilo di temperatura mostra chiaramente la struttura dello strato limite planetario (la regione dell atmosfera nella quale è massima l influenza della superficie) nei primi metri di altezza. Nello strato limite l umidità decresce rapidamente. Diverse stratificazioni nei profili di umidità e temperatura sono legate alla diversa origine delle masse d aria alle varie quote. La tropopausa si trova a circa 1 km di quota.

5 Figura 6. Profilo verticale di temperatura ed umidità relativa misurato a Lampedusa il 7 Giugno 2006 attorno alle 9 UT. Ozono, aerosol e radiazione La radiazione solare costituisce la sorgente energetica alla base di gran parte dei processi naturali: essa fornisce l energia che riscalda la superficie, produce la evaporazione dell acqua del mare (o alla superficie del terreno), innesca i moti nell atmosfera, influenza in modo fondamentale i processi chimici che avvengono in atmosfera e sulla superficie, e permette, attraverso la fotosintesi, la vita e la crescita del fitoplancton marino e della vegetazione terrestre. La fotosintesi coinvolge la porzione di radiazione solare di lunghezza d onda compresa tra 400 e 700 nm (radiazione fotosintetica). La radiazione ultravioletta costituisce la porzione di radiazione solare a lunghezza d onda corta (inferiore di 400 nm). La radiazione UV gioca un ruolo importante negli equilibri della biosfera: valori elevati di irraggiamento UV possono influenzare il comportamento del fitoplancton e zooplancton presenti nelle acque superficiali. Tra gli effetti di elevate esposizioni a radiazione UV sono stati registrati: per il fitoplancton, la riduzione della capacità di orientamento e della mobilità, la riduzione della capacità fotosintetica, e la riduzione della capacità di fissare azoto; sono stati osservati anche effetti sullo sviluppo e sul metabolismo. Elevate esposizioni a radiazione UV producono inoltre danni a uova e larve di zooplancton (nelle acque superficiali).

6 Figura 5. Evoluzione di ozono, spessore ottico ed esponente di Ångström dell aerosol a Lampedusa durante il mese di Giugno Le grandezze più importanti in grado di modulare i flussi di radiazione solare sono le nubi, gli aerosol, e per la regione ultravioletta dello spettro, l ozono. In misura minore giocano un ruolo anche il vapor d acqua e vari composti minoritari, come SO 2 ed NO 2. In assenza di nubi, come è il caso per gran parte di Giugno 2006, gli aerosol giocano un ruolo fondamentale nella regolazione dei flussi di radiazione solare. A Lampedusa, in particolare, l arrivo di polvere desertica è associato ad un significativo aumento di opacità dell atmosfera, cui corrisponde una riduzione della intensità della radiazione solare, e quindi della radiazione fotosintetica disponibile. Questa riduzione avviene attraverso una decrescita significativa della radiazione diretta (quella che arriva lungo al direzione osservatore-sole), ed un incremento della radiazione diffusa (che arriva lungo tutte le atre direzioni). La vegetazione ed il fitoplancton marino riescono a sfruttare più efficacemente la componente diffusa della radiazione fotosintetica rispetto alla diretta; l effetto dell attenuazione del flusso di radiazione da parte dell aerosol viene così ad essere in parte compensato dall aumento della componente diffusa.

7 La polvere desertica è composta di particelle solide di dimensioni di qualche micron, che progressivamente vengono rimosse dall atmosfera cadendo sotto l effetto della forza di gravità. Quando le particelle di povere desertica raggiungono la superficie marina forniscono sostanze nutrienti per il fitoplacton marino, e ci si aspetta che abbiano un effetto fertilizzante sulla sua crescita. Nel periodo del solstizio d estate i livelli di radiazione UV che raggiungono Lampedusa, soprattutto per ridotti valori di ozono totale, sono in genere elevati, ed è possibile che influenzino lo sviluppo di fitoplancton, zooplancton e, indirettamente, della fauna marina in genere. Durante la campagna di Giugno 2006 presso la Stazione di Lampedusa sono stati misurati numerosi parametri atmosferici, tra cui gli aerosol e l ozono. Figura 5 mostra l evoluzione dell ozono totale (la somma di tutto quello presente in un colonna verticale di atmosfera), dello spessore ottico dell aerosol (che ci dice quanto è forte l effetto di attenuazione della radiazione solare prodotto dal particolato presente nella colonna verticale di atmosfera), e dell esponente di Ångström (che fornisce informazioni sulle dimensioni delle particelle: valori alti, maggiori di 1, indicano la presenza di particelle piccole; valori prossimi allo zero indicano la presenza di particelle grandi, dell ordine di qualche micron). Lo spessore ottico degli aerosol è in generale ragionevolmente basso, minore di 0.2, durante la prima metà del mese. In questo periodo il particolato è costituito prevalentemente da particelle piccole, come ci si aspetta per aerosol di origine europea. A partire dal 15 Giugno la modificazione della situazione meteorologica porta all arrivo di masse d aria africane cariche di aerosol desertico: lo spessore ottico aumenta, raggiungendo picchi di 0.55 il 24 Giugno, e l esponente di Ångström rimane stabilmente basso durante tutta la seconda metà del mese. Nello stesso periodo il contenuto di ozono totale scende a valori minori di 300 unità Dobson. Figura 6. Evoluzione del rapporto di retrodiffusione dell aerosol misurato tramite lidar il 13 Giugno 2006.

8 Le figure 6 e 7 mostrano l evoluzione dei profili del rapporto di retrodiffusione (in inglese backscatter ratio; questa grandezza è legata al quantitativo di particolato presente in atmosfera: valori uguali ad 1 indicano assenza di aerosol,e valori maggiori di 1 indicano presenza di aerosol, crescente con il valore del rapporto di retrodiffusione) misurato in due giorni di Giugno, rispettivamente nella prima e nella seconda metà del mese. Figura 7. Evoluzione del rapporto di retrodiffusione dell aerosol misurato tramite lidar il 16 Giugno Si nota la presenza di un denso strato di particolato Sahariano tra 3 e 4 km di quota. Figura 8 mostra l evoluzione della radiazione fotosintetica, dell indice UV e, per confronto, riporta le osservazioni di spessore ottico di aerosol e di ozono totale. Figura 9 mostra l evoluzione del rapporto tra le componenti di radiazione diffusa e diretta, misurata su una banda spettrale compresa tra 300 e 1050 nm; questa grandezza raggiunge un minimo al mezzogiorno solare, ed è elevata in presenza di nubi. La variazione del rapporto diffusa-diretta viene fortemente influenzato dalla presenza dell aerosol, il cui spessore ottico è riportato per chiarezza nella figura. Le figure 8 e 9 mostrano come a Giugno 2006 si siano verificate condizioni significativamente differenti nella prima e nella seconda parte del mese. Nella prima metà la concentrazione di aerosol è rimasta ragionevolmente ridotta, ed i valori di ozono sono stati elevati. Inoltre, non sono stati osservati casi di aerosol desertico. Ciò ha prodotto: elevati valori di radiazione solare e fotosintetica (in figura 4 si può osservare che anche il picco giornaliero di radiazione solare è più intenso nella prima metà di Giugno che nella seconda); livelli relativamente bassi di radiazione UV nociva per gli organismi biologici; un contributo dominante al campo di radiazione da parte della componente diretta; basso apporto di nutrienti dall atmosfera al mare.

9 Nella seconda metà del mese la presenza di aerosol desertico e il basso contenuto di ozono hanno prodotto: valori di radiazione solare e fotosintetica più bassi che nella prima metà del mese; livelli relativamente elevati (l effetto dell ozono è in parte attenuato dalla elevata opacità atmosferica prodotta dall aerosol desertico) di radiazione UV nociva per gli organismi biologici; una incremento significativo della frazione di radiazione solare compresa nella componente diffusa; basso apporto di nutrienti dall atmosfera al mare. Figura 8. Evoluzione di ozono totale (simboli neri), spessore ottico di aerosol (simboli blu), indice UV, e radiazione fotosintetica nel mese di Giugno 2006.

10 I valori più elevati di radiazione fotosintetica sono osservati al mezzogiorno solare dei giorni 6, 8, 12 e 13 Giugno, in corrispondenza dei minimi di spessore ottico (non vanno considerati in questo contesto i picchi dei giorni 5, 7, 9, 10 e 11, influenzati dalle nubi). L indice UV raggiunge un massimo assoluto, maggiore di 10, il 20 Giugno, in corrispondenza del minimo di ozono totale e di un minimo relativo di spessore ottico di aerosol. L Organizzazione Meteorologica Mondiale classifica come molto elevati i valori di indice UV compresi tra 8 e 10. Figura 9. Evoluzione dello spessore ottico dell aerosol e del rapporto tra le componenti diffusa e diretta della radiazione solare misurata su una banda spettrale compresa tra 300 e 1050nm. Confronto con dati di anni precedenti Al fine di valutare se e quanto il comportamento osservato a Giugno 2006 sia rappresentativo del periodo del solstizio d estate, o costituisca una anomalia, in figura 10 vengono mostrati per confronto i valori di spessore ottico misurati nei mesi di giugno degli anni , ed i valori di ozono totale misurati a giugno 1999, 2000, Risulta evidente che il comportamento di ozono ed aerosol a Giugno 2006 sia

11 all interno dei valori tipici della stagione, e non presenti particolari anomalie rispetto agli anni precedenti. Di conseguenza anche i flussi di radiazione UV, fotosintetica, e solare che, come si è mostrato, dipendono significativamente da ozono ed aerosol, sono attorno ai valori tipici del periodo dell anno in esame. Figura 10. Evoluzione dello spessore ottico degli aerosol negli anni (in arancione) e 2006 (in blu), e dell ozono totale negli anni 1999, 2000,