75812 - TRASFERIMENTO RADIATIVO E REMOTE SENSING

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2017/2018

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente possiede: - conosce le leggi fondamentali che governano il trasferimento della radiazione elettromagnetica in presenza di processi di assorbimento, di diffusione ed emissione sia in condizioni di cielo sereno, che in presenza di particolato e nubi; - conosce alcune approssimazioni di tali leggi utilizzate nella modellistica numerica e nell'utilizzazione di dati misurati da piattaforme spaziali; - conosce in modo approfondito gli effetti dello scambio radiativo, come il riscaldamento o raffreddamento della superficie e degli strati atmosferici ed il bilancio radiativo della Terra; - conosce la problematica dei metodi inversi e le metodologie di base; - utilizza le conoscenze acquisite per interpretare dati dal visibile all'infrarosso, utilizza modelli semplificati e li sviluppa ulteriormente nella parte di laboratorio, per interpretare alcune misure remote; - è in grado di interpretare dati multispettrali di elevata complessità ed estrarre da essi le informazioni di base; - utilizza testi e appunti di lezione scritti in lingua inglese ed è abile nella comunicazione sulla materia conoscendo la terminologia inglese in uso; - svolge il laboratorio in gruppo, per migliorare l'interazione con i colleghi e svolgere attività in collaborazione; - predispone una relazione al termine del laboratorio del corso e la espone durante la prova finale.

Programma/Contenuti

Richiami sui modelli dell'interazione tra molecole gassose e radiazione. La molecola come rotatore rigido classico e quantizzato, linee di assorbimento e bande rotazionali. Relazione tra numero d'onda ed energia della transizione. La molecola come struttura vibrante classica e quantizzata. Transizioni vibrazionali. Bande vibro-rotazionali. Assorbimento gassoso nell'infrarosso e nel visibile. Come calcolare lo spessore ottico associato alla frequenza di risonanza di una transizione. Esempi di spettri di assorbimento di vari gas atmosferici. Il coefficiente di assorbimento e la forma delle righe di assorbimento spettrale. Allargamento naturale e collisionale. Allargamento Doppler. Forma di riga di Voigt. Il calcolo della trasmissività.

Processi di diffusione e formalismo associato. Diffusione molecolare.
Diffusione ed assorbimento da parte di particelle sferiche di quaunque dimensione. Proprietà radiative di una distribuzione di particelle ed applicazione al materiale particolato. Il colore del cielo. Teoria della visibilità.

Introduzione alle misure remote: geometrie di orbita e legge di Keplero; perturbazioni delle orbite. Classificazione dei satelliti per la meteorologia: satelliti geostazionari e polari. Parametri strumentali: geometria di misura, tipologie di scansione, principali parametri dei sensori. Esempi di misure effettuate da satellite.

L'equazione di Schwarzschild e le funzioni peso. Esempi di spettri misurati da satellite ed aereo e dal suolo. Trasferimento radiativo di onda lunga in presenza di nubi: le funzioni peso in presenza di uno strato nuvoloso di varia opacità. Esempi di radianze misurate da strumenti nell'infrarosso.

Equazione generale del trasferimento radiativo. Diffusione singola e multipla. Definizione della funzione sorgente e risoluzione formale del'equazione di TR con funzione sorgente generale. Metodi di simulazione della radianza misurata. Esempi di misure a varia lunghezza d'onda, dal suolo e da satellite, e semplificazione della soluzione generale. Soluzioni esatte di TR: il metodo delle ordinate discrete ed il metodo di adding/doubling: funzioni di riflessione e trasmissione diffusa. Soluzione per diffusione singola. Soluzione per strati otticamente sottili. Applicazione del metodo di A/D ad atmosfere non omogenee.

Metodi inversi. Esempi di problemi inversi: inversione dei dati di radianza spettrale emessa per ottenere una stima del profilo di temperatura e concentrazione; inversione di radianza spettrale (estinzione) per stimare la distribuzione dimensionale del materiale articolato. Stima ai minimi quadrati. Uso di informazioni aggiuntive tramite vincoli lineari: soluzioni di Twomey e Phillips. Derivazione della soluzione utilizzando la climatologia. Dipendenza della soluzione dal numero di misure, dalla dimensione della funzione inversa e dalla struttura del kernel. Gli errori sperimentali ed il loro effetto nella soluzione.
La soluzione ottenuta tramite stima bayesiana. Il problema inverso formulato come problema variazionale. Confronto tra la soluzione Twomey-Phillips e la stima bayesiana.

Testi/Bibliografia

Materiale delle lezioni (in inglese, disponibile agli studenti iscritti alla lista di distribuzione)

Bohren C.F. and E.E. Clothiaux, Fundamentals of atmospheric radiation, 2006, Wiley-VCH Verlag GmbH

Kuo-Nan Liou, An introduction to atmospheric radiation, 1980, Academic Press Inc.

Michael I. Mishchenko, Larry D. Travis and Andrew A. Lacis, Scattering, Absorption and Emission of Light by Small Particles NASA Goddard Institute for Space Studies, 2880 Broadway, New York, NY 10025, USA. L'edizione elettronica è disponibile al link: http://www.giss.nasa.gov/~crmim/books.html

Metodi didattici

Lezioni frontali con ampio utilizzo di materiali multimediali. Esercitazioni di analisi dati di telerilevamento svolte nel laboratorio di remote sensing.

Modalità di verifica dell'apprendimento

Relazione scritta sulle attività svolte durante il laboratorio di remote sensing.
La verifica è affidata ad un esame orale unico per i due moduli, consistente in una discussione della relazione del laboratorio ed in  domande libere sugli argomenti del programma che possono prevedere la risoluzione di esercizi.

Strumenti a supporto della didattica

Pc e videoproiettore.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Rolando Rizzi

Consulta il sito web di Tiziano Maestri