Monitoraggio atmosferico in ambienti remoti e difficili: dalle osservazioni satellitari alle stazioni terrestri e alle tecnologie dei sensori

Arctic and mountain environments play a key role in the Earth system; however, their remoteness and harsh environmental conditions still pose major challenges to effective atmospheric monitoring. While satellite observations and numerical models represent essential tools for studying these regions, the intrinsic complexity of these environments requires the support of ground-based measurements to assure better analyses. This thesis aims to contribute to the development of practical and methodological know-how for atmospheric monitoring in such challenging contexts. The thesis is structured around three complementary studies. In the first chapter the COVID-19 lockdown impact on the Himalayan cryosphere is examined through spatiotemporal and time series analysis based mainly on satellite data. Surface temperature, snow albedo, snow cover and aerosol optical depth from March-May 2020 are compared with the climatological counterpart. Particular attention is paid to describe these values over the various environments that make up the region of Hindu Kush-Himalaya and Tibetan Plateau. In addition black carbon emission, wind maps and vertical velocity are also used to asses the variation in possible black carbon deposition over the region. The results indicate cryosphere condition improvements of heterogeneous magnitude across the region and suggest other additional drivers behind these changes. Regardless the work shows the usefulness a network of ground-based station would have on the broad monitoring of this kind of environment. Understanding the inherent challenges related to this kind of harsh and remote environments, the second chapter explores the use of low-cost sensors as a possible solution. Three commercial low-cost sensors platform are evaluated in a more controlled environment in central Italy. Temperature, RH, pressure, NO, NO2, ozone, PM2.5 and PM10 measures are compared to reference data closely acquired, while CO measurements are inter-compared to assess internal consistency. Results show a noticeable performance dependency on the measured quantity. Additional workday versus holiday comparisons and wind–pollutant correlations analyses demonstrate the ability of these sensors to capture emission patterns related to traffic activity and to identify probable pollutant sources. The third chapter examines the long-term performance of a high-Arctic atmospheric observatory, the Amundsen– Nobile Climate Change Tower in Ny-Ålesund (Svalbard), through a 16-year comparison with a nearby Baseline Surface Radiation Network station. The analysis of meteorological and radiative variables shows that the monitoring strategy adopted by the Climate Change Tower provides high-quality measurements, despite the presence of data gaps. Sensor drift analysis further indicates a low long-term degradation of the instruments.

L’Artico e l’ambiente montano svolgono un ruolo fondamentale nel sistema terrestre; tuttavia, l’isolamento e le avverse condizioni meteorologiche da cui sono caratterizzati rappresentano un’importante sfida per l’esecuzione del monitoraggio atmosferico. Sebbene osservazioni satellitari e modelli rappresentino uno strumento essenziale per lo studio di queste regioni, la loro intrinseca complessit`a richiede il supporto di misure a terra per garantire una migliore analisi. Scopo di questa tesi `e contribuire allo sviluppo del know-how per il monitoraggio atmosferico in contesti cos`ı ostici. La tesi si articola in tre studi complementari. Nel primo capitolo viene esaminato l’impatto del lockdown legato al COVID-19 sulla criosfera himalayana, attraverso analisi spazio-temporali e serie temporali, basate principalmente su dati satellitari. Temperatura del suolo, profondit`a ottica degli aerosol, albedo e copertura della neve nei mesi di marzo-maggio 2020 sono state confrontate con i valori climatologici. `E riposta particolare attenzione alla descrizione delle variabili rispetto alle aree che compongono l’Hindu Kush-Himalaya e l’altopiano tibetano. Sono state anche considerate emissioni di black carbon, mappe del vento e velocit`a verticale, per valutare l’eventuale deposito di black carbon. I risultati indicano un eterogeneo miglioramento delle condizioni della criosfera e la presenza di altri possibili fattori oltre al lockdown alla base di questi cambiamenti. L’analisi mostra l’utilit`a che un network di stazioni avrebbe nel monitorare tale ambiente. Considerando le difficolt`a connaturate a questo tipo di ambiente, il secondo capitolo esplora l’uso di sensori low-cost come possibile soluzione. Sono state valutate tre piattaforme commerciali di tali sensori in ambiente pi`u controllato in Centro Italia. Misure di temperatura, RH, pressione, NO, NO2, ozono, PM2.5 e PM10 sono state confrontate con dati di riferimento acquisiti nelle vicinanze, mentre misure di CO sono state comparate tra loro per accertarne la consistenza. I risultati mostrano una dipendenza della performance dalla variabile osservata. Un’ulteriore analisi di giorni lavorativi vs feriali e di correlazione vento-inquinante ha mostrato l’abilit`a di tali sensori a indicare pattern di emissione da traffico e probabili fonti di inquinanti. Il terzo capitolo esamina la performance nel lungo periodo di una stazione artica, la Amundsen–Nobile Climate Change Tower in Ny-Ålesund (Svalbard), attraverso la comparazione di 16 anni di dati con la vicina base del Baseline Surface Radiation Network. L’analisi di variabili meteorologiche e radiative mostra come la strategia adottata dalla Climate Change Tower fornisca misure di alta qualit`a, pur presentando gaps nel dataset. Un’analisi del drift dei sensori mostra una bassa degradazione del segnale nel tempo.