La radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) nel Mediterraneo centrale: misure, relazioni con nubi, aerosol e applicazione a studi sulla produzione primaria

Abstract

La ricerca svolta durante il triennio del Dottorato si è focalizzata essenzialmente a studiare caratteristiche e ruolo della radiazione fotosinteticamente attiva PAR (Photosynthetically Active Radiation), ovvero quella componente della radiazione solare implicata nei processi fotosintetici e compresa fra 400 e 700 nm. Le misure PAR sono necessarie in tutti i modelli per la stima della produzione primaria e, nonostante la sua importanza, non esiste una rete di misure al suolo dedicata, ma viene spesso parametrizzata da misure di radiazione solare o da stime satellitari. Il presente lavoro ha utilizzato misure acquisite presso la Stazione di Osservazioni Climatiche dell’ENEA sull’isola di Lampedusa (35.52°N, 12.63°E; http://www.lampedusa.enea.it), nel Mediterraneo centrale dal 2002 al 2016. Lampedusa, per la sua posizione geografica, è un sito interessante in quanto è rappresentativa di un ambiente marino, è caratterizzata da lunghi periodi con condizioni di cielo sereno ed è spesso interessata da eventi di trasporto atmosferico desertico provenienti dal Sahara. Uno degli obiettivi di questo lavoro di tesi è stato quello di sviluppare una metodologia che consentisse di ottenere misure di lungo periodo e calibrate in situ, utili anche per le calibrazioni dei dati satellitari e gli studi in ambiente marino. La metodologia sviluppata ha coinvolto le misurazioni dei radiometri MFRSR (Multifilter Rotating Shadowband Radiometer) aventi quattro delle bande di acquisizione ricadenti all’interno dell’intervallo spettrale PAR, combinate linearmente al fine di ottenere dei coefficienti in grado di restituire misure calibrate PAR in differenti condizioni atmosferiche, sia nella componente globale che in quella diffusa. In questo lavoro è stato fornito un importante contributo sulla componente diffusa dell’irradianza PAR, la quale, secondo recenti studi, sembra avere un ruolo importante nei processi di produzione primaria. I lavori e le misure disponibili però sono carenti e del tutto assenti nel Mediterraneo centrale. Al fine di comprendere gli effetti di nubi e aerosol sulla modulazione dell’irradianza PAR, sono state ricavate una serie di proprietà ottiche delle nubi, da dati satellitari, e degli aerosol, utilizzando misure in situ e implementando alcune metodologie esistenti. Le serie di lungo periodo sono state così analizzate evidenziandone la variabilità, il rapporto con la radiazione solare e mettendo in evidenza gli effetti provocati dalle nubi e dagli aerosol atmosferici. Queste analisi hanno condotto all’implementazione della metodologia per derivare serie PAR in condizioni di cielo sereno a partire da misure acquisite in giornate parzialmente nuvolose, utili per studiare l’effetto delle nubi. Per quanto attiene agli aerosol atmosferici, il contributo del presente lavoro di ricerca ha portato a determinare le proprietà ottiche inserendo delle correzioni ad alcune metodologie già applicate, come avvenuto ad esempio per la determinazione dell’albedo di scattering singolo. I valori di questo parametro sono stati calcolati per l’intero periodo oggetto di studio tenendo conto della diffusione in avanti della radiazione causata da particelle di grande dimensione in atmosfera, come quelle desertiche. I dati disponibili hanno consentito anche di determinare l’effetto radiativo degli aerosol sia sulla componente globale che su quella diffusa dell’irradianza PAR, con un contributo anche nell’ambito degli studi sul clima. Queste informazioni sulla componente globale PAR sono state determinate per la prima volta nel sito di Lampedusa, e costituiscono il primo studio effettuato sulla componente diffusa per la quale, a nostra conoscenza, non esistono analisi precedenti. Infine, con lo scopo di applicare le metodologie sviluppate ed investigare e quantificare il ruolo della radiazione PAR in relazione alla produzione primaria nel Mediterraneo, ai contributi atmosferici ed a parametri marini quali l’estensione della zona eufotica, la disponibilità dei nutrienti, ecc., dal 22 maggio al 10 giugno è stata realizzata la campagna di misure PAMELA (Photosynthetic Actinic radiation Modulation Experiment at LAmpedusa) presso la Stazione di Osservazioni Climatiche e presso l’Osservatorio Oceanografico (boa oceanografica situata a circa 3 miglia a Sud-Ovest rispetto a Lampedusa) dell’ENEA in collaborazione con l’Area Marina Protetta delle Isole Pelagie ed i Dipartimenti di Chimica e Biologia dell’Università di Firenze. La campagna ha portato all’acquisizione di numerosi campioni e misure chimico-fisiche e biologiche sia in atmosfera che in mare. I risultati preliminari ottenuti hanno fornito contributi interessanti riguardanti l’irradianza scalare PAR nella colonna d’acqua, con la determinazione dei coefficienti di attenuazione verticale k0 e della profondità della zona eufotica. Le analisi biologiche hanno fornito le informazioni riguardanti la biomassa fitoplanctonica con misure di concentrazione della clorofilla a, la determinazione dei coefficienti di assorbimento da parte del fitoplancton ma anche della sostanza organica disciolta e delle particelle non algali. Sono state inoltre determinate le concentrazioni dei nutrienti disponibili, utili nella determinazione del grado di oligotrofia dell’area di studio e dell’eventuale presenza di elementi limitanti. E’ disponibile anche la composizione pigmentaria del popolamento fitoplanctonico, che ha fornito le prime indicazioni sulla tipologia dei gruppi algali presenti. Le analisi chimiche, con una metodologia implementata dal Dipartimento di Chimica dell’Università di Firenze, hanno fornito le prime informazioni sui metalli presenti nelle acque superficiali, con particolare attenzione per il Fe, ritenuto uno dei fattori limitanti nel processo fotosintetico e contenuto negli aerosol desertici. Infine, durante la campagna sono state effettuate misure di fluorescenza da cui sono stati ricavati i parametri delle curve di fotosintesi-irradianza utili ad ottenere una prima stima del tasso di produzione specifica normalizzata rispetto alla clorofilla a. La campagna di misure ha gettato le basi per la caratterizzazione delle condizioni di fondo del sito, dal momento che durante la campagna di misure le condizioni ambientali si sono mantenute piuttosto stabili e non si sono verificati eventi di deposizione rilevanti. Inoltre ha fornito un importante contributo nella caratterizzazione ambientale sia a livello chimico-fisico che biologico, con possibili ulteriori sviluppi nella comprensione degli effetti dovuti all’apporto di nutrienti da parte degli eventi di deposizione atmosferica e dello stato fisiologico della popolazione fitoplanctonica, avente effetti nelle emissioni di solfati in atmosfera agenti da nuclei di condensazione delle nubi.

The research carried out during the three years of the PhD program focused mainly on studying the characteristics and the role of photosynthetically active radiation (PAR), that is the component of solar radiation involved in photosynthetic processes and between 400 and 700 nm. PAR measures are necessary in all models for the estimation of primary production and, despite its importance, there is no dedicated network of ground measurements, but it is often parameterized by solar radiation measurements or satellite estimates. The present work used measures acquired at the ENEA Climate Observation Station on the island of Lampedusa (35.52° N, 12.63° E; http://www.lampedusa.enea.it), in the central Mediterranean from 2002 to 2016 Due to its geographical position, Lampedusa is an interesting site as it is representative of a marine environment, is characterized by long periods with clear sky conditions and is often affected by desert atmospheric transport events coming from the Sahara. One of the objectives of this thesis work was to develop a methodology that would allow to obtain long-term measurements and calibrated in situ, also useful for calibrating satellite data and studies in the marine environment. The developed methodology involved the measurements of the MFRSR (Multifilter Rotating Shadowband Radiometer) radiometers having four of the acquisition bands falling within the PAR spectral range, linearly combined in order to obtain coefficients able to return PAR calibrated measurements in different atmospheric conditions, both in the global component and in the diffused one. According to recent studies, in this paper an important contribution was made on the diffuse component of the PAR irradiance, which seems to play an important role in the primary production processes. However, the works and measures available are lacking and completely absent in the central Mediterranean. In order to understand the effects of clouds and aerosols on the modulation of PAR irradiance, clouds optical properties from satellite data and aerosols optical properties from in situ measurements and with the implementation of some existing methodologies, were obtained. Thus, the long-term series of PAR were analyzed highlighting the variability, the relationship with solar radiation and highlighting the effects caused by clouds and atmospheric aerosols. These analysis led to the implementation of the methodology for deriving PAR series under clear sky conditions starting from measurements acquired on partly cloudy days, useful for studying the effect of clouds. Regards atmospheric aerosols, the contribution of this research work led to the determination of optical properties by including corrections to some existing methodologies, for example for the determination of the single scattering albedo. The values of this parameter were calculated for the entire period studied, taking into account the forward diffusion of the radiation caused by large particles in the atmosphere, such as the desert ones. The available data also allowed to determine the radiative effect of aerosols on both the global and diffuse component of PAR irradiance, with a contribution also in the field of climate studies. These informations on the global PAR component was first determined at the Lampedusa site, and is the first study carried out on the widespread component for which, to our knowledge, no previous analysis exists. Finally, from May 22nd to June 10th the PAMELA (Photosynthetic Actinic Radiation Modulation Experiment at LAmpedusa) measures campaign was carried out at the Climate Observation Station and at the Oceanographic Observatory (oceanographic buoy located about 3 miles south-west from Lampedusa ) of ENEA in collaboration with the Marine Protected Area of the Pelagie Islands and the Departments of Chemistry and Biology of the University of Florence. The aim of measurements campaign was to applying the methodologies developed and investigating and quantifying the role of the PAR radiation in relation to primary production in the Mediterranean, atmospheric contributions and marine parameters such as the extension of the euphotic zone, the availability of nutrients, etc., The campaign has led to the acquisition of several samples and chemical-physical and biological measures both in the atmosphere and at sea. Preliminary results obtained have provided interesting contributions concerning the PAR scalar irradiance in the water column, with the determination of the vertical attenuation coefficients k0 and the depth of the euphotic zone. Biological analysis provided information regarding phytoplankton biomass with chlorophyll concentration measurements, the determination of absorption coefficients by phytoplankton but also of dissolved organic matter and non-algal particles. The concentrations of available nutrients were also determined, useful in determining the degree of oligotrophy in the study area and the possible presence of limiting elements. Pigmentary composition of the phytoplankton population is also available, which has provided the first indications on the type of algal groups present. The chemical analysis, with a methodology implemented by the Department of Chemistry of the University of Florence, provided the first information on the metals present in surface waters, with particular attention to Fe, considered one of the limiting factors in the photosynthetic process and contained in desert aerosols. Finally, fluorescence measurements were made during the campaign. The photosynthesis-irradiance curve parameters were obtained and a first estimate of the specific normalized production rate with respect to chlorophyll a was calculated. The measurements campaign laid the groundwork for the characterization of the site's background conditions, since during the measurement campaign the environmental conditions remained fairly stable and no significant deposition events occurred. It has also made an important contribution to the environmental characterization both at the chemical-physical and biological level, with possible further developments in the understanding of the effects due to the contribution of nutrients by atmospheric deposition events and the physiological state of the phytoplankton population, that have effects in sulfate emissions into the atmosphere and behaving as cloud condensation nuclei.