Introduzione

I radiometri solari ultravioletti sono utilizzati da tempo in tutto il mondo per monitorare l'irradianza al suolo in funzione dei fattori atmosferici che la modulano (WMO, 2011) e al fine di valutare i rischi della radiazione solare per la salute umana e l'ambiente (UNEP, 2010). Ciononostante, l'impiego ottimale di tali strumenti per ottenere serie di misure di altissima accuratezza è ancora oggi una sfida impegnativa: i probabili trend di irradianza UV sono bassi e si confondono facilmente con le oscillazioni naturali (Seckmeyer et al. 2009). Inoltre, nell'ambito delle reti di monitoraggio, non è sempre semplice discriminare tra le differenze prettamente inter-strumentali e i reali pattern ambientali e geografici. Un grande sforzo è perciò richiesto agli operatori, in particolare nelle procedure di controllo di qualità, di rielaborazione dei dati, taratura e caratterizzazione degli strumenti (di Sarra, 2002).
Benché in Italia alcuni istituti abbiano avviato misure di radiazione ultravioletta solare sin dall'inizio degli anni '90 (Casale et al., 2000) e partecipato a campagne internazionali, la strumentazione presente sul territorio nazionale non è operata nell'ambito di una rete organizzata e secondo un programma di ricerca comune. I risultati del presente interconfronto sono perciò fondamentali per valutare l'accuratezza globale della strumentazione italiana ed attuare i necessari provvedimenti per migliorarla.

 Strumentazione e modelli partecipanti

Tutti gli strumenti e gli enti partecipanti alla campagna sono riportati, unitamente ad alcune informazioni, in tabella 1.
Lo strumento che ha costituito il riferimento della campagna di interconfronto è uno spettroradiometro Bentham DTMc300F a doppio monocromatore (numero identificativo 00, nel seguito; fig. 1), appartenente ad ARPA Valle d'Aosta e tracciabile a standard primari (Diémoz, 2012). Tale strumento è regolarmente confrontato con il riferimento europeo, QASUME, del centro mondiale per la misura della radiazione solare di Davos (PMOD-WRC). Nel corso della campagna in esame, lo spettroradiometro Bentham ha acquisito con continuità spettri di irradianza nella banda elettromagnetica compresa tra 290 e 400 nm.
In aggiunta, un ulteriore strumento in grado di misurare lo spettro di radiazione, uno spettrofotometro Brewer MKIV, anch'esso gestito da ARPA Valle d'Aosta (numero identificativo 11), ha partecipato all'interconfronto. Lo spettrofotometro è stato altresì impiegato per la misura del contenuto totale di ozono e per la caratterizzazione delle proprietà ottiche del particolato atmosferico durante la campagna.
La maggior parte dei radiometri partecipanti era a banda larga (numeri identificativi da 01 a 10). Il loro dato non elaborato è stato raccolto in termini di tensione elettrica ai capi dei loro cavi di uscita ogni 10 secondi. Due degli strumenti (09 e 10) erano digitali, i rimanenti analogici. Quattro radiometri a banda larga (numeri identificativi 01, 02, 04 e 05) hanno misurato contemporaneamente l'irradianza UV-A integrata nella banda 315-400 nm e l'Indice UV (d'ora in poi UVI; per la definizione di quest'ultimo, si veda Webb, 2011), i rimanenti acquisivano esclusivamente il canale relativo all'UVI.
La relazione tra tensione in uscita dai radiometri a banda larga e l'irradianza (cioè la grandezza che si desidera normalmente misurare), è definita attraverso una funzione, piuttosto complessa, dei due parametri che maggiormente condizionano la forma dello spettro solare a terra: il contenuto totale di ozono in atmosfera e l'angolo zenitale solare. Non è, infatti, possibile determinare un'unica costante di taratura per il fatto che le risposte spettrali e angolari dei radiometri non coincidono perfettamente con quelle ideali. Alcuni operatori hanno dunque fatto uso, durante la campagna, di matrici di taratura, ottenute tramite modelli di trasporto radiativo. Altri, invece, hanno utilizzato un fattore di correzione costante, benché sia noto che tale procedimento non garantisce un risultato ottimale.
Due radiometri a filtri (numeri identificativi 12 e 13) hanno acquisito misure a banda stretta, poi elaborate dai rispettivi operatori al fine di ottenere l'UVI e l'irradianza integrata nella banda UV-A.
Infine, il modello di trasporto radiativo LibRadtran è stato incluso nel confronto alla pari degli altri strumenti (numero identificativo 14) ed è stato, inoltre, impiegato per il controllo di qualità delle misure spettrali.

 Tabella 1 – Strumenti e agenzie partecipanti alla campagna - E' riportato l'istituto al quale le misure sono tracciabili e, tra parentesi, lo strumento o il laboratorio di riferimento.

Figura 1 - Alcuni strumenti partecipanti - In primo piano, l'ottica dello spettroradiometro di riferimento e, sullo sfondo, alcuni radiometri a banda larga.

Campagna di interconfronto

La campagna si è svolta a cavallo del solstizio estivo, al fine di valutare il funzionamento degli strumenti partecipanti sulla gamma più vasta possibile di angoli solari. Il sole, infatti, sorgeva alle ore 6 solari circa e tramontava alle ore 19. Il minimo angolo solare zenitale del periodo è stato di 22.3° in occasione del solstizio.
La stazione di Saint-Christophe (Aosta, quota 570 m s.l.m.) rappresenta un tipico sito di fondovalle alpino, benché con ampia visuale, ed è stato scelto per la presenza di uno strumento allo stato dell'arte e per il basso livello di inquinamento.
La prima parte dell'interconfronto è stata caratterizzata da nuvolosità e, talvolta, pioggia (le misure ottenute durante le precipitazioni sono state escluse dall'analisi). Gli ultimi quattro giorni, invece, sono stati sereni ed hanno permesso di misurare un UVI di circa 8, un valore tipico a Saint-Christophe durante l'estate.

Metodi di confronto

Poiché gli strumenti che hanno partecipato alla campagna appartengono a classi differenti (spettrali, banda stretta e banda larga) ed operano con tempi di campionamento diversi, non è stato possibile confrontare tutte le serie di misure utilizzando un'unica metodologia.
Il downscaling delle serie a banda larga, ottenute con un tempo di campionamento di 10 secondi, alla risoluzione dello strumento di riferimento, di circa 3 minuti, è stato effettuato con un nuovo algoritmo, appositamente creato per la campagna e facente uso di modelli di trasporto radiativo (Diémoz et al., 2011). Infatti, una semplice interpolazione temporale avrebbe creato, soprattutto nel caso di cielo nuvoloso, oscillazioni fittizie.
Le rimanenti serie, invece, sono state riscalate alla risoluzione temporale dello spettroradiometro Bentham attraverso una interpolazione lineare di misure quasi-simultanee (la massima differenza ammessa nel confronto tra riferimento e strumento in esame era di 1 minuto per i radiometri a banda stretta e di 3 minuti per lo spettrofotometro Brewer).

Figura 2 - Boxplot dell'UVI per cielo sereno - Rapporto tra le misure di ogni strumento e il riferimento. I lati superiore e inferiore di ogni rettangolo rappresentano i quartili (superiore e inferiore). La linea interna al box, la mediana. I baffi descrivono i valori massimi e minimi, eccetto gli outliers, che sono invece rappresentati come cerchi.

Figura 3 - Boxplot dell'UVI per cielo nuvoloso

Risultati e discussione

I risultati sono nel seguito espressi principalmente in termini di mediana e di distanza interquartile (IQR) – stimatori robusti rispettivamente della tendenza centrale e della dispersione –  del rapporto tra le misure degli strumenti in prova e del riferimento. Il boxplot in fig. 2 rappresenta i risultati durante i giorni sereni, quello in fig. 3 i risultati nei giorni nuvolosi.

DEVIAZIONI MEDIE

Innanzi tutto, le misure degli strumenti in prova esibiscono notevoli deviazioni medie rispetto al riferimento: da -16% (strumenti 12 e 13) a +19% (strumento 04). Anche alcuni strumenti appena tarati dalle rispettive case costruttrici mostrano elevati errori sistematici (strumenti 04, 05, 09, 10).
Un buon accordo si verifica, al contrario, per strumenti che condividono lo stesso standard di taratura, presso PMOD-WRC (numeri 01, 02, 03, 06, 07 e 11).
I risultati ottenuti con il radiometro 08 sono compatibili con quanto già riportato in letteratura scientifica (Gröbner, 2006). Al contrario, l'elevata differenza tra riferimento e radiometro 12 ha permesso di scoprire un malfunzionamento dello strumento in prova dovuto al deterioramento di alcune componenti interne e di una deriva nella taratura. Un difetto di coibentazione è stato trovato anche per il radiometro 13 in seguito alla campagna.
Infine, il modello, benché configurato con parametri semplici, mostra un accordo soddisfacente con il riferimento (in media, -0.3% per l'UVI e -1.2% per l'irradianza integrata UV-A).

VARIABILITÀ DIURNA IN CONDIZIONI SERENE

Al fine di esaminare in maggior dettaglio la variazione diurna delle misure degli strumenti in test rispetto al riferimento, il rapporto è stato graficato in funzione dell'angolo solare zenitale (fig. 4).
Le serie elaborate tramite una matrice (strumenti da 01 a 06) mostrano una variabilità diurna inferiore alle serie processate con un'unica costante di taratura (strumenti 07, 09, 10) o con algoritmi empirici, come per il radiometro 08 (Bodhaine et al., 1998).
Le variazioni diurne tra modello e riferimento sono confrontabili con quelle degli altri strumenti.

Figura 4 - Dipendenza dall'angolo zenitale solare - Rapporti tra misure di UVI per cielo sereno in funzione dell'angolo solare zenitale. Le serie ottenute al mattino (blu) e al pomeriggio (verde) sono graficate separatamente. Gli strumenti sensibili unicamente alla radiazione UV-A non sono riportati in figura.

ASIMMETRIA TRA MATTINO E POMERIGGIO

Diversi strumenti presentano una asimmetria tra le misure del mattino e del pomeriggio. Le cause potrebbero essere un leggero deterioramento della livella a bolla (strumento 01) o una debole dipendenza azimutale (strumento 06) o ancora l'effetto della temperatura o dell'umidità interne (strumenti 05, 11).

Figura 5 - Grafico riassuntivo dei risultati - Valore assoluto della differenza relativa tra strumenti in test e riferimento (asse delle ascisse) e distanza interquartile (asse delle ordinate). Nel testo, è riportata la spiegazione dettagliata dei simboli. I risultati sono relativi all'UVI.

EFFETTO DELLE NUBI

Prendendo in esame l'intera durata della campagna, caratterizzata anche da periodi nuvolosi, e confrontandola con le giornate di cielo sereno, è possibile valutare l'effetto delle nubi sulla qualità delle misure dei radiometri. I coefficienti di taratura dei radiometri, infatti, vengono generalmente determinati tramite modelli di trasporto radiativo nella sola ipotesi di cielo sereno.
Si può constatare che le mediane dei rapporti non cambiano sensibilmente. Al contrario, aumenta notevolmente la distanza interquartile, che in diversi casi, anche in funzione della risposta angolare di ogni radiometro, eccede il 10%. Tale errore è amplificato dagli algoritmi di correzione utilizzati per i radiometri 07 e 08.

PRESTAZIONI GENERALI DEI RADIOMETRI

In figura 5 sono presentate sia le differenze relative dei diversi strumenti dal riferimento nel caso di giorni sereni sia la distanza interquartile dei rapporti. In parentesi, è anche riportato il metodo di correzione. Come si può vedere dalla figura, gli strumenti si possono collocare in alcuni gruppi caratterizzati da prestazioni simili.
Il primo gruppo (colore blu) identifica gli strumenti che condividono la stessa tracciabilità al laboratorio tedesco PTB, attraverso lo standard europeo QASUME o lo spettroradiometro Bentham. Questo fatto mette in assoluta evidenza l'importanza di una scala di riferimento comune e attendibile e l'efficacia di standard viaggianti.
A un secondo gruppo (colore rosso), caratterizzato da deviazioni medio-alte, appartengono gli strumenti tarati presso le rispettive case costruttrici. La “coerenza” tra radiometri tarati dallo stesso produttore è decisamente bassa (gli strumenti 04 e 05 si collocano in punti molto diversi del grafico).
Un terzo gruppo (colore viola) individua gli strumenti prodotti presso i centri di ricerca ENEA e ISAC-CNR. L'interconfronto è stato determinante per identificare problemi strumentali e derive nella taratura.
La stessa figura mette in luce come l'utilizzo di una matrice di taratura sia il metodo più efficace per correggere eventuali errori nella risposta spettrale e angolare.
In generale, si può affermare che le prestazioni dei radiometri italiani, in particolare lo scatter dei dati, potrebbero essere notevolmente migliorate utilizzando gli algoritmi correttivi allo stato dell'arte e pianificando tarature e interconfronti frequenti per monitorare la stabilità strumentale.

Conclusioni

Questo studio è stato indotto dalla necessità di valutare l'accuratezza delle misure di irradianza UV in Italia, anche al fine di progettare una futura rete nazionale.
Il confronto è durato 17 giorni, durante i quali sono stati registrati più di 3000 spettri e acquisiti 140000 campionamenti. Le deviazioni si sono rivelate molto maggiori di quanto previsto e sono stati individuati anche problemi strumentali prima sconosciuti agli operatori.
Dai risultati complessivi dell'interconfronto, emerge che, prima di costituire una rete nazionale, saranno fondamentali sforzi per migliorare la taratura degli strumenti e gli algoritmi di elaborazione.

Bibliografia

Bodhaine B. A. et al., Calibrating broadband UV instrumsnts: ozone and solar zenith angle dependence, J. Atmos. Ocean. Tech., 1998
Casale G. R. et al., Solar UV-B irradiance and total ozone in Italy: fluctuations and trends, J. Geophys. Res., 2000
Diémoz H. et al., First national intercomparison of solar ultraviolet radiometers in Italy, Atmos. Meas. Tech. 2011
Diémoz H. Tracciabilità delle misure ultraviolette solari presso le stazioni di ARPA Valle d’Aosta, V Convegno nazionale degli Agenti Fisici, Novara, 2012
di Sarra A., On the importance of spectral responsivity of Robertson-Berger type ultraviolet radiometers for long-term observations, Photochem. Photobiol., 2002
Gröbner J., Quality assurance of spectral solar UV measurements: results from 25 UV monitoring sites in Europe, 2002 to 2004, Metrologia, 2006
Seckmeyer G. et al. Measurements and trends, in: Twenty years of ozone decline, 2009, Springer
UNEP, Evironmental effects of ozone depletion and its interactions with climate change: 2010 assessment, 2010
Webb A. R. et al., Know your standard: clarifying the CIE erythema action spectrum, Photochem. Photobiol., 2011
WMO, Scientific assessment of ozone depletion: 2010, 2011

Il presente articolo è stato scritto con la collaborazione di: Siani A. M., Casale G. R.: Sapienza Università di Roma, Dipartimento di Fisica; di Sarra A., Scaglione S.: ENEA; Serpillo B.: Arpa Basilicata; Petkov B.: ISAC-CNR; Bonino A., Facta S.: Arpa Piemonte; Fedele F.: Arpa Puglia; Grifoni D., Zipoli G.: IBIMET-CNR/LaMMa; Verdi L.: APPA Bolzano.