MeteoSvizzera si avvale di diversi metodi per misurare la concentrazione di ozono nell’alta atmosfera a diverse risoluzioni spaziali e temporali. A Davos gli spettrofotometri misurano la trasparenza dell’atmosfera alle radiazioni ultraviolette (trasmittanza) in diverse lunghezze d’onda. Questi valori consentono in seguito di calcolare la quantità totale di ozono contenuto nell’intera colonna d’aria, dal terreno alla sommità dell’atmosfera. Queste misure effettuate per molti anni ad Arosa sono effettuate dal 2021 a Davos. Il profilo della concentrazione d’ozono è rilevato con lo stesso strumento all’alba e al tramonto (tramite il cosiddetto metodo d’inversione). A Payerne il profilo della concentrazione dell’ozono è invece rilevato direttamente mediante radiosondaggi. Sempre a Payerne si utilizza inoltre un radiometro a microonde che permette di determinare la concentrazione di ozono nella stratosfera e nella mesosfera, a quote comprese tra 20 e 70 km.

Misurazione della quantità di ozono

Gli spettrofotometri misurano l’assorbimento delle radiazioni nella banda spettrale della luce UV (300-330 nm) e consentono di rilevare il quantitativo totale di ozono contenuto nella colonna d’aria che si trova sopra la stazione di rilevamento. Per la misura ci si avvale di due strumenti, uno del tipo Dobson e l’altro del tipo Brewer, entrambi in servizio a Davos.

Spettrofotometro del tipo Dobson, e serie di misura dell’intera colonna di ozono rilevata con questo strumento ad Arosa/Davos dal 1926.

Lo spettrofotometro Dobson misura la differenza d’intensità fra coppie di radiazioni a differenti lunghezze d’onda di cui, durante l’attraversamento dell’atmosfera, una è assorbita in modo debole e l’altra forte. In tal modo si può stabilire il quantitativo complessivo di ozono. Per contrastare gli effetti di disturbo si misurano e si combinano tre diverse coppie di lunghezza d’onda. Gli spettrofotometri Dobson usati da MeteoSvizzera sono oggi completamente automatizzati e gestiti da un computer (si veda l’immagine qui sotto). La serie di misura pluriennale di Arosa/Davos, iniziata nel lontano 1926, è basata su questo tipo di strumento.

Lo spettrofotometro Brewer misura l’intensità assoluta della radiazione solare in quattro lunghezze d’onda, comprese tra 310 e 320 nm. La quantità di ozono viene ricavata tramite la somma ponderata di queste quattro misurazioni indipendenti. Questo apparecchio funziona in modo automatico ed è molto affidabile; è utilizzato da oltre 35 anni dapprima ad Arosa e ora a Davos.

Profilo della concentrazione d’ozono tramite radiosondaggio

Tre volte alla settimana MeteoSvizzera effettua un  profilo della concentrazione d’ozono per mezzo di una sonda aerologica. Il principio di misura del sensore per la detezione dell’ozono si basa sulla reazione chimica tra le molecole di ozono (O3) e quelle dello ioduro di potassio (KI) contenuto nelle piccole capsule bianche visibili nell’immagine a lato. L’aria viene pompata all’interno dell’involucro e in seguito convogliata in una capsula contenente una soluzione acquosa di ioduro di potassio. In base al principio di una cellula elettrochimica la quantità di ozono nell’aria può essere determinata tramite la tensione elettrica che si instaura tra i due elettrodi. Questo dispositivo è sufficientemente leggero per poter essere trasportato in quota tramite un pallone aerologico (pallone-sonda). la sonda per l'ozono ECC fornisce profili verticali dell'ozono fino a un'altitudine di 30-35 km con una risoluzione di 150 m e una precisione del 3-5%.

Misura del profilo di ozono tramite spettrofotometria

In condizioni di assenza di nuvole, gli spettrofotometri Dobson e Brewer sono in grado, durante le misurazioni effettuate all’alba o al tramonto, di fornire i profili della distribuzione dell'ozono con la quota.

All'alba e al tramonto, l'angolo del sole rispetto all'orizzonte cambia gradualmente. Ciò significa che il percorso della luce attraverso l'atmosfera diventa sempre più lungo e la luce viene assorbita in misura crescente. È possibile dedurre un profilo dell'ozono dalla misurazione dell'intensità di due lunghezze d'onda nell'UV (una fortemente e una debolmente assorbita dall’ozono) al variare di questo angolo. I profili di ozono dal suolo fino a 50 km di quota con una risoluzione di 5-10 km (metodo Umkehr). La serie di profili di ozono di Arosa/Davos è iniziata nel 1956 ed è la serie temporale Umkehr più lunga al mondo.

Misura del profilo di ozono tramite radiometria a microonde

Il radiometro a microonde SOMORA (Stratospheric Ozone Monitoring Radiometer) misura i profili di ozono tramite telerilevamento. Può essere utilizzato per determinare la concentrazione di ozono nella stratosfera e nella bassa mesosfera con una risoluzione verticale di 8-15 chilometri e una risoluzione temporale di 60 minuti. Questo strumento è stato originariamente sviluppato dall'Istituto di Fisica Applicata dell'Università di Berna ed è in uso a Payerne senza interruzioni dal mese di gennaio 2000. MeteoSvizzera mette questi dati di misura a disposizione del “Network for the Detection of Atmospheric Composition Change (NDACC)”, che ha il compito di monitorare la composizione dell'atmosfera come pure i suoi cambiamenti.

La distribuzione verticale dell’ozono nella stratosfera e nella bassa mesosfera viene ricavata tramite analisi della linea spettrale di emissione della molecola di ozono alla frequenza di 142.17 GHz. L’intensità di questa linea è proporzionale alla concentrazione di ozono, mentre la larghezza spettrale dipende dalla pressione dell’aria, fornendo così un’indicazione anche sulla quota a cui si riferisce la misura. La quantità di ozono è espressa come rapporto del numero di molecole di ozono rispetto al numero di tutte le molecole presenti nel volume d’aria. Rappresentando i 24 profili giornalieri sull’asse del tempo si ottiene una lunga serie temporale che mette in evidenza le fluttuazioni annuali della concentrazione di ozono a diverse quote.

Ozono totale

Stübi, R., Schill, H., Klausen, J., Maillard Barras, E., and Haefele, A.: A fully automated Dobson sun spectrophotometer for total column ozone and Umkehr measurements, Atmos. Meas. Tech., 14, 5757–5769, https://doi.org/10.5194/amt-14-5757-2021, 2021.

Zhao, X., Fioletov, V., Redondas, A., Gröbner, J., Egli, L., Zeilinger, F., López-Solano, J., Arroyo, A. B., Kerr, J., Maillard Barras, E., Smit, H., Brohart, M., Sit, R., Ogyu, A., Abboud, I., and Lee, S. C.: The site-specific primary calibration conditions for the Brewer spectrophotometer, Atmos. Meas. Tech., 16, 2273–2295, https://doi.org/10.5194/amt-16-2273-2023, 2023.

Ozono radiosondaggio

Stauffer, R. M., Thompson, A. M., Kollonige, D. E., Tarasick, D. W., Van Malderen, R., Smit, H. G. J., et al. (2022). An examination of the recent stability of ozonesonde global network data. Earth and Space Science, 9, e2022EA002459, https://doi.org/10.1029/2022EA002459.

Jeannet, P., R. Stu¨bi, G. Levrat, P. Viatte, and J. Staehelin (2007), Ozone balloon soundings at Payerne (Switzerland): Reevaluation of the time series 1967–2002 and trend analysis, J. Geophys. Res., 112, D11302, doi:10.1029/2005JD006862.

Metodo d’inversione

Maillard Barras, E., Haefele, A., Stübi, R., Jouberton, A., Schill, H. Petropavlovskikh, I., Miyagawa, K., Stanek, M., Froidevaux, L., Dynamical linear modeling estimates of long-term ozone trends from homogenized Dobson Umkehr profiles at Arosa/Davos, Switzerland, https://doi.org/10.5194/acp-22-14283-2022, 2022.

SOMORA

Maillard Barras, E., Haefele, A., Nguyen, L., Tummon, F., Ball, W. T., Rozanov, E. V., Rüfenacht, R., Hocke, K., Bernet, L., Kämpfer, N., Nedoluha, G., and Boyd, I.: Study of the dependence of stratospheric ozone long-term trends on local solar time, Atmos. Chem. Phys., https://doi.org/10.5194/acp-20-8453-2020, 2020.

Sauvageat, E., Maillard Barras, E., Hocke, K., Haefele, A., and Murk, A.: Harmonized retrieval of middle atmospheric ozone from two microwave radiometers in Switzerland, Atmos. Meas. Tech., 15, 6395–6417, https://doi.org/10.5194/amt-15-6395-2022, 2022.