Occhi sul Clima: Svelato il Flusso Energetico della Terra con Dettaglio Mai Visto Prima!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa di veramente affascinante, un progetto a cui abbiamo lavorato intensamente e che, credetemi, apre finestre incredibili sulla comprensione del nostro pianeta. Immaginate di poter “vedere” l’energia che la Terra rilascia nello spazio, giorno dopo giorno, con un dettaglio mai raggiunto prima. Sembra fantascienza? Beh, non più!

Ma di cosa stiamo parlando esattamente? La Radiazione Terrestre a Onda Lunga

Forse il termine “Radiazione Terrestre a Onda Lunga di Superficie” (SLWR, dall’inglese Surface Longwave Radiation) non vi dice molto, ma è un pezzo fondamentale del puzzle energetico del nostro pianeta. Pensatela così: la Terra assorbe l’energia del Sole (onde corte) e poi riemette parte di questa energia sotto forma di calore (onde lunghe). Questa radiazione a onda lunga ha due componenti principali:

• SLUR (Surface Longwave Upwelling Radiation): L’energia termica che la superficie terrestre (suolo, acqua, vegetazione) irradia verso l’alto.
• SLDR (Surface Longwave Downwelling Radiation): L’energia termica che l’atmosfera (soprattutto gas serra e nuvole) irradia verso la superficie.

La differenza tra queste due componenti (insieme alla radiazione solare netta) determina il bilancio energetico alla superficie, un motore potentissimo che guida il clima, il ciclo dell’acqua, la crescita delle piante e un’infinità di altri processi naturali. Capire bene la SLWR è cruciale per modellare i cambiamenti climatici e comprendere come funziona il nostro pianeta.

La Sfida: Dati Dettagliati e Globali

Ottenere dati precisi sulla SLWR non è affatto semplice. Certo, abbiamo stazioni di misurazione a terra, super accurate, ma sono poche e distribuite in modo disomogeneo. Pensate, circa 500 in tutto il mondo! È come cercare di capire il traffico di un’intera nazione guardando solo poche strade principali. I modelli climatici globali ci danno una visione d’insieme, ma spesso a risoluzioni molto grossolane (decine o centinaia di chilometri) e con differenze significative tra un modello e l’altro.

I satelliti sono la nostra migliore scommessa per una copertura globale, e negli anni sono stati sviluppati prodotti importanti come ISCCP-FD, GEWEX-SRB o CERES. Fantastici, ma ancora con risoluzioni spaziali relativamente basse (spesso sull’ordine dei 100 km). Per studiare fenomeni su scala più locale – pensate all’agricoltura di precisione, alla gestione delle risorse idriche in un bacino specifico, o all’effetto “isola di calore” nelle città – serve un dettaglio molto maggiore. E qui entra in gioco la nostra novità.

La Nostra Risposta: Il Prodotto ELITE SLWR a 1 km

Abbiamo sviluppato qualcosa che, fino ad oggi, mancava: un prodotto globale di radiazione terrestre a onda lunga (SLUR e SLDR) con una risoluzione spaziale di 1 km e una frequenza giornaliera, coprendo un periodo lunghissimo, dal 2000 al 2023 (e continueremo ad aggiornarlo!). Fa parte della suite di prodotti ELITE (EssentiaL thermaL Infrared remoTe sEnsing).

Ma come abbiamo fatto? Abbiamo sfruttato la potenza dei dati raccolti dai sensori MODIS, a bordo dei satelliti Terra e Aqua della NASA, che ci osservano da lassù ogni giorno. Abbiamo messo a punto dei metodi “ibridi”, un mix di tecniche intelligenti che combinano modelli fisici e approcci statistici, per stimare la radiazione istantanea (cioè al momento del passaggio del satellite) sia in condizioni di cielo sereno che nuvoloso.

Per il cielo sereno, abbiamo usato relazioni derivate da simulazioni complesse che legano la radianza misurata dal satellite a specifiche lunghezze d’onda termiche con la radiazione emessa dalla superficie e quella proveniente dall’atmosfera. Per il cielo nuvoloso, la faccenda si complica! Abbiamo usato un modello basato sulla temperatura alla base delle nuvole (CBT, Cloud Base Temperature), un parametro chiave che influenza quanta radiazione termica le nuvole rimandano verso il basso. Per stimare la radiazione emessa dalla superficie sotto le nuvole (SLUR), abbiamo usato un altro prodotto ELITE, quello della emissività a banda larga (BBE), e le temperature superficiali sempre da MODIS.

Dal “Flash” Satellitare al Film Quotidiano

I satelliti come Terra e Aqua passano sopra lo stesso punto solo poche volte al giorno (tipicamente 4 volte tra giorno e notte). Ma a noi serviva un valore *giornaliero* medio. Come passare da queste “istantanee” a un quadro completo della giornata? Qui ci è venuto in aiuto un altro strumento prezioso: i dati di rianalisi ERA5, che forniscono stime orarie del meteo globale. Abbiamo sviluppato un metodo per “estendere” nel tempo le nostre misure satellitari istantanee, usando le informazioni sulla variazione diurna fornite da ERA5, ma “ancorandole” ai valori più precisi ottenuti dai nostri algoritmi MODIS. In pratica, abbiamo usato le misure MODIS per correggere e affinare l’andamento giornaliero stimato da ERA5, ottenendo così una stima giornaliera molto più robusta e dettagliata.

La Prova del Nove: La Validazione

Creare un prodotto è una cosa, assicurarsi che sia affidabile è un’altra! Abbiamo messo alla prova i nostri dati in modo rigoroso. Li abbiamo confrontati con le misure dirette raccolte da ben 369 stazioni a terra sparse in tutto il globo, appartenenti a diverse reti internazionali (come BSRN, FluxNet, AmeriFlux, AsiaFlux, e altre). Queste stazioni coprono una varietà incredibile di climi e tipi di superficie: dalle foreste pluviali ai deserti, dalle tundre alle aree urbane.

I risultati? Siamo davvero soddisfatti! L’errore quadratico medio (RMSE), una misura della discrepanza media, è risultato inferiore a 18 W/m² per la radiazione ascendente (SLUR) giornaliera e attorno ai 25 W/m² per quella discendente (SLDR) giornaliera. Sono valori ottimi, assolutamente paragonabili a quelli di prodotti consolidati come CERES-SYN, ma con il vantaggio enorme della nostra risoluzione a 1 km! Abbiamo analizzato le performance per diversi tipi di copertura del suolo (foreste, coltivazioni, ghiacciai…) e diverse zone climatiche, verificando la robustezza del nostro prodotto in quasi tutte le condizioni. Certo, ci sono aree o condizioni (come zone con nuvolosità molto complessa o grande eterogeneità spaziale) dove l’incertezza è un po’ maggiore, ma nel complesso la qualità è alta.

Abbiamo anche confrontato direttamente il nostro prodotto ELITE con il CERES-SYN (che ha una risoluzione di circa 100 km). Nonostante la differenza di scala, le performance sono molto simili in termini di accuratezza media, ma il nostro prodotto ELITE mostra una maggiore stabilità, con meno “valori anomali” o errori estremi in specifiche condizioni climatiche o tipi di superficie. Questo è un segnale molto positivo sulla coerenza del nostro approccio ad alta risoluzione.

Perché Questo è Importante e Come Usarlo

Avere a disposizione dati giornalieri di SLWR a 1 km per oltre 20 anni è una miniera d’oro per tantissime applicazioni. Pensate a:

• Modelli climatici regionali: Possono ora usare dati di input molto più dettagliati.
• Studi idrologici: Per calcolare l’evapotraspirazione con maggiore precisione.
• Agricoltura: Per monitorare lo stress idrico delle colture o ottimizzare l’irrigazione.
• Ecologia: Per capire come gli ecosistemi scambiano energia.
• Studi urbani: Per analizzare le isole di calore e pianificare città più sostenibili.
• Monitoraggio dei ghiacciai e delle calotte polari: Dove il bilancio energetico è fondamentale.

La cosa bella è che questi dati sono liberamente accessibili a tutti! Li trovate su Zenodo, organizzati in file giornalieri in formato HDF5, facili da usare con software comuni come Python, MATLAB o IDL. Ogni file contiene i valori di radiazione (SLUR e SLDR separatamente) e anche dei flag di qualità che danno informazioni sull’affidabilità della stima per ogni pixel.

Insomma, abbiamo aggiunto un tassello importante alla nostra capacità di osservare e comprendere la Terra. È un lavoro che continua, perché il nostro pianeta non smette mai di sorprenderci e di porci nuove sfide. Ma con strumenti come questo, siamo un po’ più preparati ad affrontarle. Spero che questi dati possano essere utili a tanti ricercatori e appassionati per scoprire ancora di più sul meraviglioso e complesso sistema in cui viviamo!

Fonte: Springer