Methodologies of climatic investigations: historical series in Italy and sky-quality from satellite data

The thesis is structured into two parts: the first is concerning with the methodologies of climatic investigations applied to the historical climatology, while the second part is concerning with methodologies of climatic investigations applied to the site testing for astronomy. The purpose of the first part is to develope methodology guidelines for investigating temperature data to provide a high quality historical reconstruction of present and past climatic conditions locally in Italy and globally in the Mediterranean basin. The potentials and limitations of both documentary proxy data and instrumental observations available for such reconstruction, together with the methodologies used to analyze them, have been presented. Documentary proxies allow to study climate prior to the availability of early instrumental observations allowing the reconstruction of the extreme events. They must be transformed from written documents into numerical index through a calibration and validation approach to exctract the climatic signal related to the temperature variable. In the same way, high quality instrumental time series are achieved only after an enduring and long work of collection, validation, homogenization that makes clear the climatic signal stored into the data. This is the big challenge that we have presented in the first part of the thesis: the methodology to obtain high quality and statistically robust observations supported by the results obtained performing these careful analysis. The obtained results offer an improvement in the Italian and Mediterranean area of both data quality and instrumental data coverage. The reconstructed instrumental observations go back in time up to 360 years ago at the heart of the Little Ice Age, immediately after the invention of the first meteorological instruments covering a time twice respect the results reported in the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC 2007) report. Moreover, the reconstructed series based on documentary data, extends our knowledge on temperature over the last 500 years. This longer temporal range adds new light especially in relation with the recent global warming. Great attention has been conferred to the early instrumental observations carried out by several Galileo’s followers, that, unexploited over the centuries, are presented here for the first time. This study is concerning with the invention of the first thermometer exploitable for reliable instrumental observations performed under the guidelines of the first meteorological Network existing at world known as ‘Rete Medicea’. Moreover another study that extends back to 1716 the long daily temperature series in Padua with the addition of newly recovered data and the transformation of initially obscure indoor readings into outdoor observations in terms of modern units and observational methodology, is presented here. This early temperature reconstructon is particularly interesting for our Padua’s astronomical observatory because it is the continuation, back in time, of the temperature series carried out at the specula by Toaldo, Chiminello, Busatta, Conti, Santini and Lorenzoni that were directors of the Padua’s astronomical observatory. The second part of the thesis is focused on satellite data and remote sensing technique useful for climatic investigation applied at site testing for astronomy. The use of satellite platforms, at present, is the more effective mean to perform a worldwide survey of different climate parameters because they provide a global coverage useful to monitor the climatic situation around the world in the already active astronomical sites and above all they can reveal new sites appropriate for building astronomical observatories. The aim of this second part is from one hand, to explore the use of other detectors than TOMS-EP (Bertolin, 2005) with improved spatial resolution on board of different satellites for studying the relationship between the aerosol content monitoring and the visual atmospheric extinction in the Roque de Los Muchachos (ORM) astronomical site (Canary Islands, Spain). From the other hand, it is to test and quantitatively evaluate the weight that the satellite spatial resolution hold in site testing analysis. For this reason we handle both high spatial resolution level 2 data and lower resolution level 3 data. Important results are obtained working own with level 3 data, from their analysis in fact we were able to define the main aerosol content features (e.g. aerosol optical depth, height of aerosol layer and single scattering albedo) and the cloud coverage and free-cloud scenes. We performed such analysis on four among the top world’s sites (i.e. La Silla, Paranal (Chile), La Palma and Tenerife (Spain)) and in particular we tested this methodology to study a new exploitable ELT site: Tolonchar. The aim of these comparisons is to verify if the sky quality characteristic are unchanged over time and to search for appropriate techniques able to reveal climatic properties exploitable when looking at new future very large telescopes sites. Here, for the first time a careful satellite monitoring has been performed on a 6-years database on Tolonchar in order to obtain as information as possible from OMI level 3 data for this area that is actually under evaluation as possible ELT site. Our results show very important conclusions. Over this area in fact the cloud presence is extremely limited and for the first time we have detected and studied the aerosol presence. The major evidences concerning with cloud climatology have been achieved both from the climatic point of view of cloud cover percentage and from the astronomical point of view of long-term trend in number of photometric nights. The Wavelet Analysis to search periodicities, performed over a cloud cover satellite dataset of more than 30-year, highlights for La Silla an evident anti-correlation between the increasing in cloud mean fraction and the decreasing in mean Southern Oscillation Index and vice-versa. A similar result is carried out also studying the relationship between change in number of photometric nights occurring between a negative SOI peak and a positive one. The difference in percentage between the best and the worst condition in term of number of photometric nights for La Silla is relevant for the observational purposes. For this reason a further analysis has been carried out to compare the cloud coverage anomaly (i.e. relative deviation of the mean number of photometric nights) in-situ measurements, with the satellite Cloud Cover Anomaly (sat CCA). The objective of such analysis is to analyse the correlation of CCA (in-situ) with the satellite CCA (remote-sensing) in order to assess the usefulness of satellite cloud cover values as a tool to reconstruct a larger time series in term of photometric data. If applicable, this method could be useful to reconstruct longer series of photometric data to best define the observational conditions of those astronomical sites around the world with photometric series of measurements at the beginning.

La tesi è strutturata in due parti ben distinte: la prima, riguarda i metodi di indagine applicati alla climatologia storica, mentre la seconda parte riguarda i metodi di indagine atti alla ricerca, su scala globale, di siti che possiedano le migliori condizioni per le osservazioni astronomiche. Nella prima parte si trattano i metodi per l’analisi e la ricostruzione delle serie storiche di temperatura e si espongono i risultati ottenuti sia localmente, per l’Italia, che su scala globale, per l’area Mediterranea. Nella ricostruzione del clima storico si utilizzano due tipologie di dati: i ‘proxy’ di tipo documentario e gli strumentali. I dati di tipo documentario vengono utilizzati per ricostruire la frequenza di eventi termici estremi nel periodo di tempo antecedente l’invenzione dei primi termometri trasformando le informazioni contenute nei documenti scritti in indici numerici. Tali indici sono definiti sulla base della valutazione della causa fisica e dell’effetto riportato sulla cronaca e statisticamente, con la calibrazione e validazione su un comune periodo di dati strumentali di temperatura. Allo stesso modo, la ricostruzione di una serie strumentale di temperatura necessita di un lungo ed attento lavoro di ricerca, validazione ed analisi statistica delle osservazioni che assicuri l’eliminazione di errori e discontinuità. I risultati ottenuti da queste serie strumentali, statisticamente omogenee e di alta qualità anche dal punto di vista dello studio dei metadati, offrono un notevole miglioramento sia per la qualità del dato presentato sia in termini di copertura temporale che, superando i 360 anni, diviene la più lunga esistente al mondo. Il miglioramento nella conoscenza dell’andamento termico in Italia e nell’area del Mediterraneo risale quindi al 1654, nel mezzo della piccola età glaciale (LIA) ed è notevole se confrontato con l’intervallo temporale presentato nel noto report dell’Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC 2007) che si arresta al 1850. Inoltre, se si aggiungono i risultati ottenuti dall’analisi dei dati documentari, i risultati riguardanti l’andamento di temperatura nel Nord-Centro Italia, presentati in questa tesi, arrivano a coprire gli ultmi 500 anni. Questo intervallo temporale plurisecolare aggiunge nuova luce alle attuali conoscenze soprattutto se analizzato in termini di riscaldamento globale. Grande attenzione rivestono in questa prima parte della tesi anche le prime osservazioni strumentali, effettuate dai discepoli di Galileo con il piccolo termometro fiorentino che fu il primo strumento della storia in grado di registrare in modo fisicamente attendibile la temperatura dell’aria. Queste osservazioni, analizzate e presentate qui per la prima volta, nacquero all’interno della Rete Medicea (1654-1670) che fu la prima rete meteorologica esistente al mondo, nata sotto l’egida del Granduca di toscana Ferdinando II. Infine, aggiungendo altri 60 anni di dati di temperatura (1716-1774) alla ricostruzione della serie strumentale storica di Padova, si è ottenuto un risultato particolarmente importante per la storia della nostra specola. Questa serie strumentale, ad oggi ininterrotta, è infatti una delle più lunghe e complete d’Italia, e ci è giunta grazie alle osservazioni effettuate da astronomi quali Toaldo, Chiminello, Santini succedutisi come direttori dell’osservatorio astronomico di Padova. La seconda parte della tesi riguarda l’analisi di dati satellitari e della tecnica in remote sensing per la ricerca di siti che presentino condizioni ottimali per osservazioni astronomiche. Dal punto di vista climatico, l’uso di piattaforme satellitari di tipo sun-syncronous, grazie alla copertura quasi totale della superfice terrestre sono il mezzo attualmente più efficace per il monitoraggio di parametri atmosferici di aree in cui sono presenti osservatori astronomici già attivi da anni e divengono al contempo un mezzo molto potente per rilevare nuovi siti che possiedano le condizioni ottimali richieste dalle osservazioni. Lo scopo di questa seconda parte, è in primis quello di esplorare l’uso di altri rivelatori diversi dal Total Ozone Monitoring Spectrometer a bordo del satellite Earth Probe (Bertolin, 2005), con una miglior risoluzione spaziale, per studiare la correlazione tra il contenuto di aerosol e l’estinzione atmosferica all’osservatorio Roque de Los Muchachos nell’isola di La Palma (Canarie, Spagna). In secondo luogo, il fine è quello di valutare quanto la risoluzione spaziale degli strumenti satellitari influenzi la qualità del dato utilizzato e conseguentemente i risultati ottenuti per la caratterizzazione di un sito astronomico. Per questo intento si sono utilizzati due tipi di dati: dati di livello 2 ad alta risoluzione e dati di livello 3 a più bassa risoluzione spaziale. Importanti risultati si sono ottenuti dall’analisi di questi ultimi dati. Questo tipo di studio in remote sensing è stato rivolto, parallelamente, su quattro tra i siti astronomici di eccelenza al mondo: La Silla e Paranal in Cile, La Palma e Tenerife nelle isole Canarie ed analogamente è stato testato anche per studiare le caratteristiche di un sito completamente nuovo indicato per poter ospitare il futuro extremely large telescope: Tolonchar. I risultati hanno portato a definire per ogni area presa in esame le principali caratteristiche del contenuto aerosol (profondità ottica degli aerosol, altezza dello strato di particelle aerosol, albedo della singola interazione di diffusione con la particella aerosol) e della copertura nuvolosa. Lo scopo di tale confronto è stato quello di verificare se le caratteristiche di qualità del cielo fossero rimaste inalterate negli anni e di cercare tecniche di analisi appropriate a rivelare le proprietà climatiche delle aree in esame. A questo proposito, per la prima volta è stato effettuato un attento monitoraggio da satellite, su un database di 6 anni per il sito di Tolonchar. I risultati ottenuti hanno presentato conclusioni molto importanti. Sopra quest’area la presenza di nubi infatti si è dimostrata molto limitata e per la prima volta è stato possibile studiare e specificare la presenza e le caratteristiche degli aerosol. I maggiori risultati riguardanti lo studio della nuvolosità sono stati ottenuti sia da un punto di vista climatico, in termini di percentuale di copertura nuvolosa, che da un punto di vista astronomico come trend a lungo termine del numero di notti fotometriche. La ricerca di periodicità, effettuata con la wavelet analysis, su oltre un trentennio di dati satellitari, ha messo in evidenza, per il sito astronomico di La Silla, un’anticorrelazione tra l’aumento medio della frazione di nubi e la diminuzione media del Southern Oscillation Index e viceversa. Un risultato analogo si è raggiunto anche studiando la relazione che intercorre tra la variazione del numero di notti fotometriche ed i picchi positivi e negative del SOI. Come dimostra il caso esemplificativo di La Silla, la differenza percentuale tra le peggiori e migliori condizioni in termini di numero di notti fotometriche è rilevante per le osservazioni astronomiche. Questo fatto ha portato a correlare l’anomalia di copertura nuvolosa (cioè la deviazione relativa del numero medio di notti fotometriche) ottenuto dalle misure in situ con un valore analogo recuperato da misure satellitari. L’obiettivo di tale analisi è la ricerca di una possibile correlazione tra queste due variabili per utilizzare i dati satellitari di percentuale di nuvolosità come mezzo per ricostruire una statistica di dati fotometrici su una scala temporale più ampia. Il metodo testato sull’area di La Silla e Paranal ha alcune limitazioni che non permettono di estenderlo ad altri siti astronomici con informazioni fotometriche per ricostruire in modo più completo l’andamento delle loro condizioni osservative negli anni.